基于雙目攝像機的目標標定及校正方法研究

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1、基于雙目攝像機的目標標定及校正方法研究摘要：本文采用的是平行雙目立體視覺機，主要目的是從攝像機獲取的立體圖像出發(fā)，根據(jù)兩個攝像機之間的相對位置關(guān)系得到場景中物體的深度信息，以便實現(xiàn)運動人體的檢測與識別。關(guān)鍵詞：幾何模型；攝像機標定；圖像對校正0引言本文介紹了攝像機成像的幾何模型，其中包括了平行雙目立體攝像機的幾何成像模型；然后利用張氏平面標定方法來對目標進行標定，從而獲取攝像機的內(nèi)、外部參數(shù)；最后依據(jù)極線校正原理對采集到的立體圖像進行極線校正，使校正后的立體圖像對應極線處于同一水平掃描線上。1攝像機成像幾何模型在物體的三維場景中通過攝像機成像透鏡投影得到物體二維平面上的信息，其

2、投影可用成像變換來描述，即攝像機成像幾何模型。成像幾何模型決定了圖像上每個點的位置與空間中景物表面點的對應關(guān)系。下面主要介紹機器視覺中常用的坐標系、攝像機的線性、非線性模型及平行雙目立體模型。1.1坐標系建立在研究攝像機成像幾何模型時，通常需先建立三個主要坐標系：圖像坐標系、攝像機坐標系和世界坐標系［1］。像坐標系：攝像機采集得到的圖像經(jīng)高速圖像采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像后以標準電視信號的形式輸送到計算機中并存為MXN數(shù)字矩陣，其中矩陣的元素與圖像的像素相對應。在灰度圖像中，矩陣元素數(shù)值的不同代表了像素亮度的不同；若為彩色圖像則像素的亮度由紅、綠、藍三種顏色的亮度共同表示。世界坐標

3、系：由于攝像機可以放置在場景中的任意位置并且可以任意移動，因此需要在場景中指定一個世界坐標系來描述攝像機成像平面與世界坐標系中目標物體的位置關(guān)系：其中攝像機坐標系與世界坐標系之間的關(guān)系可以用3X3旋轉(zhuǎn)矩陣和三維平移向量來描述。1.2線性攝像機成像幾何模型線性攝像機成像幾何模型又稱針孔成像幾何模型或中心透視成像幾何模型。可以用針孔成像幾何模型近似表示場景中物點在圖像中的投影位置，即物點在圖像中的投影為光心與點的連線與圖像平面的交點。1.3非線性攝像機成像幾何模型由于攝像機鏡頭制作、工藝及安裝等方面的客觀誤差，投影關(guān)系并不能嚴格遵守針孔成像幾何模型關(guān)系，而場景中物體在成像過程中會發(fā)

4、生徑向畸變、離心畸變和薄透鏡畸變[2]。1）徑向畸變主要是由透鏡曲面上的瑕疵造成的，導致像點相對理想位置發(fā)生向內(nèi)或向外的偏移，但關(guān)于光軸是軸對稱的［3］。2）離心畸變主要是因為攝像機鏡頭是由多個透鏡組成的，各個透鏡的光軸都可能會發(fā)生相對中心線的徑向或切向偏離［4］。3）薄透鏡畸變是由于透鏡或成像平面的微小傾斜、不平整等原因，導致圖像點在徑向和切向上發(fā)生位移。這種畸變相當于在攝像機鏡頭前安裝了一個薄透鏡，所以稱之為薄透鏡畸變。1.4平行雙目立體攝像機成像幾何模型平行雙目立體攝像機是最簡單的雙目攝像機。它由兩個完全相同的攝像機構(gòu)成，兩個攝像機的圖像平面共面，且坐標軸、光軸都相互平行

5、?；€距離B是兩個攝像機的光心在x軸上的距離。場景中同一物點P在兩個攝像機圖像平面上的投影位置是不同的，這兩個位置不同的投影點稱為共軛點對。共軛點對中一個投影點是另一個投影點的立體匹配點。當兩個圖像平面重合時共軛點對之間的間距稱為視差。通過兩個攝像機中心和場景中物點的平面稱為外極平面；外極平面與圖像平面的交線稱為外極線（或稱極線）；同一圖像平面上的所有外極線交于一點，該點稱為外極點［4］。場景中物點P在兩個攝像機圖像平面上獲得的投影點坐標分別為P1(XI，Yl),Pr(Xr,Yr)。在平行雙目立體攝像機中左右攝像機的圖像在同一個平面上，則Yl=Yr。假定左攝像機透鏡中心為世界坐

6、標系原點，由三角幾何比例關(guān)系可得物點P的世界坐標可見，由共軛點對P1和Pr的坐標可以求出場景中物點P的三維世界坐標。z值即為物點P的深度。分析表明，基線長度越長，物點P的三維世界坐標的計算越準確。但是基線長度不能太長，否則由于物體間的遮擋可能使得場景中物點P不能被左右攝像機同時觀察到。2張氏平面標定方法張氏平面標定方法是微軟研究院的張正友博士提出的一種基于二維模板平面的攝像機標定方法。該方法相對于傳統(tǒng)方法來說對設備要求不高且操作簡單，相對于自標定方法又有較高的精度。攝像機只需在不同角度拍攝同一平面的特征點，攝像機和平面可以較靈活的自由移動，適用于各種場合。由于攝像機有4個內(nèi)部參

7、數(shù)和6個外部參數(shù)，因此對于N對圖像需要解出4+6N個未知變量，因此只需要滿足2Nx>4+6N,其中x代表每幅圖像的特征點個數(shù)，得出只需要x>5,N〉1就可以滿足要求。3圖像校正由于采用的是平行雙目立體攝像機配置，在理想情況下左右攝像機采集的圖像對的圖像平面應該在同一水平面。像對的極線也應該沿著水平方向，并且空間同一點投影到左右兩個攝像機的圖像平面上形成的對應點對所在的極線也應該在同一水平掃面線上。但由于光照變化、噪聲、畸變、遮擋等因素的影響，對應點對所在的極線可能會存在垂直視差。消除垂直視差