一种环形摄像机阵列校准系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种环形摄像机阵列校准系统及其方法，属于计算机多媒体技术领域。该系统包括一个校准板、摄像机阵列、多个采集服务器、一个校准服务器以及网线；该方法包括：在环形场中全部摄像机对校准板每种位置姿态同时进行拍摄，采集一幅该位置姿态的图像；多个采集服务器分别对其所有采集到的图像进行角点检测，并计算每个摄像机的单应矩阵Ｈ↓［ｉ］↑［ｊ］；校准服务器根据两两摄像机之间可以检测到的公共位置姿态数为其之间的关系权重，将摄像机阵列优化分组；对每组摄像机分别进行组内联合校准，将各组的外参统一为以同一摄像机为世界坐标原点的外参；优化校准参数；得到摄像机阵列内外参数的最大似然估计。本发明专利技术可实现精确地重构三维场景，任意视点的观看。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机多媒体
，特别涉及一种通过对环形摄像机阵列进行分组校 准从而简单精确得到其内外参数的技术。
技术介绍
摄像机校准是3D计算机视觉中不可或缺的一步。通过对摄像机进行校准，可以得到 其内、外参数，从而可以从多幅图像计算出场景的三维结构。摄像机校准是各种三维重建 技术的基础，精确的校准是实现精确重构的前提，有了精确的校准数据，可以精确地重构 三维场景，实现任意视点的观看。一般环形摄像机阵列的校准系统包括采集服务器、控制服务器、校准板、摄像机阵 列、网线等。上述系统的校准方法通常是摄像机不动，拍摄校准板变换的不同姿态位置(pose)，然后通过特征点匹配计算摄像机内参矩阵和外参矩阵，具体计算如下摄像机平面上的点m = t与三维立体空间中任何一 点M - 7"之间有如下关系<formula>formula see original document page 4</formula>(1)其中，u、 v为摄像机平面两个轴上的坐标；X、 Y、 Z为世界坐标系中的坐标；s为任 一尺度因子；[R t称为外参矩阵(包括旋转R和平移t)，外参矩阵将世界坐标系和摄 像机坐标系(以摄像机主点为原点的坐标系)联系起来；A称为内参矩阵，且<formula>formula see original document page 4</formula>(2)其中，(u。,v。)是摄像机主点的坐标；"和/9分别是u轴和v轴的尺度因子；^是扭曲参数。设有J种校准板平面M的姿态位置为^(j-l,…，J)，则校准板上一点的空间位置和在 板上的二维坐标位置有如下关系<formula>formula see original document page 5</formula>式中，p纟和qJ是平行于^平面上水平轴和垂直轴的单位三维矢量，^是表示该平面原点位置的三维矢量。 于是有，<formula>formula see original document page 5</formula>因此，只需找8对以上的特征点求解单应矩阵H、从而可求解摄像机投影矩阵P，进而可得摄像机内参和外参。对于一个多摄像机阵列，如果对每个摄像机单独采用如上的方法进行校准，不仅复杂 而且会有摄像机间位置关系估计不准确等问题，现有的解决方法可以对多个摄像机进行联合校准，联合单应矩阵W为<formula>formula see original document page 5</formula>式中，H/表示第i个摄像机第j种pose的单应矩阵；P,为第i个摄像机的投影矩阵；为第j个pose的矢量矩阵。如果所有单应矩阵都可以求解，则可以用奇异值分解的方法求解摄像机投影矩阵和校准板平面的矢量矩阵。但是，并不是所有摄像机都可以拍摄到校准板平面的所有pose。对于不能拍摄到posej的摄像机i， H/是空缺的。虽然可以借助其他摄像机(参考摄像机)求解，H/=H/'(H;0—力/:(其中，参考摄像机应至少和所求摄像机有公共的一个校准板姿态位置视野)，但是并不是每个摄像机都能找到这样一个参考摄像机，而且如果相关性差， 则求解的准确性会大大降低。因此，可以对环形摄像机阵列进行分组校准，然后再将各组 统一起来。 一般的分组方法是将临近的几个摄像机分为一组，并尽量和同一个采集服务器 相连，由该服务器做校准的计算。但是这种方法很难做到最优分组，而且计算集中在了各 个采集服务器上，对采集服务器的性能要求提高
