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1、(10)申请公布号 CN 104180819 A (43)申请公布日 2014.12.03 CN 104180819 A (21)申请号 201410363063.3 (22)申请日 2014.07.28 G01C 25/00(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路 866 号 (72)发明人 项志宇 马子昂 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林超 (54) 发明名称 一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的 参数标定方法 (57) 摘要 本发明公开了一种同轴心距等光流折反射相 机测距系统的参数标定方法。旋。
2、转体镜面的中心 对称轴和透视相机的光轴共线， 被测物体置于旋 转体镜面的下方， 入射光经镜面反射成像到透视 相机， 旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓。 参 数标定方法包括 ： 采用该相机测距系统建立多个 不同的仿真环境， 各个仿真环境中的被测物体空 间点到光轴的轴心距逐步递增， 并分别计算得到 各个仿真环境下被测物体空间点在透视相机采集 图像上的光流， 然后重新拟合轴心距与光流之间 的关系。 本发明方法通过对系统进行参数标定， 在 系统非理想配置情况下， 减小镜面特性受加工精 度和安装精度的影响， 改善了测距精度。 与传统的 外参标定方法相比较， 本发明方法更为简便有效。 (51)Int.C。
3、l. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104180819 A CN 104180819 A 1/1 页 2 1. 一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的参数标定方法， 其特征在于 ： 该相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机， 旋转体镜面的中心对称 轴和透视相机的光轴共线且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定， 被测物体 置于旋转体镜面的下方， 被测物体视为空间点， 被测物体空间点的入射光线经镜面反射成 像到透视相机的成像平面上， 旋。
4、转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓 ； 该参数标定方法包 括 ： 采用该相机测距系统建立多个不同的仿真环境， 各个仿真环境中的被测物体空间点到 光轴的轴心距 h 逐步递增， 并分别计算得到各个仿真环境下被测物体空间点在透视相机采 集图像上的光流 L。 采用以下公式对各个仿真环境下的被测物体空间点到光轴的轴心距 h 和被测物体空 间点在相机采集图像上的光流 L 之间的关系进行拟合， 得到第一、 第二、 第三拟合参数 a、 b、 c， 而实现对该相机测距系统的参数标定 ： h aLb+c (1) 2. 根据权利要求 1 所述的一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的参数标定方法， 其特征在于 ： 所述。
5、的各个仿真环境中的被测物体空间点到光轴的轴心距 h 以固定步长逐步 递增。 3. 根据权利要求 1 所述的一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的参数标定方法， 其特征在于 ： 所述的多个不同的仿真环境为至少两个以上不同的仿真环境。 权 利 要 求 书 CN 104180819 A 2 1/4 页 3 一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的参数标定方法 技术领域 0001 本发明涉及一种测距系统的参数标定方法。 具体来说是涉及一种同轴心距等光流 折反射相机测距系统的参数标定方法。 背景技术 0002 目前普遍应用于视频监控、 机器人导航、 视频会议和场景重建中的全向相机大多 是由传统透视相机和反。
6、射镜面组成的相机测距系统， 反射镜面的使用使得全向相机具有大 视场成像特性。根据是否满足单一视点特性， 全向相机可以分为单视点折反射相机和非单 视点折反射相机。由于在实际应用中透视相机与反射镜面的安装会存在一定程度上的失 偏， 所以在现实中使用的实际上都是非单视点折反射相机。 0003 针对非单视点折反射相机的标定方法主要有以下几种。J.Fabrizio 的文献 1(FABRIZIO J.,TAREL J.,BENOSMAN R.Calibration of panoramic catadioptric sensors made easierC.Proceedings of Third Wor。
