一种基于平面模板的单应矩阵求解方法

在视觉测量、摄像机标定和三维重建等领域中,单应矩阵的估计都起着至关重要的作用.用平面模板代替传统的传感器进行视觉测量和摄像机标定,由于其成本低,操作快速简单等优点,已经得到了越来越广泛的应用.文中主要讨论了二维成像平面的透视投影模型,给出了一种最大似然估计法获取平面模板与成像平面的单应矩阵的求解过程,并用Levenberg-Marquardt算法对结果进行非线性优化.该方法简单、快速、易实现,在计算机视觉应用中具有一定的理论意义和应用价值.     

基于线对应的单应矩阵估计及其在视觉测量中的应用

单应矩阵估计在视觉测量、摄像机标定、三维重建等领域有重要的应用价值, 但是在具体应用中如何鲁棒、精确地估计单应矩阵仍是一个没有很好解决的问题. 在研究和实际应用中我们发现,直接线性方法在基于线对应的单应矩阵估计中会出现在某些特殊的摄像机姿态下误差较大的情况. 针对这一情况, 我们提出了一种基于线对应的归一化单应矩阵估计方法并将其应用到视觉测量中,即通过简单的归一化操作使测量矩阵元素的大小分布尽量均匀, 从而降低了测量矩阵的条件数, 提高了算法的鲁棒性, 同时又保持了直接线性方法简单、快速、易实现等优点. 模拟实验和真实图像实验均验证了该方法的有效性.     

基于单应矩阵的摄像机标定方法及应用

提出了一种基于单应矩阵的摄像机标定方法,并应用标定结果成功完成了移动机器人的视觉伺服任务。该方法首先根据图像平面和标定板平面之间特征点的对应关系,对单应矩阵进行了估计,进而利用旋转矩阵的单位正交性得到了其对摄像机内参数的约束条件。然后把摄像机内参数矩阵分解为有效焦距与主点位置两部分,并利用最小二乘法分别对其进行求解。针对镜头的径向畸变,恰当地选取了一种畸变模型,并由此得到了一种新的目标函数来对摄像机的所有参数进行非线性优化,从而使获得的畸变系数更适合于从二维图像信号中提取三维位姿信息。最后将标定结果成功应用于移动机器人视觉伺服系统之中,实验结果验证了该标定算法具有简单易用、精度较高等优良性能。     

基于主动视觉摄像机标定方法

基于主动视觉的摄像机标定是摄像机标定的重要分支之一，本文引入了必要的基础知识和概念，诸如摄像机模型和投影矩阵，基础矩阵，单应矩阵，极点，FOE（Focus Of Expansion）等，还对基于摄像机纯旋转的标定，于摄像机三正交平移运动的标定，基于多次摄像机平面正交运动的标定，基于无穷远平面单应矩阵的标定以及于射影重建的标定进行了评述并给出了结论。     

基于单幅平行六面体图的空间测量

基于单幅图像的测量是计算机视觉中一个重要的研究方向。针对平行六面体模板，本文提出了一种新的摄像机标定方法．并实现空间测量。在该方法中，利用平行六面体中的三组相互正交的平行线得到影灭点来完成摄像机的内部参数标定，进一步完成摄像机的外部标定，从而得到单应矩阵，实现了空间任意两点的测量。模拟实验和真实图像实验说明本文的方法是可行的。     

由平行平面的投影确定无穷远平面的单应矩阵

在三维计算机视觉中,无穷远平面的单应矩阵扮演了极其重要的角色,可使众多视觉问题的求解得到简化.主要讨论如何利用平行平面的投影来求解两个视点间的无穷远平面的单应矩阵,用代数方法构造性地证明了下述结论:(1) 如果场景中含有一组平行平面,则可以通过求解一个一元4次方程来确定两个视点间的无穷远平面对应的单应矩阵;(2) 如果场景中含有两组平行平面,则可以线性地确定两个视点间的无穷远平面对应的单应矩阵.并对上述结果给出了相应的几何解释和具体算法.所给出的结果在三维计算机视觉,特别是摄像机自标定中具有一定的理论意义和应用价值.     

