一种相机标定的方法及相机标定设备

技术领域

本发明实施例涉及相机标定技术领域，特别是涉及一种相机标定的方法及相机标定设备。

背景技术

在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定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，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数，这个求解参数的过程就称之为相机标定(或摄像机标定)，无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。

其中，相机参数包括内参，内参包括内参矩阵和畸变矫正矩阵，常用的标定方法为通过相机拍取棋盘格或同心圆标靶的多个位姿，之后解算棋盘格或标靶中角点的世界坐标和像素坐标之间的关系，最后可通过张正友标定方法解算出相机的内参。

但是，本发明的发明人在实现本发明的过程中，发现：标靶摆放的位姿通常需要有经验的人员进行举靶实现，人工举靶不可控因素太多，其中标定精度不可控并且效率较低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种相机标定的方法及设备，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种相机标定的方法，应用于相机标定设备，所述相机标定设备包括底座、支架、标靶和驱动机构，所述底座标记有若干标定区域，所述支架安装于所述底座，所述标靶用于放置于所述标定区域上，所述标靶在各所述标定区域的位姿不相同，所述驱动机构用于安装所述相机，并且驱动相机运动，提供了一种相机标定的方法，该方法包括：获取所述标靶在各标定区域时所述标靶的标定图像对应的世界坐标；按预设顺序，将所述标靶放置依次放置于标定区域，在所述标靶位于标定区域时，控制所述驱动机构移动所述相机至与所述标定区域对应的位置，并且控制所述相机拍摄所述标靶的位姿图像；根据所述标靶在各标定区域的位姿图像，确定所述标靶中标定图案的像素坐标；根据各所述标定图案的像素坐标和世界坐标，计算所述相机的参数矩阵。

在一种可选的方式中，所述方法还包括：

根据所述相机的参数矩阵，生成各所述位姿图像对应的映射图像；

计算各所述位姿图像和对应的映射图像之间的重投影误差值；

根据各所述位姿图像和对应的映射图像之间的重投影误差值，计算平均重投影误差值；

判断所述平均重投影误差值是否小于或者等于预设阈值；

若是，则确定所述相机的参数矩阵标定成功。

在一种可选的方式中，所述方法还包括：

若所述平均重投影误差值大于预设阈值，则根据所述重投影误差值由小到大的顺序，获取预设数量的所述位姿图像；

根据获取到的位姿图像，计算所述相机的二次参数矩阵；

对所述相机的二次参数矩阵进行验证；

若所述相机的二次参数矩阵验证通过，则确定所述相机的二次参数矩阵为最终参数矩阵，并且确定所述相机的参数矩阵标定成功。

在一种可选的方式中，所述方法还包括：

在所述相机拍摄到所述标靶的位姿图像时，对所述位姿图像进行完整性验证；

在所述位姿图像不通过验证时，控制所述相机重新拍摄所述标靶的位姿图像。

在一种可选的方式中，所述对所述位姿图像进行完整性验证的步骤，进一步，包括：

提取所述位姿图像中标靶的角点；

判断角点的位置和数量是否满足预设条件；

若是，则确定所述位姿图像通过验证；

若否，则确定所述位姿图像不通过验证。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种相机标定设备，包括：底座，标记有若干标定区域；

支架，安装于所述底座；

标靶，用于放置于所述标定区域上，所述标靶背离所述底座的一表面上设置有标定图案，其中，所述标靶在各所述标定区域的位姿不相同；

驱动机构，安装于所述底座，所述驱动机构用于安装所述相机，以使所述相机的取景镜头朝向所述标靶，并且所述驱动机构还用于驱动所述相机在三个轴向上运动，以调节所述相机相对于所述标靶的距离，以及，所述相机的取景镜头正对所述标靶的位置；

控制器，包括至少一个处理器以及存储器，所述存储器与所述至少一个处理器通信连接，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述相机标定方法。

在一种可选的方式中，所述驱动机构包括第一滑动轴、第一驱动模块、第二滑动轴、第二驱动模块、第三滑动轴；所述第三滑动轴安装于所述底座，所述第二滑动轴设置于所述第三滑动轴，所述第二驱动模块与所述第二滑动轴连接，所述第二驱动模块用于驱动所述第二滑动轴沿所述第三滑动轴滑动；所述第一滑动轴设置于所述第二滑动轴，所述第一驱动模块与所述第一滑动轴连接，所述第一驱动模块用于驱动所述第一滑动轴沿所述第二滑动轴滑动，所述第一滑动轴用于安装所述相机，并且所述第一滑动轴具有可伸缩性能。

