确定靶标拓扑关系的方法及可任意摆放的摄像机标定靶标

摘要

本发明属于图像测试技术领域，尤其是涉及确定靶标拓扑关系的方法及可任意摆放的摄像机标定靶标。为提供一种确定靶标拓扑关系的方法及可任意摆放的摄像机标定靶标。本发明采用的技术方案是：可任意摆放的摄像机标定靶标，在排列的小圆中，设置有排列采用对角放置的4个大圆，三个大圆的圆心位于一条直线，另一大圆的圆心在该直线以外，圆心在该直线以外的大圆标号为1号圆，距1号圆最近的大圆标号为3号圆，圆心位于一条直线的三个大圆中间的一个标号为0号圆，圆心位于一条直线的三个大圆剩余的一个大圆标号为2号圆，结合图像处理算法和矢量平行的判断很容易确定任意摆放位置的靶标的拓扑对应关系。本发明主要用于图像测试。

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉技术，图像测试技术领域，尤其是涉及确定靶标拓扑关系的方法及可任意摆放的摄像机标定靶标。

背景技术

靶标的设计是计算机视觉和图像测试技术的关键技术，决定了系统的测量精度和简易度。立体靶标制作复杂、成本高，实际应用中普遍采用平面靶标组建的虚拟空间靶标，所以平面靶标的设计也成为这个领域研究的热点技术。平面靶标的设计关键在于摄像机采集的平面图像上特征点的位置关系和实际特征点位置关系的对应，经常被称为拓扑对应问题。

在摄像机的Tsai标定模型中，靶标一般是正对传感器，所以使用靶标的间距倍数原则，即可确定拓扑对应。这种靶标在相对摄像机倾斜角度较大时，因投影变换使像面上的间距产生了变化，采用间距倍数原则容易产生错误的拓扑关系。而平面靶标在实际使用过程中，经常会碰到靶面不正对传感器的情况，例如双目摄像机系统的标定，两个摄像机要同时看到靶面，所以靶标肯定不能正对其中的某个摄像机；在Zhang的不确定视角摄像机标定过程中，要求靶标在传感器测量视场内任意摆放若干不同角度的位置；另外，在用平面靶标进行姿态测量时，靶面的放置也随物体的变动随机变化。所以很有必要设计一套任意摆放位置都能准确确定拓扑对应关系的靶标。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种确定靶标拓扑关系的方法及可任意摆放的摄像机标定靶标，以实现任意摆放靶标也能准确提取特征点的拓扑对应关系。本发明采用的技术方案是：一种可任意摆放的摄像机标定靶标，包括水平和垂直排列的小圆构成，在排列的小圆中，设置有排列采用对角放置的4个大圆，三个大圆的圆心位于一条直线，另一大圆的圆心在该直线以外，圆心在该直线以外的大圆标号为1号圆，距1号圆最近的大圆标号为2号圆，圆心位于一条直线的三个大圆中间的一个标号为0号圆，圆心位于一条直线的三个大圆剩余的一个大圆标号为3号圆。

一种确定靶标拓扑关系的方法，通过摄像机采集到权利要求1所说的标定靶标的图像，对该图像进行分析处理，确定靶标拓扑关系，包括下列步骤：

(1)预处理，去除噪声点，区分大圆和小圆

对采集得到的图像，分别进行二值化、轮廓提取：首先，设置较小的圆形度阈值CT控制，用于去除背景非圆形物体的影响；接着，对剩下的轮廓按照面积和周长大小进行分组，根据靶标的特征，小圆分组肯定是包含轮廓最多的那个，剩余的轮廓分别计算和小圆分组中每个轮廓的相似度和，其中和最小的四个轮廓确定为大圆，剔出其余轮廓；

(2)确定靶标方向

对于四个大圆，任一圆的圆心和其余三个的圆心组成三个矢量，如果它们分别不具共线性，则判定该任一圆为1号圆，其余三个圆的任两个圆心连线形成一个矢量，计算它分别与1号圆和三个圆心连线矢量的夹角，根据夹角的大小顺序可以分别确定出2号圆、0号圆和3号圆，以0号圆和1号圆连线为x轴，其垂直方向为Y轴，确定坐标系，同时标记0、1、2、3号圆的拓扑坐标值分别为(0，0)、(2，0)、(1，1)、(-1，-1)；

(3)寻找x＝0，x=1，y＝0，y＝-1四个轴上的小圆

遍历所有小圆，计算每个圆心和0号圆心的连线与X轴矢量的共线性，把共线的小圆归类到y＝0轴上的圆序列中，同时，利用其连线和0号圆与2号圆圆心连线的夹角大小判别是在正/负向上，原则是：夹角为锐角(＜90°)，则在正向上，反之在负向上；把这个圆序列按照到0号圆的距离排序，分别分配相应的拓扑坐标值；标记坐标为(1，0)、(1，-1)和(0，-1)的小圆分别为4、5、6号圆。在y＝0轴圆序列上找到标号为4号的小圆，同样遍历小圆，计算小圆圆心与2号圆心连线和4号小圆与2号圆心连线矢量的共线性，确定x＝1轴向上的圆序列；同样的，找到5、6号小圆，分别借助3号大圆圆心与5号小圆圆心连线矢量，分别借助0号大圆圆心与6号小圆圆心连线矢量，确定y＝-1和x＝0轴向上的圆序列；

(4)确定四轴之外其他小圆的拓扑坐标

首先把未标示的小圆拓扑坐标设为(0，0)，对于y＝0轴上的小圆A，搜索y＝-1轴上对应的x拓扑坐标值一样的小圆B，连接两圆心的矢量；同时搜索其余小圆圆心和A圆心连线与的共线性，共线的小圆的y拓扑坐标值设成和A的一致，按照这样的方法遍历y＝0轴上的圆序列；同理遍历x＝0轴上的圆序列，利用x＝1轴上的点，确定其余小圆的x拓扑坐标值；

(5)修正错误的拓扑坐标值

经过第4步的处理，对于横/竖向轴长短不一致的情况，小圆设定的拓扑坐标值可能会出现其中一维确定，而另一维没有被设定的错误情况，针对这种情况，进行以下修正：对于x坐标值为O的小圆，可以再次判断它和0号圆的连线是于Y轴矢量共线，若不共线则剔除，同理，对于y坐标值为0的圆，判断是否共线于x轴矢量；

(6)剔除不可靠圆

由于摄像机投影转换的影响，其中一些圆可能产生比较大的变形，成为不可靠圆，借助较高圆形度的阈值，对编号后的全部圆进一步去除；还可以设定合适的相似度阈值，使用其他圆和0号圆的相似度进一步剔除不可靠圆。

所说的共线性，是使用矢量夹角的正弦值进行判别：线段矢量和的夹角正弦值可以表示为：