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专利名称：一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机视觉领域的ー种方法，具体是ー种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法。
背景技术：
摄像机与激光发射器(激光测距仪或激光结构光)可以组成的瞄准系统，该系统具有下述功能当目标在摄像机中心位置时激光束对准该目标，或者在激光束对准目标时目标在摄像机拍摄图像的中心位置，即所拍摄目标与激光束所指示的目标是同一目标(或目标上的同一位置)。摄像机与激光发射器(激光测距仪或激光结构光)组成的瞄准系统被广泛应用在测距、测姿等领域，以实现从摄像机所拍摄的图像上选择被测目标，或者通过激光指不确定目标后拍摄目标的图像。摄像机主轴是采用针孔模型描述摄像机成像过程中定义的一条直线，当该直线与激光束平行时，摄像机所拍摄目标与激光束所指示的目标是同一目标(或目标上的同一位置)。摄像机与激光发射器(激光测距仪或激光结构光)组成的瞄准系统需要对系统进行配准才能够正常工作，这里的配准是指将摄像机和激光发射器的摆放位置进行调整，使摄像机的摄像机主轴和激光发射器所发射的激光束互相平行，即摄像机主轴和激光束的平行配准，这样才能够使所拍摄目标与激光束所指示的目标是同一目标(或目标上的同一位置)。摄像机主轴是人为定义的一条直线，现实中是不可见的。因此，对摄像机主轴和激光束进行平行配准通常比较困难。通过对相关技术文献检索发现晁志超在2011年3月《光学学报》第31卷第3期上发表的《单目摄像机激光测距传感器位姿測量系统》中采用了摄像机主轴与激光测距仪激光束相平行的系统，但是其在文献中仅采用人工手动估计调节的方法来进行摄像机主轴和激光束的平行配准，造成拍摄的目标与激光束指示的目标不是同一目标(或目标的同一位置)，系统的测量精度因此大打折扣。

发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于平面单应的对摄像机主轴和激光束进行平行配准的方法，能够对摄像机与激光发射器(激光测距仪或激光结构光)组成的瞄准系统，进行摄像机主轴和激光束平行配准。本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤步骤一，拍摄棋盘标定块和激光束在棋盘标定块上形成的光点图像。步骤ニ，使用步骤一中拍摄的图像标定摄像机參数(摄像机矩阵)，并估算摄像机主轴。步骤三，使用步骤一中拍摄的图像利用平面单应原理标定激光束原点。步骤四，利用平面单应原理估算平行激光束的像 点并标定激光束。步骤一中的棋盘标定块是如图I所示的矩形标定块，标定块上矩形的尺寸是已知的。步骤一中的摄像机在整个标定过程中摄像机焦距不变。步骤ニ中所述的摄像机參数(摄像机矩阵)是ー个3x4的矩阵。该矩阵是针孔摄像机模型中描述摄像机參数的矩阵。所述针孔模型，是通常用来描述摄像机透视投影成像过程的模型。 步骤ニ中所述的摄像机主轴是针孔模型中定义的一条直线，该直线满足所有该直线上的点在摄像机上所成的像点为同一点。步骤三中所述的激光束原点是空间中一点，激光发射器被固定于该点，并只可以绕该点进行旋转，且激光发射器发射的激光束所在的直线穿过该点。步骤三中所述的平面单应是用来描述两个平面上的点之间映射关系的数学模型。步骤四中所述的平行激光束像点是过激光束原点并与摄像机主轴平行的直线同标定块的交点在摄像机中所成的像点。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果本方法只需拍摄四幅图像即可完成标定，仅需ー块棋盘标定块辅助，标定速度快，易于实现，且具有较高精度。


图I为本发明用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法中所用的棋盘格标定块意图；图2为本发明的标定原理图。
