采用立體標(biāo)定板的魚眼相機(jī)快速標(biāo)定方法

高秀麗, 遲瑞娟, 王建強(qiáng)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 車輛人機(jī)工程與智能控制研究室，北京 100083；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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采用立體標(biāo)定板的魚眼相機(jī)快速標(biāo)定方法

高秀麗1, 遲瑞娟1, 王建強(qiáng)2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 車輛人機(jī)工程與智能控制研究室，北京 100083；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

針對(duì)目前魚眼相機(jī)標(biāo)定過程繁瑣的問題，進(jìn)行了魚眼相機(jī)快速標(biāo)定方法的研究。設(shè)計(jì)了一種由三塊黑白棋盤組成、帶有紅色邊界線的立體標(biāo)定板；對(duì)標(biāo)定圖像依據(jù)棋盤所屬平面進(jìn)行圖像分割，并對(duì)每部分分別檢測(cè)角點(diǎn)，建立二維圖像坐標(biāo)與三維世界坐標(biāo)的映射；選用折反射成像模型，提出了適用于立體標(biāo)定法的參數(shù)求解方法。進(jìn)行了該立體標(biāo)定法與常用平面多圖標(biāo)定法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過圖像畸變校正效果和圖像坐標(biāo)逆投影至世界坐標(biāo)的精度，驗(yàn)證標(biāo)定精度。實(shí)驗(yàn)表明：立體標(biāo)定法可以實(shí)現(xiàn)與平面多圖標(biāo)定方法同樣高的標(biāo)定精度，且具有較好的魯棒性；同時(shí)該標(biāo)定法極大簡(jiǎn)化了標(biāo)定操作流程，縮短了標(biāo)定時(shí)間。

魚眼相機(jī)；成像模型；標(biāo)定方法；標(biāo)定可靠性；圖像分割；參數(shù)優(yōu)化

近年來，魚眼相機(jī)由于其超大的視場(chǎng)范圍，在全景視覺、機(jī)器人導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)及視覺監(jiān)控等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而大視場(chǎng)同時(shí)也帶來嚴(yán)重的圖像畸變，影響人眼直觀的視覺感受以及圖像信息的利用。為了對(duì)圖像畸變進(jìn)行校正，需要進(jìn)行魚眼相機(jī)標(biāo)定[1]。標(biāo)定選用的成像模型方面，大多根據(jù)徑向畸變和切向畸變建模，也有多項(xiàng)式逼近模型、拋物面投影模型、球面投影模型等等[2-5]。標(biāo)定方法方面，主要分為傳統(tǒng)標(biāo)定法、主動(dòng)視覺法和自標(biāo)定法。其中傳統(tǒng)標(biāo)定法標(biāo)定過程相對(duì)復(fù)雜，但精度最高[6-10]。魚眼相機(jī)標(biāo)定對(duì)精度要求較高，因而采用傳統(tǒng)標(biāo)定法。

用傳統(tǒng)標(biāo)定法對(duì)魚眼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，由于魚眼相機(jī)的大視場(chǎng)，單幅圖像中標(biāo)定板難以覆蓋整幅圖像從而導(dǎo)致標(biāo)定誤差增大。為彌補(bǔ)這一缺陷，一般采用多圖標(biāo)定法，將平面標(biāo)定板放置于相機(jī)前不同的位置采集多張圖像，以獲得分布范圍較大的標(biāo)定原始數(shù)據(jù)。該方法需多次擺放棋盤并采集圖像，對(duì)于某些需要快速安裝并完成標(biāo)定的場(chǎng)合并不適用，比如在生產(chǎn)線上批量裝配車載相機(jī)時(shí)。針對(duì)這一問題，本文提出一種立體標(biāo)定法，利用三塊平面黑白棋盤搭建立體標(biāo)定板，采集一幅圖像即可實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定。

