相機標(biāo)定實用方案

相機標(biāo)定就是確定相機內(nèi)參和外參的過程，其結(jié)果精度會直接影響視覺系統(tǒng)后續(xù)工作的準(zhǔn)確性。

一．OPENCV方法

在opencv中提供了一組函數(shù)用于實現(xiàn)相機的標(biāo)定，標(biāo)定返回的值包括：相機內(nèi)參矩陣(fx
fy xc yc)、相機外參矩陣(R t)以及畸變矩陣。

標(biāo)定的步驟如下：

1. 準(zhǔn)備棋盤格，棋盤格圖片可以自行打印，以下使用107方格的棋盤格，交點則為96,棋盤格的大小1mm,即 gridsize=1

2. 拍照，拍照的原則是多角度，根據(jù)理論至少要兩種角度的拍照，實際中通常會拍20張左右；

3. 使用opencv提供的角點檢測函數(shù)findChessboardCorners找到棋盤格中的角點，并將每幅圖片的角點值存放到list中，同時將棋盤格的角點的三維坐標(biāo)存放到另一個list。

4. 使用calibrateCamera函數(shù)獲取內(nèi)存矩陣、畸變矩陣、旋轉(zhuǎn)矩陣以及轉(zhuǎn)移矩陣。

5.使用undistort函數(shù)將畸變的圖像進行校正并查看校正后的圖片效果。

下面我們用另外的方法，詳細介紹流程。

二．坐標(biāo)系

相機標(biāo)定涉及到了四大坐標(biāo)系，分別為：

像素坐標(biāo)系

圖像物理坐標(biāo)系

相機坐標(biāo)系

世界坐標(biāo)系

為了進行相機標(biāo)定，必須已知世界坐標(biāo)系中足夠多的三維空間點坐標(biāo)，找到這些空間點在圖像中投影點的二維圖像坐標(biāo)，并建立對應(yīng)關(guān)系。世界坐標(biāo)系中某個給定點投影到圖像坐標(biāo)系中被分為兩個步驟：

機器視覺中常用的有兩種不同類型的鏡頭：普通鏡頭和遠心鏡頭。使用普通鏡頭時，世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系為透視投影；使用遠心鏡頭時為平行投影。

三．相機標(biāo)定方法分類

相機標(biāo)定方法有：傳統(tǒng)相機標(biāo)定法、主動視覺相機標(biāo)定法、相機自標(biāo)定法。

1. Tsai兩步法是先線性求得相機參數(shù)，之后考慮畸變因素，得到初始的參數(shù)值，通過非線性優(yōu)化得到最終的相機參數(shù)。Tsai兩步法速度較快，但僅考慮徑向畸變，當(dāng)相機畸變嚴(yán)重時，該方法不適用。

2. 張氏標(biāo)定法使用二維方格組成的標(biāo)定板進行標(biāo)定，采集標(biāo)定板不同位姿圖片，提取圖片中角點像素坐標(biāo)，通過單應(yīng)矩陣計算出相機的內(nèi)外參數(shù)初始值，利用非線性最小二乘法估計畸變系數(shù)，最后使用極大似然估計法優(yōu)化參數(shù)。該方法操作簡單，而且精度較高，可以滿足大部分場合。詳細原理見《從零開始學(xué)習(xí)「張氏相機標(biāo)定法」（一）成像幾何模型》。

3. 基于主動視覺的相機標(biāo)定法是通過主動系統(tǒng)控制相機做特定運動，利用控制平臺控制相機發(fā)生特定的移動拍攝多組圖像，依據(jù)圖像信息和已知位移變化來求解相機內(nèi)外參數(shù)。這種標(biāo)定方法需要配備精準(zhǔn)的控制平臺，因此成本較高。

4. 分層逐步標(biāo)定法是先對圖像的序列做射影重建，在重建的基礎(chǔ)上進行放射標(biāo)定和歐式標(biāo)定，通過非線性優(yōu)化算法求得相機內(nèi)外參數(shù)。由于初始參數(shù)是模糊值，優(yōu)化算法收斂性不確定。

5. 基于Kruppa的自標(biāo)定法是通過二次曲線建立關(guān)于相機內(nèi)參矩陣的約束方程，至少使用3對圖像來標(biāo)定相機。圖像序列長度會影響標(biāo)定算法的穩(wěn)定性，無法保證射影空間中的無窮遠平面。