在一种可选的方式中，所述相机标定设备包括补光灯，所述补光灯安装于支架，所述补光灯位于所述标靶的上方，所述补光灯用于给标靶补光；所述补光灯与所述控制器连接。

在一种可选的方式中，所述标靶涂布有漫反射反光材料。

在一种可选的方式中，所述相机标定设备还包括屏蔽罩，所述屏蔽罩套设支架，所述屏蔽罩和底座共同围成封闭空间，所述封闭空间用于收容支架、标靶和相机。

在一种可选的方式中，所述相机标定设备还包括移动机构；所述移动机构分别与所述标靶和控制器连接，所述移动机构用于驱动所述标靶在各所述标定区域上移动。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例，首先获取所述标靶在各标定区域时所述标靶的标定图像对应的世界坐标，之后按预设顺序，将标靶放置依次放置于标定区域，在标靶位于标定区域时，控制相机标定设备的驱动机构移动相机至与标定区域对应的位置，并且控制相机拍摄标靶的位姿图，然后根据标靶在各标定区域的位姿图像，确定标靶中标定图案的像素坐标，最后根据各所述标定图案的像素坐标和世界坐标，计算所述相机的参数矩阵，通过使用这种相机标定方法，标靶设置于固定区域，相比于人工举靶的方式，标靶的位姿更准确，大大提高了计算相机的参数矩阵的准确性，用户只需控制相机获取标靶的位姿图像得到标定图案的像素坐标，之后通过各标定区域的位姿图案的像素坐标和世界坐标建立运算关系就可实现对相机进行标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明相机标定设备的整体结构部分爆炸示意图；

图2是本发明相机标定设备的内部控制模块图；

图3是本发明相机标定方法一实施例的流程图；

图4是本发明相机标定设备的标定区域设计图；

图5是本发明相机标定方法另一实施例的流程图；

图6是本发明相机标定方法步骤S150的具体步骤图。

附图标记：10、底座；20、驱动机构；201、第一滑动轴；202、第二滑动轴；203、第三滑动轴；30、移动机构；40、支架；50、标靶；60、补光灯；70、屏蔽罩；80、控制器；801、处理器；802、存储器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1和图2，相机标定设备01包括：底座10、驱动机构20、移动机构30(图未示)、支架40、标靶50、补光灯60、屏蔽罩70以及控制器80(图未示)。驱动机构20、支架40以及标靶50均安装于底座10上，补光灯60安装于支架40，并与控制器80连接，移动机构30分别与标靶50和控制器80连接，屏蔽罩70套设支架40上，并与底座10共同围成封闭空间。

具体的，对于上述底座10、支架40以及标靶50，如图1所示，支架40安装于底座10，底座10标记有若干标定区域，用于放置标靶50，标靶50背离底座10的一表面上设置有标定图案，其中，标靶50在各标定区域的位姿不相同。

值得说明的是：标定区域的形状和大小，与，标靶50的形状和大小相同，使得标靶50可以刚刚好放置于标定区域中。当然，为了使得标靶50准确无误地放置于标定区域，还可以在每一个标定区域和标靶50上设置定位结构，例如：标定区域上设置定位孔，标靶50上设置定位销，定位销用于插接于定位孔。此外，不相同的标定区域，其姿态是不一样的，因此，标靶50放置于不同的标定区域时，标靶50的位姿也是不相同的。

在一些实施例中，标靶50涂布有漫反射反光材料，方便相机获取清晰的标靶50图案。

对于上述驱动机构20，如图1所示，驱动机构20安装于底座10上，驱动机构20用于安装相机，以使相机的取景镜头朝向标靶50，并且驱动机构20还用于驱动相机在三个轴向上运动，以调节相机相对于标靶50的距离，以及，相机的取景镜头正对标靶50的位置。

