基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法

摘要

本发明涉及一种基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法。建立球坐标系，将所有检测线段的交点投影到坐标系下的单位球上；对方位角按照角度进行分割，对天顶角结合角度与累加单元格面积进行分割，建立一个非均匀分割累加表，并使用线段交点的投影更新；任意采样多组线段，每组中包含两条线段；根据两条线段对应同一个消隐点或不同消隐点的情况，根据线段的平行性在球坐标系或线段的正交性在球坐标系下分别建立旋转矩阵假设；分别计算每一个旋转矩阵假设在非均匀分割累加表中的累加值，输出对应累加值最大的旋转矩阵作为最终结果。本发明可以准确进行消隐点检测，获取相机相对于世界坐标系的旋转矩阵，极大提升相机外参标定准确率。

说明书

技术领域

本发明涉及标定领域中的相机外参标定，特别涉及一种基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法。

背景技术

计算机视觉技术被广泛应用到实际场景中，例如检测跟踪、三维重建、速度估计等。相机外参标定是计算机视觉应用中的关键环节，其决定了相机坐标系与世界坐标系之间旋转和平移的变换关系，标定结果直接影响到后续检测、跟踪等步骤的准确性。因此，设计一个准确的相机外参标定方法在实际应用中十分重要。

在实际场景结构中，存在许多相互平行的直线，这些直线经过透视投影，在图像上交于一点，该点则被称为消隐点。消隐点检测在相机外参标定中发挥着重要作用，一种常见的方法是利用图像中的线段信息计算出消隐点的位置，得到相机相对于场景的旋转变换，但这种方法中的旋转矩阵没有受到正交的约束，在已知的相机内参下，旋转矩阵不能确保正交。另一种方法是先在空间中生成多个旋转矩阵的假设，并将其投影到图像上得到多组正交的消隐点，再根据线段信息优化得到最终结果，这种方法确保了旋转矩阵的正交性，但在假设生成以及优化方面需要花费较长时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法，该方法克服现有外参标定存在的问题，其原理简单、效率高，且确保了旋转矩阵的正交性，能广泛应用于需要相机外参标定的场景中。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法，包括如下步骤：

步骤S1、以相机光心为原点建立球坐标系，将图像上的线段交点投影到该坐标系下的单位球上，得到坐标(θ，φ)，其中θ代表该点与x轴正半轴的方位角，φ代表该点与z轴正半轴的天顶角；

步骤S2、将单位球进行非均匀分割，在球面上构建一个非均匀分割累加表T(i，j)，用于累加图像中线段交点在球面上的投影，其中i对应方位角θ，j对应天顶角φ；

步骤S3、在图像上任意采样S组线段，每组中包含两条线段，根据图中对应消隐点线段的平行性与正交性，在球坐标系中构建多个旋转矩阵假设R＝[r

步骤S4、在非均匀分割累加表中查找每个旋转矩阵假设对应的累加值；

步骤S5、输出假设中对应累加值最大的旋转矩阵作为最终结果。

在本发明一实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、在图像中检测得到N条线段，并计算出所有线段的交点(u，v)；

步骤S12、利用相机内参，将图像平面上的点(u，v)转换到相机坐标系下，得到P

步骤S13、利用相机坐标系到球坐标系的变换公式，将P

在本发明一实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、对方位角θ进行分割，以1°为精度，将其分为N

步骤S22、对天顶角

步骤S23、对天顶角

步骤S24、建立非均匀分割累加表T(i，j)，其尺寸大小为

步骤S25、利用非均匀分割累加表对步骤S1中得到的球坐标

在本发明一实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31、对步骤S1中检测到的N条线段进行采样，得到S组线段，每组中包含两条线段；

步骤S32、假设两条线段对应同一个消隐点，即在空间中平行，计算它们的交点，得到第一个消隐点v

步骤S33、假设两条线段对应不同消隐点，即在空间中正交，其在空间中对应旋转矩阵的r

步骤S34、对步骤S32与步骤S33重复S次，考虑旋转矩阵的对称性，一共构建

在本发明一实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41、对每一个旋转矩阵假设，计算其r

步骤S42、每一个旋转矩阵假设的累加值为T(i

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法可以准确进行消隐点检测，获取相机相对于世界坐标系的旋转矩阵，极大提升相机外参标定准确率；本发明方法，其原理简单、效率高，且确保了旋转矩阵的正交性，能广泛应用于需要相机外参标定的场景中。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图。

图2为本发明实施例中步骤S1图像上的点投影到球坐标系的示意图。

图3为本发明实施例中步骤S22按角度分割天顶角φ的示意图。

图4为本发明实施例中步骤S23按累加单元格面积分割天顶角φ的示意图。

图5为本发明实施例中步骤S32根据平行性构建旋转矩阵假设的示意图。

图6为本发明实施例中步骤S32根据正交性构建旋转矩阵假设的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于非均匀分割累加表和正交消隐点的相机外参标定方法，包括如下步骤：

步骤S1、以相机光心为原点建立球坐标系，将图像上的线段交点投影到该坐标系下的单位球上，得到坐标(θ，φ)，其中θ代表该点与x轴正半轴的方位角，φ代表该点与z轴正半轴的天顶角；

步骤S2、将单位球进行非均匀分割，在球面上构建一个非均匀分割累加表T(i，j)，用于累加图像中线段交点在球面上的投影，其中i对应方位角θ，j对应天顶角φ；

步骤S3、在图像上任意采样S组线段，每组中包含两条线段，根据图中对应消隐点线段的平行性与正交性，在球坐标系中构建多个旋转矩阵假设R＝[r

步骤S4、在非均匀分割累加表中查找每个旋转矩阵假设对应的累加值；

步骤S5、输出假设中对应累加值最大的旋转矩阵作为最终结果。

如图2所示，在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、在图像中检测得到N条线段，并计算出所有线段的交点(u，v)；

步骤S12、利用相机内参，将图像平面上的点(u，v)转换到相机坐标系下，得到P

步骤S13、利用相机坐标系到球坐标系的变换公式，将P

在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、对方位角θ进行分割，以1°为精度，将其分为N

步骤S22、对天顶角

步骤S23、对天顶角

步骤S24、建立非均匀分割累加表T(i，j)，其尺寸大小为

步骤S25、利用非均匀分割累加表对步骤S1中得到的球坐标(θ，φ)进行累加，更新累加表，得到

在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31、对步骤S1中检测到的N条线段进行采样，得到S组线段，每组中包含两条线段；

步骤S32、假设两条线段对应同一个消隐点，即在空间中平行，计算它们的交点，得到第一个消隐点v

步骤S33、假设两条线段对应不同消隐点，即在空间中正交，其在空间中对应旋转矩阵的r

步骤S34、对步骤S32与步骤S33重复S次，考虑旋转矩阵的对称性，一共构建

在本发明一实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41、对每一个旋转矩阵假设，计算其r

步骤S42、每一个旋转矩阵假设的累加值为T(i

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。