基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机与流程

1.本发明涉及镜头参数标定领域，具体涉及一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机。


背景技术：

2.机器视觉应用的摄像头，在进行采集数据之前，往往需要做镜头内参的标定。通过标定得到镜头内参之后，才能进行准确的计算和测量。
3.行业上一般采用平面棋盘格按照张氏标定法进行标定，也有采用圆点校正片按照类似原理进行标定的方法。但是上述方法建立的是相机成像平面和被测物体平面的一对一的映射关系。而广角镜头由于成像角度广，视场大范围畸变，用张氏标定法得到的参数在各个成像区域非常不一致，特别是成像视角大于180度的时候，张氏标定法在原理上就无法适用。
4.另外，现有的标定方法都必须知道相机的ccd/cmos的物理尺寸、镜头的焦距等信息，对于标定人员信息搜集的难度要求较高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机，可以在无需获取相机的ccd/cmos的物理尺寸、镜头的焦距等信息的情况下，精确的标定出广角镜头的参数。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，包括以下步骤，s1，将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；s2，将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；s3，从所述数字图像中读取圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置，并将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；s4，依据所述s2至所述s3的方法，得到圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对；s5，将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步，所述圆筒具体为整圆筒状结构或为半开口的c型圆筒。
9.进一步，所述圆筒内壁的圆筒圆心视角刻度均匀分布。
10.进一步，所述广角镜头靠近圆筒圆心放置。
11.进一步，令圆筒圆心为点，所述s2具体为，s21，构建圆筒圆心、位置点以及圆筒内壁上任意刻度位置点之间的三点向量关系，所述三点向量关系为；其中，为由圆筒圆心指向位置点的向量，为由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，为由圆筒圆心指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且；具体的，为圆筒半径；s22，根据所述三点向量关系计算出由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且；其中，为位置点相对于圆筒圆心的横坐标值，为位置点相对于圆筒圆心的纵坐标值，为虚数单位；s23，对由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量进行幅角运算，得到圆筒内壁上任意刻度位置点在以位置点为圆心的圆心视角，且 。
12.进一步，所述s5具体为，s51，基于圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对，利用带平移的奇次多项式，拟合出广角镜头的圆心视角与像素位置之间的关系函数；s52，将所述关系函数中的参数确定为所述广角镜头的参数。
13.进一步，所述关系函数具体为将圆心视角表达为像素位置的函数，且所述关系函数的表达式为，；其中，均为所述关系函数中的参数，且、为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。
14.进一步，所述关系函数具体为将像素位置表达为圆心视角的函数，且所述关系函数的表达式为，；其中，均为所述关系函数中的参数，且、、为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物
理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。
15.在上述一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法的基础上，本发明还提供一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统。
16.一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统，包括内壁带有圆筒圆心视角刻度且用于容纳广角镜头的圆筒，还包括以下模块，数字图像获取以及广角镜头位置记录模块，其用于利用广角镜头在圆筒内拍摄获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；视角转换模块，其用于将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；数据对组合模块，其用于从所述数字图像中读取任意刻度位置点的像素位置，并将任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；拟合模块，其用于将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。
17.在上述一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法的基础上，本发明还提供一种计算机。
18.一种计算机，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法。
19.本发明的有益效果是：本发明一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机不仅可以用于大角度视场镜头，甚至可以广泛应用于视角超过180
°
的超广角镜头的参数标定；在本发明中将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，通过刻度对应的像素进行运算，即可得到广角镜头的内参；因此，本发明可以在无需获取相机的ccd/cmos的物理尺寸、镜头的焦距等信息的情况下，精确的标定出广角镜头的参数。
附图说明
20.图1为本发明一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法的流程图；图2为广角镜头的像素和水平角之间的关系示意图；图3为广角镜头、圆筒圆心以及圆筒内壁上任意刻度位置点之间的关系示意图；图4为以将圆心视角表达为像素位置的关系函数画图与原始数据的曲线图；图5为以将像素位置表达为圆心视角的关系函数画图与原始数据的曲线图；
图6为本发明一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统的结构框图。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
