单目数码相机的几何标定方法

张涛

（河南省测绘工程院,河南郑州45000）

单目数码相机的几何标定方法

张涛

（河南省测绘工程院,河南郑州45000）

以河南省测绘工程院开发设计的数码相机几何标定软件为依托，介绍一种单目数码相机几何标定的简单方法。

河南省测绘工程院； 单目数码相机； 几何标定

1 背景介绍

普通数码相机要具备量测性必须先进行几何标定[1]，旨在获取相机与客观物理世界尺度相关联的相机参数。数码相机的几何标定一般采用室外几何检校场检校[2]和室内标志物检校[3]。建立室外几何检校场代价较高，室内标志物检校在标志物的精准测量和建设上代价也不低。近年来在人工智能科学方面，机器视觉领域OPENCV开源了基于棋盘格靶标的检校方法，广泛用于微距相机或摄像头的检校，多种文献均表述了其检校精度可以达到亚像素级[3]。笔者在OPENCV开源视觉算法基础上设计开发了一款单目数码相机简易几何标定软件。本文将以此软件为依托介绍索尼A5100相机几何标定应用实例。

2 主要应用流程

2.1 自主开发软件介绍

软件以VC++6.0为平台基于OPENCV和GDAL/OGR自主开发。棋盘格角点检测算法采用OPENCV，其他图像读取存储和处理算法均采用底层开发[4]。软件主界面如下：

图1 自主开发程序的主界面

完成索尼A5100相机标定实例工程用到的功能包括以下部分：

(1)输出真彩色定标靶；(2)半自动量测靶标点；(3)提取靶标点；(4)计算标定参数；(5)自动复测靶标点；(6)剔除粗差靶标；(7)本软件相机参数输出Australis工程；(8)设置其他检校参数训练改正映射模板。

2.2 工作流程

首先利用软件系统生成预制格网物理尺寸和数目的真彩色数字靶标影像，在平板电视上回放或者由专业打印机打印数字标靶影像，手工制作标定板；操作待标定的相机从各个角度和距离对标定板进行拍照采集样本影像；导出样本影像利用软件采用半自动或全自动的方式对样本影像中的靶标进行量测提取坐标；利用量测的坐标数据进行解算输出标定参数；利用标定参数训练生成相机畸变改正模板影像，最后在实际的工程应用中利用畸变改正模板影像掩膜改正相机畸变生成无相机畸变影像[5]。流程框图如下：

图2 工作流程框图

3 具体的过程和方法

3.1 定标靶制作

点击“输出数字定标靶”按钮，设置输出数字定标靶影像参数和输出影像文件存储路径。

图3 数字定标靶参数设置

图4 软件自动生成的15*15格5cm数字定标靶影像

可以将数字定标靶影像回放到平板电视机上或者利用回放精度控制在0.1mm的专业惠普打印机[6]，用亚光相纸按照254dpi打印出标靶影像，粘贴在钢化玻璃平板上制成标定板。本文实例采用第二种方法制作标定板实物如图5所示。

图5 用钢化玻璃板粘贴打印靶标制作的标定板实物

3.2 采集标定样本影像

将待标定的索尼A5100相机镜头对准标定板实物，从不同角度、不同距离拍摄样本影像，注意每一张影像必须全包含标定板靶标画面，拍摄的影像尽可能多地包括空间所有的方向，一般可以采用在三种距离上相机分别沿着垂直、水平、左对角线、右对角线进行拍摄，并且旋转相机180°之后重复上述方向进行一组样本影像拍摄采集。拍摄完之后下载所拍摄样本影像到PC上，剔除靶标景物拍摄不全、拍摄影像质量欠佳的影像样本。最终本案例可用的有效样本数量为251个，部分样本影像如图6所示。

图6 采集的部分标定样本影像

3.3 半自动量测靶标点

点击“半自动量测靶标点”按钮，选择采集样本影像集合路径，并设置靶标属性参数，设置完成后程序自动运行，弹出用户交互式采集四角靶标点界面，按照“A1—B2—C3—D4”先后顺序手动采集靶标四角点，采集完成后点位处出现红圈，如图7所示。手动量测四角靶标格点是为了对目标靶标区建立仿射变换[7]进行粗定位，目标区粗定位的结果会引导程序自动精化量测所有靶标格网点的像面坐标值，如图8所示。

图7 手动量测四角靶标格点进行目标区粗定位

图8 粗定位后自动精化量测所有靶标格

所有样本靶标量测完成之后，每张样本影像文件夹下会各生成一个* .corner文件，此文件记录每个样本提取量测的靶标格像平面坐标和其对应的物方坐标值，格式如图9所示。