7、kshop on Omnidirectional Vision,Los Alamitos:ISEE Press,2002:45-52.)， 利用镜面的外边缘和专门设计的镜面底部边缘作为 标定物， 从镜面的边界图像上恢复出透视相机内参和镜面位姿参数， 但专门设计的镜面边 缘底部边缘占用了部分镜面反射区域 ； T.Mashita 的文献 2(MASHITA T.,IWAI Y.,YACHIDA M.Calibration method for misaligned catadioptric cameraJ.Ieice Transactions on Information and System,2。
8、006,E89-D(7):1984-1993.)， 利用镜面边缘以及多条无穷远 直线的像来估计镜面位姿关系， 这种方法仅仅适合于镜面中心轴与透视相机光轴不重合误 差较小的情况， 并且需要准备由多条直线构成的标定模板。 0004 传统的外参标定是借助于标定物估计出镜面与透视相机之间的旋转与平移 ； 对于 同轴心距等光流折反射相机测距系统， 传统的外参标定方法存在明显的弊端 ： 首先， 该系 统是高度非线性系统， 对角度安装误差的光流补偿需要对每个像素点逐一进行， 优化计算 量很大 ； 其次， 得到的补偿量只是对某一个高度有效， 一旦系统距离实验平面的距离发生变 化， 需要新的光流补偿模板。 发明。
9、内容 0005 由于实际应用中， 镜面的加工精度不足和系统的安装失偏会对镜面特性造成影 响， 进而影响测距精度， 因此本发明的目的是提出一种同轴心距等光流折反射相机测距系 统的参数标定方法。 基于由特殊设计的反射镜面和透视相机组成的同轴心距等光流折反射 相机测距系统， 通过对系统进行外参标定， 改善了测距精度。与传统的外参标定方法相比 较， 所提出的外参标定方法更为简便有效。 0006 本发明采用的技术方案包括 ： 0007 该相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机， 旋转体镜面的中心 对称轴和透视相机的光轴共线且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定， 被测 物体置于旋转体。
10、镜面的下方， 被测物体视为空间点， 被测物体空间点的入射光线经镜面反 说 明 书 CN 104180819 A 3 2/4 页 4 射成像到透视相机的成像平面上， 旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓 ； 该参数标定方 法包括 ： 0008 采用该相机测距系统建立多个不同的仿真环境， 各个仿真环境中的被测物体空间 点到光轴的轴心距 h 逐步递增， 并分别计算得到各个仿真环境下被测物体空间点在透视相 机采集图像上的光流 L。 0009 采用以下公式对各个仿真环境下的被测物体空间点到光轴的轴心距 h 和被测物 体空间点在相机采集图像上的光流 L 之间的关系进行拟合， 得到第一、 第二、 第三拟合参数。
11、 a、 b、 c， 而实现对该相机测距系统的参数标定 ： 0010 h aLb+c (1) 0011 所述的各个仿真环境中的被测物体空间点到光轴的轴心距 h 以固定步长逐步递 增。 0012 所述的多个不同的仿真环境为至少两个以上不同的仿真环境。 0013 本发明的有益效果是 ： 0014 本发明方法通过对系统进行外参数标定， 在系统非理想配置情况下， 减小镜面特 性受加工精度和安装精度的影响， 改善了测距精度。 与传统的外参标定方法相比较， 本发明 方法更为简便有效。 附图说明 0015 图 1 为本发明的相机测距系统的结构示意图。 具体实施方式 0016 下面结合附图更充分地描述本发明。 。
12、0017 如图 1 所示， 本发明中的相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相 机， 旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线， 且旋转体镜面的顶点与透视相机光 心之间的距离固定， 被测物体置于旋转体镜面的下方， 被测物体视为空间点， 被测物体空间 点的入射光线经镜面反射成像到透视相机的成像平面上， 旋转体镜面具有等光流特性的镜 面轮廓。等光流特性是指在相机光轴的运动方向上， 空间上等间距的点在相机成像平面上 的成像等间距的分布。 0018 该相机测距系统满足在光轴的运动方向上， 空间上等间距的点对应于相机成像平 面上等间距的像素点的特点， 这使得空间点到相机光轴的轴心距和图像光流之。
13、间存在一种 简单的对应关系， 当反射镜面和透视相机理想配置时， 已知系统参数和运动速度可由相机 成像平面上采集得到的光流直接计算被测物体空间点到相机光轴的轴心距。 本发明系统可 安装在无人机等飞行器上， 用于导航与避障。 0019 本发明的参数标定方法包括 ： 0020 采用该相机测距系统建立多个不同的仿真环境， 各个仿真环境中的被测物体空间 点到光轴的轴心距 h 逐步递增， 并分别计算得到各个仿真环境下被测物体空间点在透视相 机采集图像上的光流 L ； 0021 采用以下公式1对各个仿真环境下的被测物体空间点到光轴的轴心距h和被测物 体空间点在相机采集图像上的光流 L 之间的关系进行拟合， 。