具体实施例方式下面结合附图I和图2进ー步说明本发明是如何实现的。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例步骤一，拍摄棋盘标定块和激光束在棋盘标定块上形成的光点图像。标定过程采用图I所示的标定块。将标定块放置在摄像机前，摄像机为定焦摄像机。如图2所示建立世界坐标系，图中X, Y, Z为世界坐标系的坐标轴，P0为激光束原点，S1为标定块初始位置所在的平面。调整激光发射器的旋转角度，使其能够照射在标定块上，激光束在标定块(平面S1)上的光点记为P11,并固定激光发射器位置，拍摄图像ら。将标定块沿Z轴方向垂直平移距离D1，此时标定块所在的平面为S2,在标定块平移过程中确保激光发射器角度不变，且能够照射在标定块上，激光束在标定块(平面S2)上的光点记为P12，此时拍摄图像12。因在移动标定块过程中激光发射器保持不动，所以P11和P12在同一条激光束上。确保标定块不动，调整激光发射器旋转角度，使激光发射器转转ー个角度且能够照射在标定块上，激光束在标定块(平面S2)上的光点记为P21，此时拍摄照片13。将标定块沿Z轴方向再垂直平移距离D2，此时标定块所在的平面为Sa，标定块平移过程中确保激光发射器角度不变，且能够照射在标定块上，激光束在标定块(平面S4)上的光点记为P22，此时拍摄照片I4，显然P21和P22在同一条激光束上。拍摄过程中摄像机位置需保持不变，且拍摄完图像I4后，需保持标定块位置不变。
步骤ニ，使用步骤一中拍摄的图像标定摄像机參数(摄像机矩阵)，并估算摄像机主轴。图I所示的棋盘标定块上的黑(白)方格尺寸是事先測量好的，因此在图2所示的世界坐标系中，标定块分别在三个位置上时的每个方格顶点的世界坐标是已知的，方格顶点通常被称为角点，角点在图像上的坐标可以通过手工选择确定。透视投影摄像机模型可以用针孔模型描述，针孔模型用ー个3x4的矩阵来描述摄像机的成像过程。记世界坐标为X (三维坐标)，其在摄像机所成的图像上对应坐标为X ( ニ维坐标)，则摄像机的成像过程可以描述为kx = PX (公式 I)其中，k为常数。要确定矩阵P需要至少6组三维点和其对应的像点的坐标。从图像I1中选择至少3个角点(不共线)确定其世界坐标和对应的图像坐标，从图像I2中选择至少3个角点(不共线)确定其世界坐标和对应的图像坐标。利用这些点结合公式2就可以得到矩阵P。设M为矩阵P左边的3x3子矩阵，则M的第三行为摄像机主轴的方向向量。记摄像机光心为G，则C满足PC = O (公式 3)由公式4可以得到光心C的坐标。摄像机主轴过光心，且主轴方向向量已知，因此可以得到主轴直线方程。步骤三，使用步骤一中拍摄的图像标定激光束原点。激光束原点是空间中一点，满足如下条件激光发射器被固定于该点，并只可以绕该点进行旋转，且激光发射器发射的激光束所在的直线穿过该点。记H为ー个3x3的矩阵，X世界坐标系下某平面S上一点，平面S在摄像机中所成的图像为I，点X其对应的图像坐标为X，则有kX = Hx (公式 5)H称为图像平面I到平面S的单应矩阵。给定N(N彡4)组世界坐标下平面S上的点和其对应的图像坐标就可以通过公式6得到平面S到图像I的平面单应H。记图像I1到世界平面XY的单应为H1，通过N(N彡4)组世界坐标下的点和其对应的图像I1上的图像坐标，就可以得到氏。记图像I2到世界平面XY的单应为H2，通过N (N彡4)组世界坐标下的点和其对应的图像I2上的图像坐标，就可以得到H2。记图像I4到世界平面XY的单应为H4，通过N(N彡4)组世界坐标下的点和其对应的图像I4上的图像坐标，就可以得到H4。上述过程中所选取的点可以使用标定块上的角点，因为这些角点的在世界坐标系下的坐标是已知的，且很容易找到其对应图像点。人工确定激光束在标定块上所成光点P11在图像I1上的图像坐标pn，Pn在世界坐标系下的Z坐标为0，其X，Y坐标满足kX = H1P11 (k 为常数) (公式 7) 因此由公式8可以得到P11的X，Y坐标。P12的Z坐标为D1，类似的利用H2可以得到P12在世界坐标系下X，Y坐标。P21的Z坐标为D1,类似的利用H3可以得到P21在世界坐标系下X，Y坐标。P22的Z坐标为DfD2，类似的利用H4可以得到P22在世界坐标系下X，Y坐标。