一种利用平行结构光的3D重构算法

论文提出了一种简便的采用等间距平行结构光的3D重构算法。算法不需要对摄像机进行标定,只需求解参考平面的像到参考平面的单应矩阵和光平面的像到光平面的单应矩阵,利用所求得的单应矩阵便可以从空间物体在结构光照射下的图像求出物体的3D坐标。实验表明算法计算简单、行之有效。     

平面单应矩阵对摄像机内参数约束的一些性质

空间x-y坐标平面与图像平面之间的单应矩阵可以提供关于摄像机内参数的2个线性约束.文中研究表明:给定一个一般空间平面与图像平面之间的单应矩阵,如果空间平面在世界坐标系的坐标已知,则该单应矩阵同样可以提供关于摄像机内参数的2个线性约束;如果空间平面在世界坐标系的坐标未知,则该单应矩阵不能构成对摄像机内参数的任何约束.另外,仅仅知道某一个场景中的2幅图像间的单应矩阵不能对摄像机内参数构成任何约束.该结果对从事摄像机标定和三维重建的研究人员有一定的参考作用.     

基于单幅图像的摄像机畸变参数估计方法

摄像机畸变参数估计是摄像机标定的重要步骤.针对已有的摄像机畸变估计方法大多数为首先对无畸变下的摄像机参数进行标定,再进一步估计畸变参数,导致畸变参数估计过程复杂的问题.采用单应矩阵直接估计畸变参数,提出一种基于单幅图像的摄像机畸变参数估计算法.首先利用图像主点附近的图像特征点估计空间平面到图像平面的单应矩阵,然后利用该单应矩阵估计图像畸变误差和畸变参数,最后采用非线性优化算法对单应矩阵与畸变参数进行整体优化.模拟数据与实际图像的实验结果验证了本文算法的有效性;由于该算法仅需要1幅图像即可估计畸变参数,因此有效地提高了摄像机标定方法的灵活性.     

结构光系统的自动标定

提出一种基于单应矩阵的摄像机自动标定算法。讨论摄像机焦距为恒定和任意变化两种情况下求解摄像机内参数的计算方法:论证空间平面诱导单应矩阵的性质,利用该性质不但能求出摄像机外参数,还可得到空间平面法向量和单应矩阵方程的比例因子。该算法在求解过程中不需要非线性迭代,可以直接获得解析解,实验表明该算法具有很好的准确性、普遍性。     

一种基于单相机三维重建的简单方法

提出了一种基于单相机三维重建的简单方法.在待重建场景中放置一块平面标定模板,用内参数已知的摄像机拍摄不同角度的二幅图像,利用场景中的标定模板精确地求解出拍摄时摄像机的外参数,并以此为基础进行立体标定、配准和匹配,得到视差图进而实现欧式几何意义下的三维重建.实验结果表明,提出的算法实现简单、配置灵活,具有较强的实用性.     

棋盘格模板角点的自动识别与定位

棋盘格模板角点的识别与定位是摄像机定标过程中的关键环节,而自动识别与定位则是实现定标过程自动化的前提条件。为了实现定标过程自动化,提出了一种有效的方法,即利用棋盘格模板图像内部角点的局部灰度特征和由栅格线构成的结构特征,实现了内部角点的自动识别与定位。实验结果表明,该方法是有效和实用的,其能明显地加快定标速度,缩短定标时间,从而为基于多幅棋盘格模板图像的摄像机定标过程自动化创造了条件。     

Multi-frame estimation of planar motion

Traditional plane alignment techniques are typically performed between pairs of frames. We present a method for extending existing two-frame planar motion estimation techniques into a simultaneous multi-frame estimation, by exploiting multi-frame subspace constraints of planar surfaces. The paper has three main contributions: 1) we show that when the camera calibration does not change, the collection of all parametric image motions of a planar surface in the scene across multiple frames is embedded in a low dimensional linear subspace; 2) we show that the relative image motion of multiple planar surfaces across multiple frames is embedded in a yet lower dimensional linear subspace, even with varying camera calibration; and 3) we show how these multi-frame constraints can be incorporated into simultaneous multi-frame estimation of planar motion, without explicitly recovering any 3D information, or camera calibration. The resulting multi-frame estimation process is more constrained than the individual two-frame estimations, leading to more accurate alignment, even when applied to small image regions.     