1 魚眼相機(jī)標(biāo)定原理

1.1 成像模型

相機(jī)標(biāo)定首先要建立成像模型。本文選用Scaramuzza提出的折反射模型[5]作為魚眼相機(jī)成像模型。

折反射模型坐標(biāo)系設(shè)定如圖1。其中，(X,Y,Z)為世界坐標(biāo)，(x,y,z)為相機(jī)坐標(biāo)，(u",v")為感光面坐標(biāo)，(u′,v′)為輸出圖像坐標(biāo)。由世界坐標(biāo)系至相機(jī)坐標(biāo)系的映射模型為外部模型，與相機(jī)的安裝位置有關(guān)，涉及參數(shù)稱為外參；由相機(jī)坐標(biāo)系至圖像坐標(biāo)系的映射模型為內(nèi)部模型，與相機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)，涉及參數(shù)稱為內(nèi)參。

圖1 成像模型坐標(biāo)系 Fig.1 Coordinate systems for imaging

世界坐標(biāo)系中的一點(diǎn)P經(jīng)相機(jī)成像落于感光面的P",由相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)O至P點(diǎn)的向量記為p,折反射模型對(duì)于如何由P"逆投影至P做以下假設(shè)：

(1)

式中：λ為尺度變換因子，f(ρ)為包含相機(jī)畸變參數(shù)的非線性投影函數(shù)，用泰勒級(jí)數(shù)展開多項(xiàng)式表示為

f(ρ)=a0+a1ρ+a2ρ2+…+anρn

(2)

成像面坐標(biāo)到圖像坐標(biāo)的映射需經(jīng)過仿射變換和中心偏移，關(guān)系式為

(3)

式中：c、d、e為仿射變換系數(shù)，uc、vc為圖像中心偏移量。

以上參數(shù)為相機(jī)內(nèi)參。

相機(jī)坐標(biāo)(x,y,z)與世界坐標(biāo)(X,Y,Z)間存在旋轉(zhuǎn)和平移，其映射關(guān)系為

(4)

其中，旋轉(zhuǎn)矩陣：

平移向量:

二者構(gòu)成相機(jī)外參。

1.2 模型參數(shù)求取

要進(jìn)行模型參數(shù)求取，首先需獲取多個(gè)樣點(diǎn)的世界坐標(biāo)(X,Y,Z)和圖像坐標(biāo)(u′,v′)。對(duì)標(biāo)定板拍攝圖像，其上樣點(diǎn)世界坐標(biāo)已知，通過圖像檢測(cè)可獲得樣點(diǎn)圖像坐標(biāo)。

文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)介紹了平面多圖標(biāo)定法的模型參數(shù)求解方法。參考文獻(xiàn)中的方法，首先忽略仿射變換及圖像中心偏移量，以(u,v)表示圖像坐標(biāo)，同時(shí)也可表示感光面坐標(biāo)。以下標(biāo)j代表樣點(diǎn)序號(hào)。將式(1)兩邊叉乘并展開后得到如下公式：

vj(r31Xj+r32Yj+r33Zj+t3)-

f(ρj)(r21Xj+r22Yj+r23Zj+t2)=0

(5)

f(ρj)(r11Xj+r12Yj+r13Zj+t1)-

uj(r31Xj+r32Yj+r33Zj+t3)=0

(6)

uj(r21Xj+r22Yj+r23Zj+t2)-

vj(r11Xj+r12Yj+r13Zj+t1)=0

(7)

其中式(7)為線性方程，以此為突破口進(jìn)行參數(shù)求解。由于旋轉(zhuǎn)矩陣R內(nèi)部存在約束關(guān)系，不能直接簡(jiǎn)單地對(duì)式(7)求解，需改進(jìn)求解算法。

首先從標(biāo)定板的三個(gè)平面中選取樣點(diǎn)較多的一個(gè)平面，利用該平面內(nèi)的樣點(diǎn)坐標(biāo)求外參初值。因?yàn)闊o論選定哪個(gè)平面，都只涉及r1、r2、r3中的某兩個(gè)向量，不存在內(nèi)部約束，可簡(jiǎn)單求解。然后令所有樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)都參與計(jì)算，對(duì)外參進(jìn)行優(yōu)化。

以下按選定X-O-Y面為例進(jìn)行說明。在該平面上，所有點(diǎn)的坐標(biāo)Z=0，式(7)簡(jiǎn)化為

uj(r21Xj+r22Yj+t2)-vj(r11Xj+r12Yj+t1)=0

(8)

該式中包含r11、r12、r21、r22、t1、t2六個(gè)參數(shù)，可構(gòu)建超定線性方程組并求解[11]。然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R內(nèi)部存在的約束關(guān)系，即r1、r2、r3兩兩相互正交，且||r1||=||r2||=1，求得除t3外的其他外參。

