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1、双目视觉系统的定位标定主讲人： 班 级：指导老师：2011年毕业设计答辩contents软件界面设计 4课题介绍及任务说明1图像中角点的提取2摄像机的标定3总 结5课题介绍双目视觉系统的标定图像角点的提取标定算法的研究角点提取角点提取基于基于边缘边缘边缘边缘 的角点提取的角点提取 基于二基于二值图值图值图值图 像的角点提取像的角点提取 基于图像灰度的角点提取基于图像灰度的角点提取标标标标定算法研定算法研 究究19661966年年B.HallertB.Hallert首先考虑畸变，引首先考虑畸变，引 入最小二乘法，对结果进行优化。入最小二乘法，对结果进行优化。19751975年年W.FigW.Fi
2、g建立复杂的成像建立复杂的成像 模型，并用非线性优化求解。模型，并用非线性优化求解。19861986年，年，R.Y.TsaiR.Y.Tsai建立经典的建立经典的TsaiTsai摄摄 像机模型，提出两部标定法像机模型，提出两部标定法19991999年张正友提出了基于移动模年张正友提出了基于移动模 板的摄像机标定法，张正友标定板的摄像机标定法，张正友标定 法法课题 任务能够实现对图像角点的提取 实现对摄像机的标定 界面设计与误差分析 图像中角点的提取图像中角点的提取Harris角点提取的特点ABCDEA A 计算简单计算简单B B 提取的点特征均匀而合理提取的点特征均匀而合理C C 算法稳定算法稳
3、定D D 它对尺度很敏感，不具有尺它对尺度很敏感，不具有尺 度不变性度不变性E E 提取的角点是像素级的提取的角点是像素级的HarrisHarris角点提取算法实现角点提取算法实现图像的预处理图像的预处理A图像锐化图像锐化 求出求出X X、Y Y 方向梯度方向梯度B高斯滤波高斯滤波 窗口，对窗口，对 图像滤波图像滤波C求出灰度强度求出灰度强度 变化值变化值D设定阙值，进设定阙值，进 行非极大值抑行非极大值抑 制，求出角点制，求出角点EHarrisHarris角点提取实验结果角点提取实验结果如图，红色如图，红色 +表示表示 的是识别出来的角的是识别出来的角 点。从图中可以看点。从图中可以看 出，
4、图像中的角点出，图像中的角点 全部识别出来，效全部识别出来，效 果较好果较好HarrisHarris角点提取实验结果角点提取实验结果xy 1498203 2530202 3567200 4601198 5640196 6675195图像中局部角点坐标图像中局部角点坐标亚像素级角点提取亚像素级角点提取图像中某一点（x，y），它的灰度值为是关于x和y的一个二元函数 f(x,y)。我们可知一点的梯度值H为fx, fy)。为了计算方便，我们用 差分代替微分：fx=f(x+1,y)-f(x,y);fy=f(x,y+1)-f(x,y)。P P不在边缘上，梯度不在边缘上，梯度H H 为为0 0，则，则H H
5、点乘点乘pqpq向量向量 为为0.0.P P在边缘上，梯度在边缘上，梯度H H 不为不为0 0，但，但H H与与pqpq向向 量垂直，点乘依然为量垂直，点乘依然为0 0亚像素级角点提取亚像素级角点提取由于噪声的由于噪声的 存在，一般存在，一般 H H点乘点乘pqpq向向 量不为量不为0 0， 会有误差会有误差 调用像素级的角点调用像素级的角点 坐标坐标设定邻域窗口大设定邻域窗口大 小，在点的邻域小，在点的邻域 内求出各点的梯内求出各点的梯 度值度值为了使为了使 最小，在每最小，在每 个角点邻域内采用优个角点邻域内采用优 化算法，求出亚像素化算法，求出亚像素 级的角点坐标级的角点坐标亚像素级角点