进一步的，驱动机构20包括：第一滑动轴201、第一驱动模块(图未示)、第二滑动轴202、第二驱动模块(图未示)、第三滑动轴203。第三滑动轴203安装于底座10，第二滑动轴202设置于第三滑动轴203，第二驱动模块与第二滑动轴202连接，第二驱动模块用于驱动第二滑动轴202沿第三滑动轴203滑动，此外，第一滑动轴201设置于第二滑动轴202，第一驱动模块与第一滑动轴201连接，第一驱动模块用于驱动第一滑动轴201沿第二滑动轴202滑动，第一滑动轴201用于安装所述相机，并且第一滑动轴201具有可伸缩性能，这样设置，可使得相机在三个轴向上运动。

对于上述补光灯60，如图1所示，补光灯60安装于支架40，补光灯60位于标靶50的上方，补光灯60用于给标靶50补光，补光灯60与控制器80连接，当控制器80判断需要给标靶50补光时，控制器80打开补光灯60，当不需要补光时，控制器80关闭补光灯60。

对于上述移动机构30，移动机构30分别与标靶50和控制器80连接，移动机构30用于驱动标靶50在各标定区域上移动。在一些实施例中，移动机构30可以为机械手，机械手安装于支架上，当需要移动标靶50时，控制器机械手抓取并且移动标靶50，当不需要移动标靶50时，控制机械手收缩，不影响相机的拍摄。

可以理解的是：在一些实施例中，也可以不设置移动机构30，当需要移动标靶50时，通过用户手动移动标靶50。

对于上述屏蔽罩70，如图1所示，屏蔽罩70套设支架40，屏蔽罩70和底座10共同围成封闭空间，封闭空间用于收容支架40、标靶50和相机，屏蔽罩70还可屏蔽环境光，避免环境光对相机标定的影响。

可以理解的是，屏蔽罩70不限于上述结构，也可以为其他结构，只要屏蔽罩70满足可与底座10形成封闭空间以及可屏蔽环境光即可。

对于上述控制器80，控制器80分别与驱动机构、补光灯、移动机构连接。当需要标定相机时，将相机的安装于驱动机构，将标靶50放置于标定区域中，控制器80控制驱动机构驱动相机移动到标定区域对应的位置，然后控制相机对标定区域上标靶50进行拍照，得到标靶50的位姿图像。拍照完成之后，将标靶50移动到下一个标定区域，再控制驱动机构驱动相机移动到下一标定区域对应的位置，再控制相机进行拍照，如此类推，直到标靶50放置到所有标定区域，并且控制相机进行拍照。然后根据位姿图像，计算相机的参数矩阵。

需要说明的是：在一些实施例中，标定区域可以预先设置编号，根据编号的顺序移动标靶50，直至标靶50位于标定区域。

具体的，控制器80包括至少一个处理器801(图未示)以及存储器802(图未示)，存储器802与至少一个处理器801通信连接，存储器802存储有可被至少一个处理器801执行的指令，所述指令被至少一个处理器801执行，以使至少一个处理器801能够执行下述的相机标定方法。

其中，处理器801和存储器802可以通过总线或者其他方式连接，存储器802作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的相机标定方法对应的程序指令/模块。处理器801通过运行存储在存储器802中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行相机标定方法的装置的各种功能应用以及数据处理，即实现下述方法实施例的相机标定方法。

存储器802可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据相机标定方法的装置的使用所创建的数据等。此外，存储器802可以包括高速随机存取存储器802，还可以包括非易失性存储器802，例如至少一个磁盘存储器802件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器802件。在一些实施例中，存储器802可选包括相对于处理器801远程设置的存储器802，这些远程存储器802可以通过网络连接至相机标定方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器802中，当被所述一个或者多个处理器801执行时，执行下述任意方法实施例中的相机标定方法，例如，执行以下描述的图3中的方法步骤S110至步骤S140，图5中的方法步骤S110至步骤S270以及图6中的方法步骤S1501至步骤S1504。

本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被电子设备执行下述任意方法实施例中的相机标定方法，例如，执行以下描述的图3和图5中的方法步骤，实现图2中的模块的功能。

本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行下述任意方法实施例中的相机标定方法，例如，执行以上描述的图3和图5中的方法步骤，实现图2中的模块的功能。