22.如图1所示，一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，包括以下步骤，s1，将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；s2，将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；s3，从所述数字图像中读取圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置，并将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；s4，依据所述s2至所述s3的方法，得到圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对；s5，将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。
23.在广角镜头和超广角镜头中，镜头内参的本质是相机像素对外界视角角度的一一映射关系，即最终的标定结果应该是像素对水平角和俯仰角的映射关系。以水平方向为例，图2展示了方向像素和水平角之间的关系示意图，其中，1代表广角镜头，2代表与广角镜头对应的ccd/cmos上的水平像素，广角镜头上方的箭头代表水平角。
24.本发明提出的方法，不仅可以用于大角度视场镜头，甚至可以广泛应用于视角超过180
°
的超广角镜头的参数标定。在执行本发明方法之前，需要制作一个带有内刻度（内壁带有圆筒圆心视角刻度）的圆筒，将广角镜头放置在圆筒内任意朝向拍摄一张数字图像后，通过内刻度对应的像素进行运算，即可得到广角镜头的内参。根据待标定的广角镜头的视野角度的不同，标定用的圆筒可以是整圆筒状结构，还可以是半开口的c型圆筒。标定用的圆筒需要是一个正圆形的整筒状或半筒状结构，圆筒半径以广角镜头在筒内能够清晰成像为宜。圆筒内壁需要均匀打印该位置的圆筒圆心视角刻度。
25.图3为广角镜头、圆筒圆心以及圆筒内壁上任意刻度位置点之间的关系示意图。下面以图3为参考说明本发明方法的原理：圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角可以直接从圆筒内壁刻度读取，圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角记为，记圆筒半径为，则圆筒内壁上任意刻度位置点的物理位置可以用极坐标表示为。
26.第一步，将广角镜头放置在圆筒内部接近圆筒圆心处，任意朝向拍摄一张数字图像，通过外部物理尺度的测量得到广角镜头在圆筒截面圆上的位置点，记位置点相对圆筒圆心的坐标为。
27.第二步，将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角。
28.具体的，从图3中可以看出，；其中，为由圆筒圆心指向位置点的向量，为由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，为由圆筒圆心指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且；根据，即可得到由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且，其中，为虚数单位，且为向量的复数表达形式；对由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量进行幅角运算，得到圆筒内壁上任意刻度位置点在以位置点为圆心的圆心视角，且 。
29.第三步，圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置可以在广角镜头拍摄的一张数字图像中得到，圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置记为；将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆心视角和像素位置组合成数据对，从而建立起了以位置点为圆心的圆心视角和像素位置之间的一一对应关系。
30.第四步，重复执行第二步和第三步，即可获取圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对。
31.第五步，广角镜头模型一般为圆心对称模型，在方向单一维度上可视为轴对称，因此，拟合以位置点为圆心的圆心视角和像素位置之间关系的关系函数可以用带平移的奇次多项式表示,并可以根据精度的需要决定最高拟合的幂次数。
32.下面以将圆心视角表达为像素位置的关系函数为例进行说明。将圆心视角表达为像素位置的关系函数具体如下：；（1）其中，均为所述关系函数中的参数，且
、、为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。
33.将圆筒内壁上多个（大于5个）不同刻度位置点的数据对代入（1）式中进行多项式拟合，即可以得到广角镜头的内参，以及广角镜头光心所指的物理角度和所述广角镜头光心对应的像素位置。
34.另外，当关系函数中的参数均拟合出来之后，将数字图像中任意像素位置代入关系函数中，可以得到该像素位置代表的圆心视角，即：； （2）下面以将像素位置表达为圆心视角的关系函数为例进行说明。将像素位置表达为圆心视角的关系函数具体如下：； （3）其中，均为所述关系函数中的参数，且为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。
35.将圆筒内壁上多个（大于5个）不同刻度位置点的数据对代入（3）式中进行多项式拟合，即可以得到广角镜头的内参，以及广角镜头光心所指的物理角度和所述广角镜头光心对应的像素位置。
36.另外，当关系函数中的参数均拟合出来之后，将数字图像中任意像素位置代入关系函数中，可以得到该像素位置代表的圆心视角，即：； （4）不管是将圆心视角表达为像素位置的关系函数，还是将像素位置表达为圆心视角的关系函数，不影响计算结果。
37.下面以具体实例说明本发明的方法：将广角镜头放置于圆筒内部，得到一幅数字图像，像素位置和刻度（圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角）关系如表1的第一列和第二列所示。设圆筒半径
为，广角镜头所在的物理位置为。经过的计算，得到圆筒内壁上任意刻度位置点以位置点为圆心的圆心视角的度数放入表1的第三列。
38.表1：像素位置、圆筒圆心视角、圆心视角之间的对应关系表将表1中的第一列和第三列代入式（1）中进行拟合，估计出关系函数的参数，以最高5次的奇次多项式函数为例，可以得到下列结果：
。
39.用上面计算得到的参数代入式（2）中画图，可以得到如图4所示的一条平滑曲线，将表1中的原始散点数据对画图，可以得到如图4所示的一连串圆圈构成的散点分布；图4的横轴代表像素位置，纵轴代表圆心视角；从图4中可以看出，曲线围绕点呈中心对称分布，从曲线中可以实现之间的互查。
40.同理，将表1中的第一列和第三列代入式（3）中进行拟合，估计出关系函数的参数，以最高5次的奇次多项式函数为例，可以得到下列结果：。
41.用上面计算得到的参数代入式（4）中画图，用上面计算得到的参数代入式（4）中画图，可以得到如图5所示的一条平滑曲线，将表1中的原始散点数据对画图，可以得到如图5所示的一连串圆圈构成的散点分布；图5的横轴代表圆心视角，纵轴代表像素位置；从图5中可以看出，曲线围绕点呈中心对称分布，从曲线中可以实现之间的互查。
42.在上述一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法的基础上，本发明还提供一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统。
