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关于摄像机标定的本科毕设开题报告.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.12M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    南京航空航天大学 毕业设计（论文）开题报告 学 专 题 院 ________自动化学院____________ 业 ________电气工程与自动化______ 目 _______摄像机标定技术与实现______ 学生姓名 ____龙 娟_____ 学号 __030510201 毕设地点 ______智能楼 603 室_________________ 指导教师 ____王彪______ 职称 ___副教授_____ 2009 年 3 月 18 日
    1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 1500～2000 字左右的 文献综述： 计算机视觉的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发计算三维空间中物体的 几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中 对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像 机参数。摄像机标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数，摄像机相对于世界坐标系 的方位。标定精度的大小，直接影响着计算机视觉（机器视觉）的精度。 总的来说，摄像机标定可以分为两个大类：传统的摄像机标定方法和摄像机自标定 法[1]。传统摄像机标定的基本方法是：在一定的摄像机模型下，基于特定的实验条件如 形状、尺寸已知的参照物，经过对其进行图像处理，利用一系列数学变换和计算方法， 求取摄像机模型内部参数和外部参数。另外，由于许多情况下存在经常性调整摄像机的 需求，而且设置已知的参照物也不现实，这时就需要一种不依赖参照物的标定方法，即 摄像机自标定法。下面就这两种方法的各种算法进行了比较。 1、传统的摄像机标定方法 传统的摄像机标定方法按照其算法思路可以分成若干类，包括了直接线性变换法， 利用摄像机变换矩阵的标定方法，进一步考虑畸变补偿的两步法，双平面方法，改进的 张正友标定法以及其他的一些方法等。 1.1 、直接线形变换法（DLT） 直接线性变换方法是 Abdel -Aziz 和 Karara 首先于 1971 年提出的。通过求解线性方 程的手段就可以求得摄像机模型的参数，这是直接线性变换方法有吸引力之处。然而这 种方法完全没有考虑摄像机过程中的非线性畸变问题，为了提高精度，直接线性变换方 法进而改进扩充到能包括这些非线性因素，并使用非线性的手段求解。这类摄像机标定 方法的优点是可以假设摄像机的光学成像模型非常复杂，然而由此带来的问题是： （1） 摄像机标定的结果取决于摄像机的初始给定值，如果初始值给得不恰当，很难通 过优化程序得到正确的结果； （2）优化程序非常费时，无法实时地得到结果。 1.2、利用透视变换矩阵的摄像机标定方法 从摄影测量学中的传统方法可以看出，刻划三维空间坐标系与二维图像坐标系关系 的方程一般说来是摄像机内部参数和外部参数的非线性方程。如果忽略摄像机镜头的非 线性畸变并且把透视变换矩阵中的元素作为未知数，给定一组三维控制点和对应的图像 点， 就可以利用线性方法求解透视变换矩阵中的各个元素。严格来说，基于摄像机针 孔模型的透视变换矩阵方法与直接线性变换方法没有本质的区别。 1.3、两步法 Tsai(1986)给出了一种基于径向约束的两步法标定方法，是摄像机标定的一项重要标 定法，该方法的核心是先利用径向一致约束条件求解除像机光轴方向的平移外的其他像 机外参数，然后再求解摄像机的其他参数。Tsai 方法的精度比较高，适用于精密的测量， 但它对设备的要求也很高，不适用于简单的标定。 1.4、双平面标定法 Martins 等首先提出了双平面模型。这种方法不明确使用摄像机模型，它利用的是世