6、提取结果亚像素级角点提取结果如图，绿色如图，绿色*表表 示提取的图像中示提取的图像中 的角点。很显然的角点。很显然 ，效果较像素级，效果较像素级 角点提取要好。角点提取要好。亚像素级角点提取结果亚像素级角点提取结果xy 1497.837202.566 2530.244201.817 3566.557199.798 4601.244197.828 5639.706195.729 6675.354194.797图像中的局部角点坐标图像中的局部角点坐标摄像机的标定摄像机的标定张正友标定法张正友标定法 ，要求摄像机在两个以上不同的方位拍摄一个平，要求摄像机在两个以上不同的方位拍摄一个平 面靶标，摄像机
7、和面靶标，摄像机和2D2D平面靶标都可以自由移动。通过线性模型分平面靶标都可以自由移动。通过线性模型分 析就可计算出摄像机参数的优化解，然后用基干最大似然法进行析就可计算出摄像机参数的优化解，然后用基干最大似然法进行 非线性求精。在这个过程中得出考虑镜头畸变的目标函数后就可非线性求精。在这个过程中得出考虑镜头畸变的目标函数后就可 以求出所需的摄像机内、外部参数以求出所需的摄像机内、外部参数 优点优点方法简单灵活方法简单灵活具有较好的鲁棒性具有较好的鲁棒性不需要昂贵器材，很有实用性不需要昂贵器材，很有实用性张正友算法的实现张正友算法的实现张正友算法张正友算法不考虑畸变不考虑畸变 时参数求解时参数
8、求解考虑畸变考虑畸变 时参数求时参数求 解解不考虑畸变时算法的实现不考虑畸变时算法的实现（一（一 ）对空间变对空间变 换矩阵换矩阵H H 的求解优的求解优对已求得对已求得 的的H, H, 进行进行 优化，得优化，得 到较准确到较准确 值值通过通过H H矩矩 阵，求出阵，求出 相机的内相机的内 外参数外参数空间变换矩阵H观察右边的坐标系图，空观察右边的坐标系图，空 间变换矩阵间变换矩阵H,H,即是世界坐标即是世界坐标 系中的一个三维物理坐标，系中的一个三维物理坐标， 投影到二维像平面得到像素投影到二维像平面得到像素 坐标，所要经过的变换。坐标，所要经过的变换。空间变换空间变换H H矩阵包括矩阵包
9、括1 12 23 3世界坐标系到摄像机坐标系变换世界坐标系到摄像机坐标系变换 M1=R TM1=R T摄像机坐标系到图像中物理坐标系的变换摄像机坐标系到图像中物理坐标系的变换 M2M2图像坐标系中物理坐标系到像素坐标图像坐标系中物理坐标系到像素坐标 系的变换系的变换M3M3H=H= M1*M2* M3M1*M2* M3= A *M1 = A *M1 根据自己设制的根据自己设制的 模板，求出一系模板，求出一系 列三维物理坐标列三维物理坐标 x y 1x y 1根据前面根据前面HarrisHarris 角点提取方法，角点提取方法， 提取模板上的像提取模板上的像 素坐标素坐标u v 1u v 1列出
10、方程，通列出方程，通 过最小二乘法过最小二乘法 ，求出，求出H H为了得到更加为了得到更加 精确的值，对精确的值，对 H H进行优化，进行优化， 得到精确值得到精确值已知H矩阵后，求内外参数我们知道，我们知道，M1M1中的旋转矩中的旋转矩 阵阵R R中的中的3 3个列向量满足正个列向量满足正 交性。交性。H H与与R R、M2 M2 、M3M3向量之间存在转换关系，向量之间存在转换关系，3 3个个 列向量都可以用列向量都可以用H H表示，进而我们可以列出两个方表示，进而我们可以列出两个方 程。再考虑到标定的一系列的角点坐标，我们可程。再考虑到标定的一系列的角点坐标，我们可 以通过最小二乘法，求
11、出内部参数。得到内外参以通过最小二乘法，求出内部参数。得到内外参 数后，求外部参数就轻而易举了！数后，求外部参数就轻而易举了！考虑畸变时算法实现（二二 ）此处，我们仅考虑镜头的此处，我们仅考虑镜头的 径向畸变的前面两个系数径向畸变的前面两个系数 k1k1和和k2k2列出理想的图列出理想的图 像坐标与畸变像坐标与畸变 后实际坐标间后实际坐标间 的对应关系的对应关系根据已知的图像根据已知的图像 中角点坐标和内中角点坐标和内 外参数，通过最外参数，通过最 小二乘法求出系小二乘法求出系 数数K1K1和和K2K2通过非线性最小二乘通过非线性最小二乘 法优化算法，对法优化算法，对k1k1和和 k2 ,k2
