三目攝像機標定技術研究
科學研究
作者：周超輝
摘 要：攝像機標定作為計算機視覺及視覺檢測領域的重要技術，對視覺測量的準確程度起到了關鍵作用。標定結果優劣嚴重影響著測量的精度與三維重建的結果，故該技術已經成為攝影檢測和視覺測量領域的研究熱點，對攝像機標定方法的討論也具有重要的理論和應用價值。本文主要研究三目攝像機出係統外部參數標定方法，在保證精度的前提下完成較為簡單快速的標定。
關鍵詞：三目攝像機；標定；立體視覺；外部參數
一、緒論
1.1研究的背景及意義
計算機視覺是當今極為重要的學科之一，它在具有很強的挑戰性的同時又擁有廣泛的應用前景和實用價值。計算機視覺以視覺理論為中心，以圖像處理、模式識別、計算機技術和生理學、心理學為基礎，研究內容主要有兩個方麵：一是開發從輸入圖像數據自動構造場景描述的圖像處理係統；二是理解人類視覺機理，用機器代替人去做人類難以達到或根本無法達到的工作[1]。
計算機視覺應用的廣泛性體現在其不僅用於文字、指紋、麵部、商標以及圖像數據庫、檢測集成電路芯片、多媒體技術這些圖像方麵，還應用到機器人導航、工業檢測和產品的自動裝配、CT圖像器官重建和遙感照片解釋等空間物體的定位、識別以及重建上。現如今，計算機視覺已經應用到機器人、地理、醫學、物理、化學、天文等各大的研究領域。
作為多個學科交叉與融合中心的計算機視覺，攝像機是其研究的重要工具，而攝像機標定又是計算機視覺研究的一個關鍵問題，故攝像機的標定越來越受到廣泛的重視。攝像機標定是通過物體空間上的點與圖像中的對應點的幾何關係，來確定攝像機的內外參數的過程。標定結果是否準確影響著三維測量的精度和三維重建的結果，而且實時的標定更能滿足自動導航機器視覺的需要[2]。
伴隨著應用的發展，攝像機廣泛地被應用於三維立體的測量、視覺檢測、運動檢測等領域。由此，對攝像機標定的精度要求也日益增加。攝像機標定結果的優劣影響了計算機視覺在各領域的應用。攝像機標定的準確與否，對能否提高計算機視覺在各領域測量的準確度有重要影響[3]。因此，研究攝像機標定方法具有重要的理論研究意義和實際應用價值。
1.2攝像機標定技術研究的發展及現狀
攝像機有一個圖像平麵和提供三維空間到圖像平麵轉換的鏡頭。由於鏡頭會產生畸變，不能把這個轉化過程簡單描述為投射變換。所以它表示的是畸變的模型，這些模型近似於真實數據，而其精確性則依靠於建立的模型及模型參數的準確性。
首先進行攝像機標定工作的是加拿大的Deville，他於1910年建立實驗室，使用多個瞄準儀對他的“測量攝像機”（surveying camera）進行標定[4]。上個世紀三十年代後期，美國標準局發明了一種精確鏡頭，用來檢測攝像機，同時將它用在攝像機標定上。四十年代後期，該項工作得到進一步加深，有了更多對高精度的需求和對易操作設備的需求。1955年，Carman出版了 《棋盤平麵度的幹涉測量和控製》，該書引起了社會各界對攝像機標定的關注。二戰時期，隨著飛機的大規模使用，航空攝影與製圖興起，為得到更加精確的測量結果，對攝像機鏡頭的校正要求也變得更高。五十到七十年代也是鏡頭校正技術發展最為迅速的時間段。在這期間，各種鏡頭像差的表達式逐步被提出並且得到普遍認同與采用，建立了很多的鏡頭像差的模型，D.C.Brown等人作出了比較大的貢獻，他們導出了近焦距情況下給定位置處徑向畸變表達式並證明了近焦距情況下測量出鏡頭兩個位置的徑向畸變就可以求出任何位置的徑向畸變[5]。這些徑向與切向像差表達式成為後來各攝像機的標定非線性模型的基礎。這段時間裏，研究的重點是如何校正鏡頭與用何種方法補償鏡頭像差，這些研究對促進各性能鏡頭組的研製起到了重要作用。在1999年，張正友提出了一種簡便的攝像機標定方法，該方法介於傳統標定和自標定之間，操作方便靈活，能夠得到不錯的精度，滿足了眾多擁有桌麵視覺係統的用戶在攝像機標定方麵的需求。
1.3本文的主要研究內容
本文的主要研究多個攝像機的標定問題。標定主要是對攝像機內外參的測量計算，利用這些參數對多個攝像機識別的物體尺寸進行衡量並建立起多攝像機係統的數字環境。
論文的內容包括：
第一章為緒論，介紹攝像機標定相關的研究背景、國內外研究現狀。
第二章為攝像機標定理論基礎：主要介紹標定的坐標係與待標定的參數。
第三章提出本文的多攝像機標定方法與實驗過程。
第四章進行全文的總結。