    界坐标系下的“视线”，该方法定义的视线为从工作场景前后两个平面出发，到图像上某 点的连线。给定空间的标定点以及其图像上的对应点，用插入方法可计算出两张图，插 入的方法是：对于每个图像上的点，在前平面和后平面上定义两个对应的点，来定义视 线向量。在这种方法中，考虑用局部插入，图像用顶点和标定格交点一致的三角形标画， 然后在三角形内线性样条插值。这种方法的优点是利用线性方法就可以解有关参数，缺 点是要求解大量的未知参数，计算过程比较复杂。 1.5、张正友标定法 这种方法虽然也是使用针孔模型，但是它的具体标定是在自标定与传统标定之间的 一种方法。该方法假设标定用平面图板在世界坐标系中 Z = 0，通过线性模型分析计算得 出摄像机参数的优化解，然后用基于最大似然法进行非线性求精。在这个过程中标定出 考虑镜头畸变的目标函数，最后求出所需的摄像机内、外部参数。该标定方法既具有较 好的鲁棒性，又不需昂贵的精制标定块，很有实用性。但张正友方法在进行线性内外参 数估计时，由于假定模板图像上的直线经透视投影仍然为直线，进而进行图像处理，获 得亚像素精度的点坐标，实际上引入了误差，所以在广角镜畸变比较大的情况下，校正 效果偏差比较大。 1.6、其他标定方法 针对摄像机标定的研究，许多人提出了更多有实用价值的新方法。这其中包括孟晓 桥、胡占义的圆标定方法，其使用模板不同于张正友的矩形平面模板，而是圆环模板。 还有吴毅红等的平行圆标定方法。这些新发展的新方法，为摄像机标定提供了更多针对 性更强的新方向。 2、摄像机自标定法 摄像机自标定法不依赖于标定参照物，仅利用摄像机在运动过程中周围环境的图像 与图像之间的对应关系对摄像机进行标定。目前已有的自标定技术大致可以分为几种： 利用绝对二次曲线和极线变换性质解 Kruppa 方程的摄像机自标定方法、分层逐步标定法、 基于二次曲面的自标定方法、基于主动视觉的摄像机自标定技术以及其他改进的摄像机 自标定技术。 2. 1 基于 Kruppa 方程的自标定方法 Faugeras 等从射影几何的角度出发证明了每两幅图像间存在着两个形如 Kruppa 方 程的二次非线性约束，在求解 Kruppa 方程的发展过程中，超越最初基于最基本的代数 几何概念的算法，改进优化的求解方式，利用 Kruppa 方程求得多幅图像上的所有像点 到对应极线的距离之和，并对这个距离采用 LM 算法求最小值，就可求出相应的摄像机 内参数。基于 Kruppa 方程的自标定方法不需要对图像序列做射影重建，而是对两图像 之间建立方程，在某些很难将所有图像统一到一致的射影框架的场合，这个方法会比分 层逐步标定法更具有优势，但代价是无法保证无穷远平面在所有图像对确定的射影空间 里的一致性，当图像序列较长时，基于 Kruppa 方程的自标定方法会不稳定。 2. 2 分层逐步标定法
    鉴于直接求解 Kruppa 方程的困难，人们提出了分层逐步标定的想法。分层标定法 首先对图像序列做射影重建，在此基础上再仿射标定和欧氏标定。分层逐步标定法特点 是在射影标定的基础上，以某一幅图像为基准做射影对齐，从而将未知数数量缩减，再 通过非线性优化算法同时解出所有未知数。缺点在于非线性优化算法的初值只能通过预 估得到，不能保证收敛性；射影重建时均是以某参考图像为基准，则参考图像的选取不 同，标定的结果也不同，这不满足一般情形下噪声均匀分布的假设。分层逐步法在近几 年正在逐步成为摄像机自标定的热点，在实际应用中渐渐取代了解 Kruppa 方程的方法。 2. 3 基于二次曲面的自标定法 Triggs 最早将绝对二次曲面的概念引入到自标定的研究中来，这种自标定方法与基 于 Kruppa 方程的方法在本质上是一致的，都是利用了绝对二次曲线在欧氏变换下的不 变性，但在输入多幅图像并能得到一致射影重建的情形下，基于二次曲面的自标定法更 具有优势，其根源在于二次曲面包含了无穷远平面和绝对二次曲线的所有信息，且基于 二次曲面的自标定方法又是在对所有图像做射影重建的基础上计算二次曲面的，从而保 证了无穷远平面对所有图像的一致性。 2. 4 基于主动视觉的自标定法 基于主动视觉的摄像机自标定方法是摄像机自标定方法中的一个重要分支，所谓的 主动视觉系统是指摄像机被精确的安装在可以控制的平台上，通过主动控制摄像机作特 殊的运动获得多幅图像，利用图像和可控制的摄像机运动参数来确定摄像机的内参和外 参。其代表性的方法是马颂德提出的基于两组三正交运动的线性方法，后杨长江、李华 等提出了改进的方案，分别基于 4 组平面正交以及 5 组平面正交运动，利用图像中的极 点信息来线性标定摄像机参数。此种自标定法算法简单，可以获得线性解，不足之处在 于必须有可以精确控制的摄像机运动平台，无法自由灵活的移动。 2. 