12、 ,以及以求得的内外以及以求得的内外 参数优化，取得精确参数优化，取得精确 值值摄像机标定结果与分析摄像机标定结果与分析左边摄像机参数左边摄像机参数径向畸变参数k1= -0.4507K2=0.092内部参数矩阵A=1.0e+003 *1.3358 0.0001 0.50070 1.3321 0.39170 0 0.0010右边摄像机参数右边摄像机参数径向畸变参数K1= -0.5287K2=0.3920内部参数矩阵 A= 1.0e+003 *1.3548 -0.0051 0.43800 1.3531 0.39690 0 0.0010摄像机标定结果与分析摄像机标定结果与分析针对标定的结果，下面我做
13、了个关于焦距的误差计算：针对标定的结果，下面我做了个关于焦距的误差计算：左边摄像机左边摄像机右边摄像机右边摄像机误差分析误差分析1角点提取产生的误差： 在进行角点提取时，要求 模板平面绝对平整，但在 实际实验中，模板平面不 可能绝对的平，这会引起 镜头拍摄的图像有微小偏 差，将这一微小偏差引入 计算就会造成误差。此外 ，图像采集卡的采集精度 也会影响图像的精度变化 2摄像机标定产生误差： 标定系统造成的误差：标 定的选取和整个标定系统 各部分的结合都会造成系 统的误差。 3算法欠缺性产生误差：对于 角点提取算法和张正友标定 法都存在着误差，都不能非 常准确的得到结果，只能将 误差降低。软件界面
14、的设计软件界面的设计针对选用的摄像机，我通过针对选用的摄像机，我通过MATLABMATLAB编程软件，编写了一编程软件，编写了一 个个GUIGUI实验操作界面，便于更好的实验操作和显示，其主实验操作界面，便于更好的实验操作和显示，其主 要功能如下：要功能如下： 1 1读入图片，并对图片进行角点提取。读入图片，并对图片进行角点提取。 2 2存储提取角点的坐标，并对其进行标定。存储提取角点的坐标，并对其进行标定。 3 3显示各个角点提取前后的图片，并显示标定结果。显示各个角点提取前后的图片，并显示标定结果。软件操作流程软件操作流程1 1点击点击 读入图像读入图像 ，输入图片的名字、图片的序号、需要
15、标定的图片数，输入图片的名字、图片的序号、需要标定的图片数， 在下面坐标系中将显示图片图像。在下面坐标系中将显示图片图像。2 2点击点击 提取角点提取角点 按钮，等待数秒后，将在一个新的图像窗口中显示经过角按钮，等待数秒后，将在一个新的图像窗口中显示经过角 点提取的图片，并通过鼠标选择需要标定的角点区域，最后将在下面的点提取的图片，并通过鼠标选择需要标定的角点区域，最后将在下面的 第二个坐标系中显示角点提取后的图片。第二个坐标系中显示角点提取后的图片。3 3经过多组图片的角点提取得到角点坐标值，然后点击经过多组图片的角点提取得到角点坐标值，然后点击 标定标定 按钮，将在界面的按钮，将在界面的
16、右上角显示右上角显示 图片已经过标定，等待显示图片已经过标定，等待显示 。4 4最后点击最后点击 显示结果显示结果 ，将在界面的右上角显示经过标定而得到的摄像机的内部，将在界面的右上角显示经过标定而得到的摄像机的内部 参数，如图所示：参数，如图所示：软件界面显示结果软件界面显示结果我们可以看到界面下面两幅图：左边是标定我们可以看到界面下面两幅图：左边是标定 模板图片，右边是角点提取后的效果图。右模板图片，右边是角点提取后的效果图。右 上角显示的是标定后的结果上角显示的是标定后的结果总结总结 本文提出的亚像素检本文提出的亚像素检 测方法，利用角点领测方法，利用角点领 域内图像灰度梯度变域内图像灰度梯度变 化与角点到领域内任化与角点到领域内任 一点的矢量点乘为零
