多视点视频中多摄像机联合标定研究

摘要

摄像机标定是计算机视觉领域的一项关键技术，是从二维(2D)图像提取三维(3D)空间信息必不可少的步骤，这项技术已被广泛应用于3D结构重建、导航、视觉监控等领域。多视点视频系统视频源端的多路视频信号是由摄像机阵列对同一场景从不同角度拍摄得到，摄像机阵列的标定参数是多视点视频编码需要传输的参数，应用于解码端的图像绘制，因此多摄像机标定是多视点视频系统的重要环节。 本文对摄像机标定技术进行了全面的分析与概括，以视觉系统所用摄像机数目为主线，从单摄像机标定、双视摄像机标定和多摄像机标定三个方面研究了摄像机标定问题及其在多摄像机联合标定中的应用。主要工作及取得的成果如下： 简要介绍了摄像机标定的基本原理，概括了直接线性变换方法、利用透视变换矩阵标定法和Tsai两步法等传统摄像机标定方法。通过总结得出：当不考虑摄像机成像过程中镜头的非线性畸变时，摄像机标定所解决的问题是通过解超定线性方程组得到标定参数。当考虑非线性畸变时，通过非线性优化算法获得标定参数。 对基于平面模板的单摄像机标定方法进行了实验研究，用于单独标定多摄像机系统中的各个摄像机。根据模板平面和其成像平面之间的单应性关系对摄像机内参数矩阵的约束，求解出摄像机的内部参数以及摄像机和模板平面之间的位置关系。实验结果表明该方法可以较好地获得各个摄像机的内部参数。 用立体视觉中的双视摄像机标定方法实现多视点采集系统的多摄像机标定。与单摄像机标定不同，双视摄像机标定除了要得到各个摄像机的内部参数外，还需要通过标定得到双摄像机之间的相对位置关系。本文首先实现了双视摄像机立体标定，以某一个模板平面作为一个固定的世界坐标系，在设定参考摄像机后，通过重复进行立体标定，将双视摄像机标定扩展到多摄像机标定，求得各摄像机的位置关系。但是，这种方法也带来了不一致性问题。 最后重点研究了多摄像机联合标定方法，在讨论了点标定、一维标定及二维标定等多摄像机标定方法的基础上，提出一种基于多视定位算法的多摄像机标定方法。标定过程只需一块可自由移动的平面模板即可，利用约束优化思想，将各摄像机坐标系转换到参考摄像机坐标系下，从而得到摄像机之间相对位置关系。实验结果表明基于多视定位的多摄像机标定方法的标定精度优于两两立体标定方法，且标定操作过程简单，易于实现，可用于计算机视觉系统中摄像机阵列的标定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 摄像机标定技术的国内外研究概况

1.3.1摄像机标定技术含义

1.3.2国内外研究概况

1.4 论文的主要研究内容及结构

第二章摄像机标定的基本原理及方法

2.1摄像机标定的基本原理

2.1.1参考坐标系

2.1.2摄像机的线性模型

2.1.3摄像机的非线性模型

2.1.4需要标定的参数

2.2传统摄像机标定方法

2.2.1直接线性变换方法(DLT方法)

2.2.2利用透视变换矩阵的标定方法

2.2.3 Tsai的两步法

2.3本章小结

第三章基于平面模板的单摄像机标定

3.1引言

3.2基本投影方程

3.3平面模板与其图像的单应性及单应性矩阵求解方法

3.4标定参数的求解

3.5最大似然估计

3.6实验结果及分析

3.7本章小结

第四章 双视摄像系统标定

4.1引言

4.2双摄像机立体成像原理

4.3双摄像机立体视觉标定原理

4.4实验结果及分析

4.5本章小结

第五章基于多视定位算法的多摄像机标定

5.1引言

5.2多视点视频摄像系统的构成

5.3多视点视频摄像系统的标定方法

5.3.1点标定方法

5.3.2一维标定方法

5.3.3二维标定方法

5.4多视采集系统的线型摄像机模型

5.5多视定位算法

5.5.1多视定位数学基础

5.5.2多视定位算法原理

5.6多摄像机内外部参数全局优化

5.7实验结果和分析

5.7.1实验方案设计

5.7.2实验结果及分析

5.8本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致 谢