基于场景几何约束的摄像机标定方法研究

论文摘要

摄像机标定的目的是通过分析摄像机获取到的图像信息和对应三维空间中物体的几何信息来建立二维像点与三维物点的对应关系。而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是由摄像机成像的几何模型决定的,这些模型参数就是摄像机参数。标定过程就是确定摄像机的几何模型和光学参数,以及摄像机物理位置的过程。本文在对现有的传统摄像机标定方法进行广泛的分析和比较的基础之上,对摄像机标定相关知识进行了深入的分析和研究。通过对已有摄像机标定理论方法中不足之处进行分析并与实际应用场景结合,提出了两种特定场景下的单视图摄像机标定的方法。这两种标定策略都摒弃了需要标定参照物的限制,以成像场景中的双消隐点约束和单消隐点约束作为条件,分别对应于道路交通场景和无人机自主着陆场景中的应用。对于需要进行摄像机标定的道路交通监控系统场景,本文提出了一种新颖的基于双消隐点约束的标定方法。它无需标定参照物仅通过车辆标识线为基准获取双消隐点,并建立成像图像单轴尺度与标识线长度的映射关系得到几何约束。这种方法解除了需要对场景进行实地勘测的限制,拓展了标定的应用范围。同时计算了摄像机的轴向旋转对标定结果的影响,提高了参数精度。无人机自主着陆导航时可以通过标定的结果获取位姿参数。本文考虑其应用场合中获取双消隐点较为困难进而提出了一种通过单消隐点进行标定的方法。通过引入着陆场边缘几何性质和物理参数初值,建立了所成图像的双轴尺度与摄像机焦距的函数关系。最后经过标定得到投影矩阵结果并还原为所需的滚转角、俯仰角、偏航角、距离跑道中线的侧偏以及距离跑道的高度等无人机的位置和姿态参数。本文提出的相关算法通过模拟数据和真实图像的实验加以验证,获得了满意的实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题依据和本文主要工作
• 1.4 本文的结构和内容安排
• 第2章 相机模型和标定理论基础
• 2.1 摄像机成像模型
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 摄像机成像模型
• 2.2 消隐点和消隐线
• 2.2.1 消隐点
• 2.2.2 消隐线
• 2.3 单应矩阵
• 2.4 绝对二次曲线和圆环点
• 2.5 基于二维标定物的摄像机标定
• 2.5.1 标定概述
• 2.5.2 基本投影方程
• 2.5.3 模板和图像间单应矩阵
• 2.5.4 内参数约束
• 2.5.5 标定求解
• 2.6 本章小节
• 第3章 基于场景几何约束的摄像机标定
• 3.1 引言
• 3.2 三正交消隐点标定
• 3.2.1 正交性与摄像机内参数
• 3.2.2 三个正交方向消隐点的几何性质
• 3.2.3 消隐点个数退化情况
• 3.3 一种基于应用的摄像机标定模型
• 3.4 一种在道路交通场景下的摄像机标定方法
• 3.4.1 道路交通场景标定应用背景
• 3.4.2 场景的双消隐点约束
• 3.4.3 求解摄像机高度
• 3.5 一种无人机自主着陆中的摄像机标定方法
• 3.5.1 摄像机标定在无人机中的应用
• 3.5.2 标定结果与无人机位姿参数
• 3.5.3 场景的单消隐点约束
• 3.5.4 利用着陆场尺度求解位姿参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验方案与实验结果
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 实验环境
• 4.1.2 实验方案设计
• 4.2 道路交通场景摄像机标定实验
• 4.2.1 摄像机标定流程
• 4.2.2 背景提取和噪声去除
• 4.2.3 兴趣点和角点提取
• 4.2.4 消隐点提取和滚转角确定
• 4.2.5 实验分析
• 4.3 无人机标定实验
• 4.3.1 机载摄像机的标定流程
• 4.3.2 背景提取和噪声去除
• 4.3.3 边缘提取
• 4.3.4 地平线和滚转角
• 4.3.5 实验分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文以及参加科研情况