四．MATLAB相機標(biāo)定應(yīng)用程序

MATLAB自帶相機標(biāo)定應(yīng)用程序，有camera calibrator和stereo camera calibrator兩類相機標(biāo)定應(yīng)用程序。其操作簡單、直觀，能夠獲得相機的內(nèi)、外參數(shù)以及畸變參數(shù)等。

其中，camera calibrator用于單目相機標(biāo)定；stereo camera calibrator用于雙目相機標(biāo)定。兩者操作方式相同，唯一區(qū)別在于stereo camera calibrator添加圖片時會彈出添加兩個相機圖片的操作框。

五．標(biāo)定板準(zhǔn)備（實驗室經(jīng)費有限，只能自己制作）

平面標(biāo)定板具有以下幾個優(yōu)點：

1. 易于操作；

2. 尺寸可以制作的非常精確；

3. 非常方便應(yīng)用在背光照明應(yīng)用中，只需要使用透明材料制作放置標(biāo)志點的底盤即可。

使用MATLAB編程進行棋盤標(biāo)定板的制作，將圖片打印后固定在一塊平板上。程序如下：

J = (checkerboard(300,3,4)>0.5); %生成黑白棋盤圖像

figure, imshow(J) %顯示黑白棋盤圖像

imwrite(J,‘plate.jpg’);%保存黑白棋盤圖像

效果如圖：（感覺有點寒酸呀，“但這不重要”，沒條件自己創(chuàng)造）

六．Camera Calibrator應(yīng)用程序

camera
calibrator操作界面如下：

對于標(biāo)定圖像數(shù)量，位姿越多，標(biāo)定結(jié)果也會越精確，建議在10到20幅之間。按照上圖中的1、2、3進行相機標(biāo)定操作。我們可以選擇徑向畸變系數(shù)以及是否計算切向畸變和傾斜，通過優(yōu)化選項可以設(shè)置內(nèi)參矩陣以及徑向畸變參數(shù)的輸出形式。

1.添加標(biāo)定圖像后顯示界面如下圖：

2.相機標(biāo)定后顯示界面會顯示相機與標(biāo)定板之間的位置關(guān)系。

3.相機參數(shù)輸出camera calibrator應(yīng)用程序相機標(biāo)定參數(shù)輸出如圖所示：

高亮：MATLAB相機標(biāo)定結(jié)果中的內(nèi)參矩陣默認格式為，其中，、分別為u軸和v軸的有效焦距;’ 為u軸和v軸的不垂直因子，一般令s=0;(u0，v0)是光學(xué)中心。注意事項：

1. 制作棋盤格標(biāo)定板時，黑色方格與白色方格尺寸需要相同，所有方格尺寸一致；

2. 采集標(biāo)定板圖像時，應(yīng)采集多幅不同位姿的標(biāo)定板圖像，采集圖像數(shù)量不應(yīng)太少，建議10~20幅為宜；

3. 采集圖像時，相機的焦距不能調(diào)節(jié)，否則會改變相機的內(nèi)參數(shù)，導(dǎo)致標(biāo)定失敗；

4. MATLAB相機標(biāo)定程序能夠自動計算重投影誤差，重投影誤差越小表示相機標(biāo)定的精度越高。

七．相機標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確度

相機標(biāo)定過程中如果標(biāo)定板放置不適當(dāng)?shù)脑拰?dǎo)致相機參數(shù)中某個參數(shù)或某些參數(shù)不能得到唯一值。為了得到高準(zhǔn)確度的相機參數(shù)必須避免這種情況的發(fā)生。除了這個影響外，影響相機參數(shù)準(zhǔn)確度的主要因素就是用于進行相機標(biāo)定的圖像數(shù)量。下面顯示了用于相機標(biāo)定的圖像數(shù)量對參數(shù)的影響。

從圖中可以看出相機參數(shù)的準(zhǔn)確度隨使用圖像數(shù)量的增加而明顯增加。為什么使用相當(dāng)多的標(biāo)定圖像可以提高相機標(biāo)定精度？這主要是因為相機參數(shù)之間存在不容忽視的相關(guān)性，這些參數(shù)只能通過多次無關(guān)測量進行求解。為了得到更準(zhǔn)確的相機參數(shù)，我們需要這樣做：

1. 標(biāo)定板在圖像中最好能夠覆蓋整個視野（覆蓋圖像的每個角落可以使得徑向畸變系數(shù)更準(zhǔn)確）；

2. 標(biāo)定板覆蓋較大的深度范圍（將標(biāo)定板繞它的x軸和y軸旋轉(zhuǎn)或者放置在不同距離的位置上）。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的相机标定实用方案的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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