基于机器视觉技术的相机标定方法研究开题报告

1. 研究目的与意义

视觉感知作为人类获取三维空间信息的有效的手段之一，整个过程中不仅要对光信号进行感知，还有对视觉信息的传输、处理、存储与理解等过程。

相机标定对于计算机视觉系统起着十分重要的作用，是实现三维场景重建的首要步骤，标定的过程其实就是求解摄像机内外参数的过程。

计算机视觉最基本的任务就是从相机中得到图像信息并计算出空间中物体的三维几何。

2. 国内外研究现状分析

摄像机标定方法根据标定方式的不同，主要可以分为三种：传统标定方法、自标定方法和基于主动视觉的标定方法。

传统标定方法：所谓传统摄像机标定方法是指用一个结构已知、精度很高的标定块作为空间参照物，通过空间点和图像点之间的对应关系来建立摄像机模型参数的约束，然后通过优化算法来求取这些参数。传统摄像机标定方法主要分为最优化算法的标定方法和两步法。在最优化算法的标定方法中，faig在摄影测量学中的传统方法，利用了针孔摄像机模型的共面约束条件，假设摄像机的光学成像模型非常复杂，考虑了摄像机成像过程中的各种因素，精心设计了摄像机成像模型，对于每一幅图像，利用了至少17个参数来描述其与三维物体空间的约束关系，计算量非常大；直接线形变换法：直接线性变换方法是abdel2azi和karara首先于1971年提出的。通过求解线性方程的手段就可以求得摄像机模型的参数，这是直接线性变换方法有吸引力之处。然而这种方法完全没有考虑摄像机过程中的非线性畸变问题，为了提高精度，直接线性变换方法进而改进扩充到能包括这些非线性因素，并使用非线性的手段求解。而我国采用张正友标定法通过不同位置和方向的几个平面网格模板来求解内部参数，然后再计算摄像机的外部参数，进行摄像机的标定。这种标定方法既具有较好的鲁棒性，又不需昂贵的精制标定块，很有实用性。但张正友方法在进行线性内外参数估计时，由于假定模板图像上的直线经透视投影仍然为直线，进而进行图像处理，获得亚像素精度的点坐标，实际上引人了误差，所以在广角镜畸变比较大的情况下，校正效果偏差比较大。孟晓桥、胡占义^[7]的提出了基于圆环模板的标定方法，从至少三个不同方位拍摄模板图像，根据射影不变性计算出每幅图像上的圆环点像的坐标，得到关于内参数矩阵的至少六个方程，即可解出所有内参数。与张的方法相比，孟胡的方法基于曲线拟合(稳定)，并且不需要任何匹配，而张的方法基于点，需要匹配模版的点和图像点。近年来，人们对标定模板行了改进，如陈小天^[8]的一维标定物，陈西^[9]设计出的由两个相离的等圆构成的新型模板等。

自标定方法：自标定方法不需要标定块，是指仅依靠多幅图像对应点之间的极线约束关系，通过基础矩阵f将对应图像坐标联系起来，建立longuet-higgins方程，进而直接进行标定的过程，目前自标定方法主要分以下两类。①基于绝对二次曲线的自标定方法：faugeraus和manybank在假设摄像机内参数不变的情况下，给定二幅图像便可以通过求解由绝对二次曲线的对极几何关系(epipolar geometry)所建立的kruppa方程来标定摄像机的全部5个内参数，hartley利用对基础矩阵进行svd分解的方法对kruppa方程进行了简化。②基于绝对二次曲面的标定方法：triggs最早将绝对二次曲面的概念引入到自标定的研究中来，这种自标定方法与基于kruppa方程的方法在本质上是一致的，都是利用了绝对二次曲线在欧氏变换下的不变性，但在输入多幅图像并能得到一致射影重建的情形下，基于二次曲面的自标定法更具有优势，其根源在于二次曲面包含了无穷远平面和绝对二次曲线的所有信息，且基于二次曲面的自标定方法又是在对所有图像做射影重建的基础上计算二次曲面的，从而保证无穷远平面对所有图像的一致性。

3. 研究的基本内容与计划

采用的标定板的选择类型，对于相机获取到的标定图像的图像处理技术的选择，特征点的提取方法以及匹配方法，确定2d像点以及3d特征点的对应关系，相机内外参数初值的求解方法以及最后是否需要高精度解算相机参数。以特定植物为研究对象，对其生长图像进行采集，研究标定方法，提取特征点，处理畸变。

得到相机内外参数的初值的情况下，需要明确是否需要进行高精度解算。以特定植物为研究对象，对其生长图像进行采集，确定相机标定方法，进行图像处理，以验证相机标定方法的实用可靠性。

计划：

4. 研究创新点

综合国内外的相机标定方法有很多种，但是每一种都有很明显的优缺性，在对于不同环境和不同的研究过程中，往往会使用多种相机标定方法共同研究，这会使得相机标定在研究过程当中会操作步骤繁琐，而本次对相机标定的研究有以下几种特点：

（1）综合比较多种相机标定的方法优缺点，根据实验对象的具体环境，采用最优方案，标定结果准确度、还原度高。