然后用所有樣點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)式(7)對(duì)外參進(jìn)行最小二乘迭代優(yōu)化[11-13]。迭代步長(zhǎng)為

δk=(JkTJk)-1JkTεk

(9)

式中：ε表示上一次的估計(jì)誤差，J表示Jacob矩陣，下標(biāo)k代表第k次迭代。以函數(shù)g表示式(7)左部，Jacob矩陣如式(10)所示，式中n代表樣點(diǎn)數(shù)量：

(10)

每次迭代過程中，r11、r12、r21、r22、t1、t2由式(9)計(jì)算迭代步長(zhǎng)后更新，而r13、r23則由更新后的r11、r12、r21、r22計(jì)算得到。

外參優(yōu)化完成后，利用式(5)、(6)，采用最小二乘法[12]求解畸變參數(shù)a0，a1，…，an以及t3。

最后，采用Levenberg-Marquardt迭代優(yōu)化算法[14-15]對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。其中，c、d、e初值為1、0、0，uc、vc初值分別為圖像高寬的一半。至此，所有參數(shù)求解完成。

2 魚眼相機(jī)快速標(biāo)定方法

2.1 標(biāo)定板設(shè)計(jì)

立體標(biāo)定板由兩兩互相垂直的三塊黑白棋盤模板構(gòu)成，如圖2所示。此標(biāo)定板有如下優(yōu)點(diǎn)：棋盤格成像后角點(diǎn)(即黑白方格的頂點(diǎn)，作為參數(shù)求取所需的樣點(diǎn))鄰域內(nèi)灰度梯度較大，易檢測(cè)；立體標(biāo)定板可包圍相機(jī)，使棋盤角點(diǎn)遍布整幅圖像；平面交界處繪有紅色邊界線，方便角點(diǎn)檢測(cè)前進(jìn)行所屬平面劃分，確定三維世界坐標(biāo)。

2.2 標(biāo)定過程

1) 圖像采集

將標(biāo)定板置于待標(biāo)定相機(jī)前，調(diào)整標(biāo)定板位置及角度，使圖像中遍布棋盤角點(diǎn)，采集標(biāo)定圖像一張，如圖3。

圖2 立體標(biāo)定板Fig.2 Stereoscopic calibration board

圖3 立體標(biāo)定圖像Fig.3 Stereoscopic calibration image

2) 圖像分割與角點(diǎn)檢測(cè)

標(biāo)定圖像中沒有復(fù)雜的干擾物，只有黑白方格與紅色曲線，因而RGB三通道中，邊界線處像素點(diǎn)的R通道灰度值明顯高于G、B通道，其他區(qū)域三通道灰度值接近。求R通道與G或B通道的灰度差，采用自適應(yīng)閾值進(jìn)行二值化處理，可將邊界線檢測(cè)出來[16]，結(jié)果如圖4。

對(duì)三條邊界線分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，依據(jù)邊界線將原始圖像分割為三個(gè)區(qū)域，形成三幅子圖像，如圖5。

圖4 邊界線檢測(cè)Fig.4 Boundary detection

圖5 圖像分割Fig.5 Image segmentation

對(duì)三幅子圖像分別進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)并排序[3,6]。由于角點(diǎn)在子圖像中的坐標(biāo)與其在原始圖像的坐標(biāo)相同，因而可以得到原始圖像中所有角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，如圖6所示。

圖6 角點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Corner detection result

3) 坐標(biāo)映射建立

各區(qū)域的角點(diǎn)都有一維世界坐標(biāo)為0，對(duì)應(yīng)圖5中三幅子圖像分別為Y=0，X=0，Z=0。根據(jù)棋盤方格邊長(zhǎng)以及與世界坐標(biāo)原點(diǎn)間隔的方格數(shù)，可得到所有角點(diǎn)的世界坐標(biāo)。從而建立起二維圖像坐標(biāo)與三維世界坐標(biāo)的一一映射，用于模型參數(shù)的求解。