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服当前摄像机阵列校准方法的缺陷，提出一种环形摄像机阵列校 准装置及其方法。本专利技术通过对摄像机阵列进行合理分组,使得每组中的联合单应矩阵无 空缺现象，保证校准精度。可实现精确地重构三维场景，任意视点的观看。本专利技术的环形摄像机阵列校准系统，包括一个校准板、摄像机阵列、多个采集服务器、 一个校准服务器以及网线；其特征在于；该校准板，放置在环形场中心处并可进行各种位置姿态(pose)的变换(包括旋转和 平移)；该摄像机阵列以任意朝向任意间隔在环形场周边分布，用于拍摄校准板的各种位置姿态；该多个采集服务器,用于采集所述摄像机阵列拍摄的校准板的各种位置姿态的图像并 行地进行角点检测得到各图像的单应矩阵； '一个校准服务器，用于控制采集服务器、接收采集服务器发送的单应矩阵并完成摄像 机阵列的校准；各部件的连接关系为该摄像机阵列中的数个摄像机通过USB或者1394 口连接到一 个采集服务器，校准服务器和各采集服务器之间用以太网相连。 本方法采用的校准板为国际上较为通用的校准板。 本专利技术提出的上述环形摄像机阵列校准方法包括以下步骤1) 在环形场中设有n个摄像机，n为正整数，且使所有摄像机时间同步；2) 将设置在环形场中的校准板进行m种位置姿态(pose)的变换，m为正整数，全 部摄像机对每种位置姿态，同时进行拍摄，每个摄像机采集一幅该位置姿态的图像；3) 多个采集服务器分别对其所有采集到的图像进行角点检测，并根据检测到的角点计算每个摄像机的单应矩阵H/ (若检测不到角点，则该摄像机相对该位置姿态的单应矩阵H/空缺)传输给校准服务器；其中i为摄像机号，j为校准板姿态序号；4) 校准服务器根据接收到的单应矩阵确定每个摄像机可以检测到的pose;以两两摄 像机之间可以检测到的公共pose数为其之间的关系权重；5) 将摄像机阵列优化分组，使每组中联合单应矩阵无空缺现象； 具体的分组方法包括以下步骤51)将n个摄像机分为i组(i从l开始)，52) 首先看各组中两摄像机的关系^l重是否满足进行一定精度校准的条件，即两摄 像机公共检测到的pose数》t(t为该精度下校准所需的最少公共pose数)；如果不满足 则进行下一种分法转步骤55)，否则转步骤53)，53) 査看组与组之间相邻摄像机之间的权重是否至少有i-1对满足公共pose数》t; 如果不满足则进行下一种分法转步骤55)，否则转步骤54)，54) 计算并记录所有组的组内摄像机的权重和之和v^，55) 如果所有分法没有遍历完(共有《种)，则继续进行下一种分法，重复步骤52)-54);否则转步骤56)，56) 若所有的,-O则分组数i加l,重复步骤52) -55);否则，转步骤57),57) 比较M^，取使v^最大的j分法为优化分组的结果；6) 对每组摄像机分别进行组内联合校准，得到各摄像机的内参和以该组某一摄像机 为世界坐标原点的外参；然后通过校准组与组之间相邻的两个摄像机，将各组的外参 统一为以同一摄像机为世界坐标原点的外参；7) 用LM(Levenberg-Marquardt)非线性迭代优化算法最小化误差的平方和，优化校 准参数；即通过最小化函数<formula>formula see original document page 7</formula>得到摄像机阵列内外参数的最大似然估计，其中，i为摄像机号，j为校准板姿态序号， n为角点号。本专利技术的系统具有的特点如下1、 简单易操作，通用性强。2、 不要求摄像机的摆放位置(可以不均匀摆放)和朝向。3、 多个采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形摄像机阵列校准系统，包括一个校准板、摄像机阵列、多个采集服务器、一个校准服务器以及网线；其特征在于；该校准板，放置在环形场中心处并可进行各种位置姿态的变换；该摄像机阵列以任意朝向任意间隔在环形场周边分布，用于拍摄校准板的各种位置姿态；该多个采集服务器，用于采集所述摄像机阵列拍摄的校准板的各种位置姿态的图像并行地进行角点检测得到各图像的单应矩阵；一个校准服务器，用于控制采集服务器、接收采集服务器发送的单应矩阵并完成摄像机阵列的校准；各部件的连接关系为：该摄像机阵列中的数个摄像机通过ＵＳＢ或者１３９４口连接到一个采集服务器，校准服务器和各采集服务器之间用以太网相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，李坤，刘烨斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]