一种基于TOF相机与CCD相机的联合标定算法研究

针对基于Time-of-Flight(TOF)相机的彩色目标三维重建需标定CCD相机与TOF相机联合系统的几何参数,在研究现有的基于彩色图像和TOF深度图像标定算法的基础上,提出了一种基于平面棋盘模板的标定方法。拍摄了固定在平面标定模板上的彩色棋盘图案在不同角度下的彩色图像和振幅图像,改进了Harris角点提取,根据棋盘格上角点与虚拟像点的共轭关系,建立了相机标定系统模型,利用Levenberg-Marquardt算法求解,进行了标定实验。获取了TOF与CCD相机内参数,并利用像平面之间的位姿关系估计两相机坐标系的相对姿态,最后进行联合优化,获取了相机之间的旋转矩阵与平移向量。实验结果表明,提出的算法优化了求解过程,提高了标定效率,能够获得较高的精度。     

基于平面格网的非量测CCD相机自标定

传统的相机标定方法通常需要建立复杂3维标定块或高精度3维控制场,在实际应用中受到了一定的限制。本文采用平面控制格网作为标定块,根据相机的理想模型确定内方位元素,利用2维直接线性变换和共线方程分解出相机的外方位元素初值,采用改进的Hough变换算法检测标定图像中的格网直线并利用最小二乘法拟合出最佳直线,通过求直线的交点得到标定格网点的像坐标。最后利用自检校光线束法平差进行相机的精确标定。实际图像数据实验结果表明,主点和焦距的标定精度分别达到了0.2像素和0.3像素左右。可以满足高精度近景3维量测的要求。     

基于一维标定物的多摄像机标定

一维标定物是由三个或三个以上彼此距离已知的共线点构成的. 现有文献指出只有当一维标定物做平面运动或者绕固定点转动时，才能实现摄像机的标定. 本文的研究结果表明，当多个摄像机同时观察作任意刚体运动的一维标定物时，则该摄像机组能被线性地标定. 本文给出一种线性标定算法，并使用最大似然准则对线性算法结果进行精化. 模拟实验和真实图像实验都表明本文的算法是有效可行的.     

基于单个正方形的摄像机自标定算法

提出一种基于带对角线正方形作为平面标定模板的自标定算法机理,只需摄像机作三次运动参数未知的自由运动并摄取正方形模板在不同方位的三幅图像,即可线性求解摄像机的内外参数.实验表明,该算法能够较准确的标定出摄像机内参数,具有较高的鲁棒性.     

Accurate Depth Dependent Lens Distortion Models: An Application to Planar View Scenarios

In order to calibrate cameras in an accurate manner, lens distortion models have to be included in the calibration procedure. Usually, the lens distortion models used in camera calibration depend on radial functions of image pixel coordinates. Such models are well-known, simple and can be estimated using just image information. However, these models do not take into account an important physical constraint of lens distortion phenomena, namely: the amount of lens distortion induced in an image point depends on the scene point depth with respect to the camera projection plane. In this paper we propose a new accurate depth dependent lens distortion model. To validate this approach, we apply the new lens distortion model to camera calibration in planar view scenarios (that is 3D scenarios where the objects of interest lie on a plane). We present promising experimental results on planar pattern images and on sport event scenarios. Nevertheless, although we emphasize the feasibility of the method for planar view scenarios, the proposed model is valid in general and can be used in any scenario where the point depth can be estimated.     

基于单平面模板的摄像机定标研究

提出了一种摄像机定标方法，只需要摄像机从不同方向拍摄平面模板的多幅图像，摄像机与平面模板间可以自由地移动，运动的参数无需已知。对于每个视点获得图像，提取图像上的网格角点；平面模板与图像间的网格角点对应关系，确定了单应性矩阵；对每幅图像，就可确定一个单应性矩阵，这样就能够进行摄像机定标。该算法先有一个线性解法，然后基于极大似然准则对线性结果进行非线性优化求精。该方法同时也考虑了镜头畸变的影响。实验结果表明该算法简单易用。     

基于平面棋盘格标定板的三维空间标定新方法

在总结分析国内外摄像机标定技术研究的基础上,针对体育科研中使用三维立体 框架进行摄像机标定在标定范围、误差、便携性及时效性等方面存在的不足,提出了使用平面 棋盘格标定板进行三维空间标定的新方法。选取了5 m、10 m 和30 m 的拍摄距离,标定参照 物选用传统三维辐射式立体框架和自制二维平面棋盘格标定板,对标准1 m 长度的比例尺进行 三维重建,对两种标定方法进行了精度比较。此外还对标准1 m 板在测量空间的不同位置（测 量画面中间、边缘）进行了误差分布分析。实验结果表明,基于平面棋盘格标定板的摄像机空 间标定方法具有一定的优势,不论从使用方便性还是测量精度方面都克服了三维立体框架在使 用中的不足,理论上能够满足体育科研的需求。