4) 參數(shù)求解

依據(jù)標(biāo)定原理，求解魚眼相機(jī)參數(shù)。

以上標(biāo)定過程在VisualStudio2010平臺(tái)下，用C/C++語言結(jié)合OpenCV編寫標(biāo)定程序，輸入標(biāo)定圖像，得到魚眼相機(jī)參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3的標(biāo)定結(jié)果如下

a0=-1.536 2×102，a1=0，

a2=1.529 4×10-3,a3=-5.120 5×10-6

a4=1.846 7×10-8,c=0.999 2，

d=-1.301 2×10-5，e=2.750 1×10-3

uc=243.563 7，vc=323.453 1

上述相機(jī)參數(shù)中，只有平移向量T可以簡(jiǎn)單測(cè)得，旋轉(zhuǎn)矩陣R由于旋轉(zhuǎn)角較難測(cè)量而無法得到真實(shí)值，內(nèi)參由于是抽象模型參數(shù)也無法獲取真實(shí)值。因而難以通過所得參數(shù)本身來評(píng)價(jià)標(biāo)定精度。

本文設(shè)計(jì)了四組對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)四組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)如下：

A、B兩組采用立體標(biāo)定法，標(biāo)定板可在保證棋盤角點(diǎn)遍布整幅圖像的前提下隨意擺放；C、D兩組采用平面多圖標(biāo)定法，各自用平面棋盤拍攝八幅圖像進(jìn)行標(biāo)定，其中C組嚴(yán)格控制棋盤擺放位置，使棋盤繞相機(jī)光軸等角度旋轉(zhuǎn)一周，D組棋盤擺放較為隨意,如圖7所示。

圖7 四組對(duì)比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.7 Four calibration experiments for contrast

3.1.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于四組標(biāo)定所獲圖像的場(chǎng)景各不相同，要進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，需設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在雜物較少的水平地面上擺放一張棋盤，棋盤長(zhǎng)約1m，寬約0.6m，相機(jī)距地面高度1.2m。采集魚眼圖像作為測(cè)試圖像，如圖8。

圖8 測(cè)試圖像Fig.8 Test image

結(jié)合標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所得四組相機(jī)內(nèi)參，對(duì)測(cè)試圖像標(biāo)定外參。此過程只需通過求解超定線性方程組即可得到外參[15]。由此獲得同一場(chǎng)景的四組相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，用于對(duì)比分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 魚眼圖像畸變校正

首先利用四組參數(shù)對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行畸變校正，從視覺效果上進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。為了便于分析校正效果，在校正基礎(chǔ)上進(jìn)行俯視投影。結(jié)果如圖9所示。

在校正效果圖中，A、B、C組的整體校正效果較好，將棋盤及地面的方格較好的還原；D組還原效果稍差，圖像左下角和右下角可看出彎曲變形未完全校正。

3.2.2 世界坐標(biāo)估計(jì)

利用標(biāo)定所得相機(jī)參數(shù)，用角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)逆投影得到其世界坐標(biāo)的估計(jì)值，計(jì)算估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的距離作為估計(jì)誤差，如圖10。世界坐標(biāo)估計(jì)誤差分析見表1。

由以上數(shù)據(jù)可看出四組實(shí)驗(yàn)中世界坐標(biāo)的估計(jì)誤差相近。粗略計(jì)算世界坐標(biāo)估計(jì)值的相對(duì)誤差，棋盤中心與相機(jī)距離取1 300mm，估計(jì)誤差取3mm，則相對(duì)誤差為0.23%，可認(rèn)為誤差較小，說明四組標(biāo)定都有較高的標(biāo)定精度。

圖9 魚眼圖像校正效果Fig.9 Fisheye image correction results

圖10 世界坐標(biāo)估計(jì)誤差Fig.10 World coordinates estimation errors

實(shí)驗(yàn)組估計(jì)誤差均值/mm估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差/mmA1.460.73B1.490.76C1.320.67D1.650.84

其中，C組標(biāo)定精度最高，A組與B組精度極為接近，D組精度相對(duì)略低。分析原因，A組與B組采用立體標(biāo)定板，雖然標(biāo)定板位置隨意擺放，但都保證了棋盤角點(diǎn)遍布整幅圖像，數(shù)據(jù)分布較好，因而求得的參數(shù)精度較高；C組標(biāo)定板擺放位置經(jīng)過精心設(shè)計(jì)以保證角點(diǎn)分布較均勻且遍布圖像，D組為隨意放置，角點(diǎn)分布散亂，無法保證獲取的角點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布情況，因而出現(xiàn)標(biāo)定精度上的差異。