在本发明实施例中，通过在相机标定设备的底座上设置标定区域，再按预设顺序，将所述标靶50放置依次放置于标定区域，然后控制相机拍摄标靶50的位姿图像，再根据位姿图像计算相机的参数矩阵，通过设置标定区域，再通过将标靶50放置于标定区域实现标靶50的位姿的调整，相比于人工举标来调整的标靶50的位姿的方式，本申请中标靶50的位姿更准确，大大提高了计算相机的参数矩阵的准确性。

图3示出了根据本发明一个实施例的相机标定方法的流程图。如图3所述，该方法包括以下步骤：

步骤S110，获取所述标靶50在各标定区域时所述标靶50的标定图案对应的世界坐标；

标定区域指的是用于安放以及固定标靶50的区域，标定区域是预先设置好的，并且在相机的视野覆盖范围内，方便相机拍取标定区域内的标靶图像。标靶50带有标定图案，标定图案可以是棋盘格类型或同心圆类型或其他可用于标定的图案。而当标靶50位于标定区域时，标靶50上的标定图案的世界坐标也是预先确定好的。

在一些实施例中，每一个标定区域的形状与标靶50的形状是匹配的，并且每一标定区域的姿态是不相同的，使得当标靶50放置于不同的标定区域时，标靶50的姿态是不相同的。

步骤S120，按预设顺序，将所述标靶50放置依次放置于标定区域，在所述标靶50位于标定区域时，控制所述驱动机构20移动所述相机至与所述标定区域对应的位置，并且控制所述相机拍摄所述标靶50的位姿图像；

预设顺序是指预先设定好的放置标靶50的顺序，例如：如图4所示，分别对标定区域进行编号，再按编号由小到大的顺序放置标靶50。

每一个标定区域也预先设置好相机对应的位置，当需要拍摄该标定区域上的标靶50的位姿图像时，则需要将相机移动至与该标定区域对应的位置，例如：将标定区域中心的正上方作为相机的位置，当需要拍摄该标定区域中的标靶50时，则需要相机移动至该标定区域中心的正上方，使得相机可以垂直拍摄标靶50的位姿图像，又或者，将标定区域中心的正上方偏右的位置作为相机的位置，当需要拍摄该标定区域中的标靶50时，则需要相机移动至该标定区域中心的正上方偏右的位置，使得相机可以斜拍标靶50的位姿图像。

可以理解的是：对于每一标定区域对应的相机的位置不作限定，以相机可以拍摄对应的标定区域内的标靶50的完整的位姿图像为准。

步骤S130，根据所述标靶50在各标定区域的位姿图像，确定所述标靶50中标定图案的像素坐标；

图像都是由像素组成的，像素坐标指的是像素在图像中的位置，相机获取标靶50上的标定图案的图像，确定标定图案的像素坐标。

步骤S140，根据各所述标定图案的像素坐标和世界坐标，计算所述相机的参数矩阵。

相机的参数矩阵包括内参矩阵和畸变矫正矩阵，在确定了标定图案的像素坐标和世界坐标之后，可通过张正友标定方法或Tsa i的经典两步法等标定方法解算出相机的内参，即可实现对相机的标定。

在本发明实施例中，在相机标定设备的底座10上设置标定区域，再按预设顺序，将所述标靶50放置依次放置于标定区域，在所述标靶50位于标定区域时，控制所述驱动机构20移动所述相机至与所述标定区域对应的位置，并且控制所述相机拍摄所述标靶50的位姿图像，再根据标靶50的位姿图像中标定图案的像素坐标和世界坐标，计算所述相机的参数矩阵，相比于，通过人工手持标靶50来计算相机的参数矩阵的方式，本发明通过设置标定区域，再通过将标靶50放置于标定区域实现标靶50的位姿的调整，标靶50的位姿更准确，大大提高了计算相机的参数矩阵的准确性。

请参阅图5,图5是本发明提供相机标定的方法第二实施例的流程图，相机标定的方法第二实施例与其它实施例不同之处在于：所述方法还包括：

步骤S150：在所述相机拍摄到所述标靶50的位姿图像时，对所述位姿图像进行完整性验证，在所述位姿图像不通过验证时，进入步骤S160,在所述位姿图像通过验证时,进入步骤S130；