14、得到第一、 第二、 第三拟合参数 说 明 书 CN 104180819 A 4 3/4 页 5 a、 b、 c ： 0022 h aLb+c (1) 0023 本发明通过重新拟合轴心距与光流之间的关系式实现对该相机测距系统的参数 标定， 将不同高度情况下系统安装失偏引入的光流误差通过重新拟合轴心距 h 和光流 L 之 间的关系式进行补偿。 0024 优选的各个仿真环境中的被测物体空间点到光轴的轴心距 h 以固定步长逐步递 增。 0025 优选的多个不同的仿真环境为至少两个以上不同的仿真环境。 0026 如图 1 所示， 本发明优选的旋转体镜面的镜面轮廓可采用以下方式 ： 相机测距系 统以透视相。
15、机光心为原点建立极坐标系， 该极坐标系下所述的具有等光流特性的镜面轮廓 为以下公式 ： 0027 0028 其中， r 为镜面轮廓上的反射点到相机光心的距离， 为镜面轮廓上的反射点和 相机光心之间的连线与相机光轴形成的夹角， r0为镜面顶点和相机光心之间的距离， G() 为入射光线经镜面反射后的角度偏转的微分方程解， 0为镜面临界偏转角度。 0029 入射光线经镜面反射后的角度偏转的微分方程解与镜面临界偏转角度之和 G()+0通过以下公式 3 和公式 4 求解得到 ： 0030 0031 0032 其中， V 是相机测距系统在光轴方向上的运动速度， f 是透视相机的焦距， h 是被测 物体空间。
16、点到相机光轴的轴心距， L 是被测物体空间点在相机采集图像上的光流， 是入 射光线经过镜面反射后的角度偏转， c 表示系统常数。当反射点和相机光心之间的连线与 相机光轴形成的夹角 为 0 时， 角度偏转的微分方程解 G(0) 0。 0033 本发明的设计原理如下 ： 0034 理论上， 被测物体空间点到相机光轴的轴心距 h 和相机采集图像上的光流 L 满足 以下公式 5 ： 0035 0036 其中， V 是相机测距系统在光轴方向上的运动速度， h 是被测物体空间点到相机光 轴的轴心距， L 是相机采集图像上的光流， f 是透视相机的焦距 ； V为仿真环境下相机测距 系统在光轴方向上的运动速度。
17、， h为仿真环境下被测物体空间点到光轴的轴心距， L为 仿真环境下透视相机采集图像上的光流值 ,f为仿真环境下透视相机的焦距。 0037 所以在系统在光轴方向上的运动速度已知的情况下， 轴心距 h 与光流 L 之间满足 反比例关系。在同轴心距等光流折反射相机测距系统的实际应用中， 系统在光轴方向上的 运动速度已知， 调节被测物体空间点到光轴的轴心距 h 为一组逐步递增的高度值， 分别计 算对应 h 上相机采集图像上的光流 L， 使用幂级数关系式 ( 如公式 1) 拟合得到 h 和 L 之间 说 明 书 CN 104180819 A 5 4/4 页 6 新的关系式。 0038 将重新拟合的关系式。
18、用于测距， 其测距精度要优于直接使用理论关系式 ( 公式 5) 进行测距的精度。该方法将不同高度情况下系统安装失偏引入的光流误差， 通过重新拟合 光流与高度 ( 被测物体空间点到相机光轴的轴心距 ) 之间的关系式进行补偿， 这种方法相 比于传统的外参数标定方法更为简便有效。 0039 本发明的实施例 ： 0040 将同轴心距等光流折反射相机测距系统用于仿真实验， 给定镜面设计参数 ： 系统 在光轴方向上的速度 V 20mm/s、 被测物体空间点到光轴的轴心距 h 1m、 相机采集 图像上计算得到的光流 L 3pixels/s、 透视相机的焦距 f 16mm、 镜面的边界条件 以及相机光心到镜面。
19、顶点的距离 r 0 0.1m。 0041 在系统理想配置下， 采用该相机测距系统进行实际测距， 计算得到被测物体空间 点在相机采集图像上的成像处的光流 L ； 由关系式可得在系统运动速度 V 20mm/s 和透视相机焦距 f 16mm 已知的情况下， 轴心距 h 和光流 L 之间的关系式可以 表示为 h 300L-1； 通过轴心距 h 和光流 L 之间的关系式可以计算得到被测物体空间点 到相机光轴的轴心距 h， 从而通过相机采集图像和光流计算实现测距。 0042 考虑系统的一种非理想配置的情况 ： 相机光心与镜面顶点之间的位置安装误差 r0 0.1cm 和相机光轴与旋转体镜面中心轴之间的角度安。
20、装误差 2。调节系 统距离地面的高度以 0.1m 的步长从 0.3m 增高至 0.8m， 并分别计算对应高度上相机采集图 像上的光流。已知系统以 V 20mm/s 的速度做匀速直线运动， 透视相机以 1frame/s 的速 度采集图像， 相机焦距为 f 16mm。使用幂级数关系式拟合得到轴心距 h 和光流 L 之间新 的关系式为 h 263.0L-0.9553 0.2978。 0043 将参数标定前后的轴心距 h 和光流 L 之间的关系式用于测距， 并比较参数标定前 后的测距精度如表 1。可以看到， 所提出的参数标定方法可以有效地提高系统的测距精度。 0044 表 1 外参标定前后系统测距精度比较 0045 轴心距 h 和光流 L 的关系式测距误差均值 (cm)测距误差标准差 (cm) h 300L-16.3310.00 h 263.0L-0.9553 0.29780.832.17 0046 上述具体实施例用来解释说明本发明， 而不是对本发明进行限制， 在本发明的精 神和权利要求的保护范围内， 对本发明作出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104180819 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104180819 A 7 。