在標(biāo)定過程的復(fù)雜程度上，A、B組采用的立體標(biāo)定法，只需采集一幅圖像，且因其標(biāo)定板的立體設(shè)計(jì)，使得擺放棋盤時(shí)很容易將角點(diǎn)覆蓋整幅圖像，極易操作；C、D組采用的平面多圖標(biāo)定法，需多次采集圖像，若要實(shí)現(xiàn)高精度標(biāo)定，需要兼顧每幅圖像中的棋盤位置，且若無輔助設(shè)備則人工操作較為繁瑣。

4 結(jié)束語

本文提出了一種利用立體標(biāo)定板對(duì)魚眼相機(jī)進(jìn)行快速標(biāo)定的方法，根據(jù)魚眼相機(jī)成像特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用的立體標(biāo)定板，并提出適用于立體標(biāo)定的參數(shù)求解方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的平面標(biāo)定法相比，該方法具有較高的標(biāo)定精度和魯棒性，同時(shí)簡(jiǎn)化了標(biāo)定流程，操作簡(jiǎn)易，耗時(shí)較短。對(duì)于車載魚眼相機(jī)安裝等需要進(jìn)行批量標(biāo)定的場(chǎng)合，該方法具有實(shí)際應(yīng)用意義。

無論是本文所述方法還是傳統(tǒng)標(biāo)定法，由于魚眼圖像邊緣區(qū)域畸變較大，與圖像中心區(qū)域相比樣點(diǎn)較密集且棋盤方格變形較大，樣點(diǎn)檢測(cè)精度降低，對(duì)標(biāo)定參數(shù)的精度存在一定影響。本文認(rèn)為可以嘗試樣點(diǎn)非均勻分布的標(biāo)定板，改善邊緣樣點(diǎn)檢測(cè)精度以提高相機(jī)參數(shù)標(biāo)定精度。

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Fastfisheyecameracalibrationmethodusingstereoscopiccalibrationboard

GAOXiuli1,CHIRuijuan1,WANGJianqiang2

(1.LabofVehicleErgonomicsandIntelligentControl,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China; 2.StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Aimingatthecomplexityofcurrentfisheyecameracalibrationprocedures,astudyonfastfisheyecameracalibrationmethodiscarriedoutinthispaper.Astereoscopiccalibrationboardisdesigned,whichcomprisesthreechessboardswithredboundaries.Afterimagesegmentationaccordingtotheplanesthatdifferentchessboardzonesbelongto,andrunningcornerdetectiononeachpartseparately,mappingbetween2Dimagecoordinatesand3Dworldcoordinatesisachieved.Basedonacatadioptricimagingmodel,amethodisintroducedtocalculatetheparametersforstereoscopiccalibration.Experimentsareconductedtocomparethisstereoscopiccalibrationwithusualplane-multi-imagecalibration.Thecalibrationaccuracyisevaluatedbyresultsofdistortioncorrectionandtheaccuracyofprojectionfromimagecoordinatestoworldcoordinates.Resultsindicatethatstereoscopiccalibrationhasthesameaccuracyasthatofplane-multi-imagescalibrationandhasevengreaterrobustness.Moreover,stereoscopiccalibrationsimplifiesthecalibrationprocessandshortensthetimeinvolvedtoagreatextent.

fisheyecamera;imagingmodel;calibrationmethod;calibrationreliability;imagesegmentation;parameteroptimization

2015-05-06.

日期：2016-10-12.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA11Z216); 汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(Q10111922).

高秀麗(1988-)，女，博士； 遲瑞娟(1969-)，女，副教授，博士生導(dǎo)師，博士后.

遲瑞娟，E-mail:chiruijuan@vip.sina.com.

10.11990/jheu.201505017

TP

A

高秀麗, 遲瑞娟, 王建強(qiáng). 采用立體標(biāo)定板的魚眼相機(jī)快速標(biāo)定方法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(11): 1594-1599.GAOXiuli,CHIRuijuan,WANGJianqiang.Fastfisheyecameracalibrationmethodusingstereoscopiccalibrationboard[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity, 2016, 37(11): 1594-1599.

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