步骤S160：控制所述相机重新拍摄所述标靶50的位姿图像,并且返回步骤S150；

对获取的标靶50的位姿图像进行完整性验证指的是指：验证位姿图像中标靶50是否完整，只有位姿图像中标靶50完整才允许使用来计算相机的参数矩阵，避免当使用不完整的位姿图像计算相机的参数矩阵时所造成的计算误差。

在一些实施例中，如图6所示，对所述位姿图像进行完整性验证的步骤，包括：

步骤S1501：提取所述位姿图像中标靶50的角点；

步骤S1502：判断角点的位置和数量是否满足预设条件；

步骤S1503：若是，则确定所述位姿图像通过验证；

步骤S1504：若否，则确定所述位姿图像不通过验证。

角点的位置和数量以其连线的范围可以覆盖标靶50为准，例如，当标靶50为方形时，角点为标靶50的四个角落点，当标靶50为圆形时，则选择圆周上四个均匀分布的4个点为角点。

可以理解的是：在另一些实施例中，也可以采用其它方式对位姿图像进行完整性验证，例如：通过识别位姿图案中的标靶50，再将识别得到的标靶50与预设标靶50进行匹配，若匹配，则确定该位姿图像是完整的。

在本发明实施例中，在对获取位姿图像之后，先对位姿图像进行完整性验证，当位姿图像中标靶50完整才允许使用来计算相机的参数矩阵，从而避免当使用不完整的位姿图像计算相机的参数矩阵时所造成的计算误差。

请参阅图5,图5是本发明相机标定方法第二实施例的流程图，本实施例与其它实施例不同之处在于，方法还包括：

步骤S180：根据所述相机的参数矩阵，生成各所述位姿图像对应的映射图像；

步骤S190：计算各所述位姿图像和对应的映射图像之间的重投影误差值；

重投影误差值用于反映位姿图像和映射图像之间重合度，重投影误差值越小，位姿图像和映射图像越重合，则参数矩阵就越准确，反之，若重投影误差值越大，位姿图像和映射图像越分离，则参数矩阵就越不准确。

步骤S200：根据各所述位姿图像和对应的映射图像之间的重投影误差值，计算平均重投影误差值；

步骤S210：判断所述平均重投影误差值是否小于或者等于预设阈值，若是，则进入步骤S220，否则，进入步骤S230:

步骤S220：确定所述相机的参数矩阵标定成功。

预设阈值的具体数值不作限定，可以根据实际情况设定。

步骤S230：根据所述重投影误差值由小到大的顺序，获取预设数量的所述位姿图像；

预设数量不作限定，可以根据实际情况设定。例如可以是标靶50数量的1/2倍或1/3倍。

步骤S240：根据获取到的位姿图像，计算所述相机的二次参数矩阵；

步骤S250：对所述相机的二次参数矩阵进行验证；

步骤S270：若所述相机的二次参数矩阵验证通过，则确定所述相机的二次参数矩阵为最终参数矩阵，并且确定所述相机的参数矩阵标定成功。

当根据全部的位姿图像计算得到的平均重投影误差值不达标(即大于预设阈值)，则再次获取重投影误差值比较小的位姿图像重新计算新的平均重投影误差值，有利于提高计算得到的参数矩阵的准确性。例如，当根据全部位姿图像计算得到的平均重投影误差值较大时，将获取标靶50的位姿图像根据重投影误差值按照由小到大的顺序进行排序，取其中7份重投影误差值较小的位姿图像，并针对7份标靶50位姿图像进行二次参数矩阵计算，若二次参数矩阵计算结果验证通过，则确定二次参数矩阵为最终的参数矩阵，并确定相机标定成功。

在本发明实施例中，根据获取的位姿图像的平均重投影误差与预设阈值进行大小比较，若平均重投影误差值小于或等于预设阈值，则相机的参数标定成功，若平均重投影误差值大于预设阈值，则将位姿图像根据重投影误差值大小按照由小到大的顺序排序，之后获取预设数量的位姿图像，针对获取到的位姿图像，计算相机的二次参数矩阵，并对相机的二次参数矩阵进行验证，若验证通过，则确定相机的二次参数矩阵为最终参数矩阵，确定相机的参数矩阵标定成功。通过这样设置，可提高相机的标定精度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。