数码相机外部参数直角三点标定方法的研究

    机器视觉是一门新兴的学科。随着计算机硬件、软件、图像采集、数字信号处理技术的迅速发展,机器视觉的理论和技术已被广泛地应于医学图像处理、机器人技术、文字识别、工业检测、军事侦察、地理勘察和现场测量等。数码相机是机器觉技术进行定量分析时,数码相机作为原始图像的采集设备,必须进行系统标定。标定参数的精度直接影响到最终的定量分析的精度。国内外许多学者对相机参数标定做了大量的研究[1-3],提出了多种标定方法。通常的标定方法都是先求出综合标定矩阵,再根据综合标定矩阵中的元素分解出相机的内部参数和外部参数。用这种方法求得的内部和外部参数误差较大[4-5]。文献[6]提出数码相机内外参数分组标定的方法,可以在实验室条件中求解出与数码相机结构有关的内部参数。再通过现场的标定装置求出相机的外部参数。用以上方法求解相机外部参数仍需要6个或6个以上已知坐标点的标定装置。

    本文在数码相机参数分组标定方法[3]研究的基础上,提出了一种新的数码相机外部参数的标定方法,这种方法仅需要成直角关系的3个已知点作为标定装置,就可以方便地确定相机拍摄图像时的外部参数。

    1 数码相机成像几何模型

    数码相机图像拍摄实际上是一个光学成像过程。可以将此过程分为3个步骤、隶属于4个坐标系[6]。

    世界坐标系为根据自然环境选定的坐标系,坐标值用(xw,yw,zw)表示。图像坐标系为坐标原点在CCD图像平面的中心,X轴、Y轴分别为平行于图像平面的两条垂直边,坐标值用(x,y)表示。像素坐标系为坐标原点在CCD图像平面的左上角,U轴、V轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴,坐标值用(u,v)来表示,且为离散的整数值。光心坐标系为以相机的光心为坐标原点,X轴、Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴,相机的光轴为Zc轴,坐标值用(xc,yc,zc)表示。

    光学成像的理论模型是针孔模型,成像的3个步骤分别是将世界坐标系中的信息转换到光心坐标系,再由光心坐标系投影到图像坐标系,最后由图像坐标系转换到像素坐标系。由世界坐标系到像素坐标系的转换关系为:

    其中

    可将公式(1)简化成:

    N为公式(1)右边第1项,是与相机内部参数有关的矩阵,H为公式(1)右边第2项,是与相机外部参数有关矩阵。相机内部参数的标定方法文献[3]中已经提出了合适的求解方法,本文提出一种新的相机外部参数标定方法)))即利用已知成直角三点的标定装置实现外部参数的标定。