P11和P12在同一条直线上，记该直线为L1, P21和P22在同一条直线上，记该直线为L2，这四个点的世界坐标已知，因此可以得到L1和L2的方程。进ー步可以得到L1和L2的交点Ptl, L1和L2的交点Ptl为激光束原点。步骤四，估算平行激光束的像点并标定激光束。这里平行激光束像点是只过激光束原点Ptl并与摄像机主轴平行的直线同标定块的交点在摄像机中所成的像点。由于主轴方向向量已知，激光束原点已知，因此可以得到过激光束原点且与摄像机主轴平行的直线方程，记该直线为し3。记拍摄图像I4时标定块所在平面为S4，平面 S4在世界坐标系下的方程为Z = D^D2,结合直线L3的方程，可以得到L3与S4交点P3的世界坐标。记P3在摄像机中的像点为P3，通过H4可以得到p3的图像坐标。调节激光发射器的角度，使激光发射器与平面S4的交点的像点与P3重合,则此时激光发射器发射的激光束平行于摄像机主轴，即完成了激光束和摄像机主轴的平行配准。
权利要求
1.一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，包括如下步骤 步骤一，用摄像机拍摄棋盘标定块和激光束在棋盘标定块上形成的光点图像； 步骤二，使用步骤一中拍摄的图像标定摄像机参数，并估算摄像机主轴； 步骤三，使用步骤一中拍摄的图像利用平面单应原理标定激光束原点； 步骤四，利用平面单应原理估算平行激光束的像点并标定激光束；所述平行激光束的像点是指过激光束原点并与摄像机主轴平行的直线同标定块的交点在摄像机中所成的像占. 所述摄像机参数是指摄像机矩阵。
2.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，在整个标定过程中所述摄像机的焦距不变。
3.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，步骤二中采用的摄像机是针孔摄像机模型，所述的摄像机主轴是针孔模型中定义的摄像机主轴。
4.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，步骤三中所述的平面单应是用来描述两个平面上的点之间映射关系的数学模型。
5.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，步骤三中的激光束原点是空间中一点，激光发射器被固定于该点，并只可以绕该点进行旋转，且激光发射器发射的激光束所在的直线穿过该点。
6.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，步骤三中标定激光束原点时采用基于平面单应的方法得到激光束与标定块交点的世界坐标，然后利用交点的世界坐标得到激光束原点。
7.根据权利要求I所述的一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，其特征是，步骤四中标定激光束时首先利用先前得到的相关参数得到平行于摄像机主轴且过激光束原点的直线L3，估算直线L3与标定块交点的世界坐标P3，然后利用平面单应原理得到该点在图像上的坐标p3，调节激光发射器的角度，使激光发射器与标定块交点的像点与P3相同，即完成了标定。
全文摘要
一种用于摄像机主轴与激光束进行平行配准的方法，可以用于摄像机与激光发射器(激光测距仪或激光结构光)组成的系统中对系统进行平行配准，即，将摄像机和激光发射器的摆放位置进行调整以使摄像机的摄像机主轴和激光发射器所发射的激光束互相平行。首先，拍摄棋盘标定块和激光束在棋盘标定块上形成的光点图像，然后使用拍摄的图像标定摄像机参数(摄像机矩阵)，并估算摄像机主轴，接着利用平面单应原理标定激光束原点，最后利用平面单应原理估算平行激光束的像点并标定激光束。本方法只需拍摄四幅图像即可完成标定，仅需一块棋盘标定块辅助，标定速度快，易于实现，且具有较高精度。
文档编号G01C25/00GK102628693SQ201210111750
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者宋炜, 施劲松, 翟鸣, 赵琦, 邹怡婧 申请人:中国航空无线电电子研究所