5 其他摄像机自标定方法 针对摄像机有可能调整其本身的各种参数(如焦距)以提高性能，人们发展了摄像机可 变参数的自标定法。Polle-feys 给出了一种变焦距下的自标定方法，首先控制摄像机保持 焦距不变做一次纯平移，从而获得仿射标定，计算出初始焦距后，再利用模约束在焦距 变化时标定。Sturmm 提出了一种针对可变焦距摄像机的自标定方法。该方法需要预标定， 先确定出 5 个内参数的互相关模型，从而将焦距变化时的自标定过程简化到只需计算一 个内参数。在前人实验的基础之上，Heyden 等人证明了在可变参数的自标定过程中，至 少一个内参不变情况下，摄像机的自标定是可以实时实现的，但是若是当所有的参数都 改变的时候，摄像机的自标定是不可行的。 综上所述，传统的摄像机标定法的优点是标定结果可以获得较高的精度和较好的鲁 棒性；而缺点是标定过程费时费力，而实际应用中很多情况下无法使用标定块，比如空 间机器人、在危险恶劣环境下工作的机器人等。而摄像机自标定法的优点是能够进行实 时的、在线的标定，比较灵活，应用范围比较广泛；缺点是鲁棒性较差，精度不高。
    2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法： 1、毕业设计要解决的问题 从计算机视觉领域基本知识出发，根据小孔成像模型，利用已知结构的标定物或者相 机运动的某些参数，选用合适的参数估计方法，估计出相机的内部参数，即实现相机内 部参数的标定。课题要求该摄像机标定方案必须具有一定的鲁棒性和精确度。 2、拟采用的标定算法 传统标定方法的优点在于可以获得较高的精度，但标定过程费时费力。而自标定方法 最大的不足是鲁棒性差。所以，当应用场合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变 化时，传统标定方法应为首选。 所以，根据本课题的要求，拟采用传统的摄像机标定方法中基于 2D 平面靶标的摄像 机标定法。这种方法中比较成熟的是张正友标定法[2]，但是，Zhang 法需要测量出所需 矩形平面模板上角点的物理坐标，并需对每幅图像提取角点以及对角点及其图像点进行 匹配，使得算法过程中需要介入人工干预，不利于实现自动化标定。Meng 等人对 Zhang 的算法进行了改进，即利用一圆周及经过圆心的若干条直线作为标定模板，但该模板的 制作过程中仍需测量出圆心的物理位置，并且测量的圆心与实际位置的偏差会影响该算 法的精度和稳定性。 为了克服上述算法的缺点，本课题拟用如下图所示的模板[3]（由平面上两相交的圆 组成）代替矩形平面模板。该算法无需进行角点匹配，也无需计算模板的物理尺度，有 利于实现自动化标定，能够提高标定算法的实用性和灵活性。 张正友标定法模板 3、拟使用的工具 本算法模板 MATLAB 作为 MathWorks 公司推出的一种以矩阵运算为基本编程单位的高效数值 运算语言，不仅具有强大的运算功能，而且用户还可以利用它的脚本语言编制程序，或 者使用其提供的数学库、图形库进行编程，极大的满足了用户对各种运算的需求。在进 行摄像机标定的过程中要涉及到大量的矩阵运算，还有非线性优化，若是使用一般的编 程语言如 VC++、VB 等则是非常繁琐，而选择 MATLAB 进行实现则可以在很大程度上 降低工作量，提高效率。 所以，本课题拟用 MATLAB 实现一种简便的摄像机标定算法，并给出实验结果。最 后，完成仿真实验和真实图像实验，并且将实验得出的结果与已知的摄像机标定方法得 出的结果进行比较，以测试该标定算法的精确度。
    参考文献： [1] 邱茂林,马颂德,李毅. 计算机视觉中摄像机定标综述[J]自动化学报, 2000,(01) [2] 马颂德,张正友，计算机视觉—理论与算法基础[M]，北京：北京科学出版社,1998 [3] 胡钊政，谈正. 利用二次曲线拟合和圆环点进行摄像机标定[J]. 西安交通大学学报， 2006，10 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）： 系审查意见： 指导教师签字: 年 月 日 系主任签字： 年 月 日 说明： 开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一， 此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及系审查后生效。
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