43.如图6所示，一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统，包括内壁带有圆筒圆心视角刻度且用于容纳广角镜头的圆筒，还包括以下模块，数字图像获取以及广角镜头位置记录模块，其用于利用广角镜头在圆筒内拍摄获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；视角转换模块，其用于将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；数据对组合模块，其用于从所述数字图像中读取任意刻度位置点的像素位置，并将任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；拟合模块，其用于将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得
到广角镜头的参数。
44.在上述一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法的基础上，本发明还提供一种计算机。
45.一种计算机，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法。
46.本发明一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机不仅可以用于大角度视场镜头，甚至可以广泛应用于视角超过180
°
的超广角镜头的参数标定；在本发明中将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，通过刻度对应的像素进行运算，即可得到广角镜头的内参；因此，本发明可以在无需获取相机的ccd/cmos的物理尺寸、镜头的焦距等信息的情况下，精确的标定出广角镜头的参数。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：包括以下步骤，s1，将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；s2，将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；s3，从所述数字图像中读取圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置，并将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；s4，依据所述s2至所述s3的方法，得到圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对；s5，将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。2.根据权利要求1所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述圆筒具体为整圆筒状结构或为半开口的c型圆筒。3.根据权利要求1所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述圆筒内壁的圆筒圆心视角刻度均匀分布。4.根据权利要求1所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述广角镜头靠近圆筒圆心放置。5.根据权利要求1至4任一项所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：令圆筒圆心为点，所述s2具体为，s21，构建圆筒圆心、位置点以及圆筒内壁上任意刻度位置点之间的三点向量关系，所述三点向量关系为；其中，为由圆筒圆心指向位置点的向量，为由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，为由圆筒圆心指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且；具体的，为圆筒半径；s22，根据所述三点向量关系计算出由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量，且；其中，为位置点相对于圆筒圆心的横坐标值，为位置点相对于圆筒圆心的纵坐标值，为虚数单位；s23，对由位置点指向圆筒内壁上任意刻度位置点的向量进行幅角运算，得到圆筒内壁上任意刻度位置点在以位置点为圆心的圆心视角，且 。6.根据权利要求1至4任一项所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述s5具体为，s51，基于圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对，利用带平移的奇次多项式，拟合
出广角镜头的圆心视角与像素位置之间的关系函数；s52，将所述关系函数中的参数确定为所述广角镜头的参数。7.根据权利要求6所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述关系函数具体为将圆心视角表达为像素位置的函数，且所述关系函数的表达式为，；其中，均为所述关系函数中的参数，且、、为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。8.根据权利要求6所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法，其特征在于：所述关系函数具体为将像素位置表达为圆心视角的函数，且所述关系函数的表达式为，；其中，均为所述关系函数中的参数，且为所述广角镜头的内参，为所述广角镜头光心所指的物理角度，为所述广角镜头光心对应的像素位置；为正整数。9.一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定系统，其特征在于：包括内壁带有圆筒圆心视角刻度且用于容纳广角镜头的圆筒，还包括以下模块，数字图像获取以及广角镜头位置记录模块，其用于利用广角镜头在圆筒内拍摄获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；视角转换模块，其用于将所述圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；数据对组合模块，其用于从所述数字图像中读取任意刻度位置点的像素位置，并将任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；拟合模块，其用于将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。10.一种计算机，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法。

技术总结
本发明涉及一种基于内壁刻度的广角镜头参数标定方法、系统及计算机，其方法包括，将广角镜头放置在内壁带有圆筒圆心视角刻度的圆筒内进行拍摄，获取一幅数字图像，并记录广角镜头在圆筒截面圆上的位置点；将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆筒圆心视角转换成以位置点为圆心的圆心视角；从数字图像中读取圆筒内壁上任意刻度位置点的像素位置，并将圆筒内壁上任意刻度位置点的圆心视角与像素位置组成数据对；得到圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对；将圆筒内壁上多个不同刻度位置点的数据对进行函数拟合，得到广角镜头的参数。本发明可以在无需获取相机的ccd/cmos的物理尺寸、镜头的焦距等信息的情况下，精确的标定出广角镜头的参数。精确的标定出广角镜头的参数。精确的标定出广角镜头的参数。


技术研发人员：谢俊 朱轶 金凤 熊常松
受保护的技术使用者：武汉精视遥测科技有限公司
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/5/25