图9 每样本影像自动量测记录的靶标测量文件

3.4 提取靶标点

点击“提取靶标点”按钮，自动提取合并所有样本的靶标量测* .corner文件为“all_corner.zt”文件，格式如图10所示。

图10 提取合并的所有样本影像靶标量测值

3.5 计算相机标定参数

点击“计算标定参数”按钮，读取3.4步骤提取合并的所有样本影像靶标量测值“all_corner.zt”文件，程序自动解算得到相机标定参数，“相机检校参数.txt”文件，见图11、图12。

图11 相机标定参数文件

图12 相机标定的精度结论

3.6 自动复测靶标点

点击“自动复测靶标点”按钮，读取3.5步骤生成的“相机检校参数.txt”文件，程序将自动复测精化量测所有样本影像的靶标，大大提高靶标量测的准确性和检校的稳健性。复测将重新生成每张样本影像对应的靶标量测文件*.corner文件，不同之处在于在影像名称后上自动添加了“_adjust”。可以重复3.4、3.5、3.6步骤直至得到较满意的相机标定参数文件。

3.7 剔除粗差靶标

点击“剔除粗差靶标”按钮，读取“相机检校参数.txt”文件，设置剔除粗差的参数（图13），程序将自动进行不断剔除观测值粗差，反复迭代计算，直至达到预置的精度条件[8]。

图13 粗差剔除参数设置

3.8 输出Australis检校工程

点击“本软件相机参数输出Australis工程”按钮，读取“相机检校参数.txt”文件，可以将本次检校工程完整等效地转换为Australis相机检校工程，可以将样本观测值在权威的Australis软件系统下进行解算（图14），得到Australis格式的相机参数[9]。

图14 Australis软件下恢复的相机摄站位置和姿态

3.9 训练改正映射模板

点击“设置其它检校参数训练改正模板”按钮，利用3.7和3.8步骤的相机参数，生成该相机的畸变改正模板影像作为该相机畸变的通用模型，软件界面如图15所示。利用该模板影像通过掩膜计算就可以很直接地得到该相机的无主点偏移，无透镜畸变的影像，简便地应用于后续的摄影测量工程和基于影像的三维视场重建工程[10]。

图15 生成相机畸变改正模板影像

4 结束语

本文以笔者在OPENCV开源视觉算法基础上设计开发的几何标定软件为依托介绍了索尼A5100相机的几何标定应用实例，理念先进，方法简单可靠，为普通数码相机的几何标定提供了完整的工作流程和软件方案。开发的软件界面友好，算法上创新性地采用靶标区手工粗定位来引导格点的自动精化量测的方法，大幅度提升软件自动量测靶标格点的准确性和成功率，算法鲁棒性好，检校结果能够与同行业权威软件结果互通参照，在机器视觉和无人机航摄工程领域有很强的实践意义和应用效益。

[1]袁枫,张继贤,齐维君,等. 非量测数字相机实验室几何标定[J]. 测绘学报,2016(5):601-607.

[2]杨阿华,李学军,魏勇,等.基于室外检校场的航空数码相机检校方法[J]. 装备学院学报,2014(3):77-82.

[3]王浩,许志闻,谢坤,等.基于OpenCV的双目测距系统[J]. 吉林大学学报(信息科学版),2014(2):188-194.

[4]王海涛,洪亮,谭成国. 一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取算法[J]. 测绘通报,2016(12):33-38.

[5]郭辉,李天子,徐克科.数码相机畸变差模型中不同参数组合对物方坐标精度的影响[J]. 工程勘察,2012(9):62-64,68.

[6]“速”、“质”兼顾完美成像:国土资源航遥中心制图部HP Designjet4000试用体验[J]. 地理信息世界,2005(3):58.

[7]管焱然,管有庆. 基于OpenCV的仿射变换研究与应用[J]. 计算机技术与发展,2016(12):58-63.

[8]江克斌. 论迭代思维[J]. 工程兵工程学院学报,1987(4):75-76,59.

[9]张本昀,吴晓明,喻铮铮,等. 非量测型相机检校及可靠性研究[J].测绘科学,2008(S1):84-86,94.

[10]谢梓威,范冲,张云生. 一种结合纹理择优算法的影像三维重建方法[J]. 测绘科学,2017(1):101-106.

张涛（1983— ），男，汉族，注册测绘师，主要从事摄影测量与遥感技术的工程应用与开发。E-mail:handsup123@163.com