相機標定含義（解決什么是相機標定）

在圖像測量過程以及機器視覺應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機參數(shù)。

在大多數(shù)條件下這些參數(shù)必須通過實驗與計算才能得到，這個求解參數(shù)的過程就稱之為相機標定（或攝像機標定）。

相機標定意義（解決為什么要進行相機標定）

計算機視覺的基本任務(wù)之一是從攝像機獲取的圖像信息出發(fā)計算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識別物體，而空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系是由攝像機成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機參數(shù)。

在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實驗與計算才能得到。無論是在圖像測量或者機器視覺應(yīng)用中，相機參數(shù)的標定都是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其標定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響相機工作產(chǎn)生結(jié)果的準確性。

因此，做好相機標定是做好后續(xù)工作的前提，提高標定精度是科研工作的重點所在。

常用相機標定的方法

相機標定方法有：傳統(tǒng)相機標定法、主動視覺相機標定方法、相機自標定法。

攝像機相對于世界坐標系的方位。標定精度的大小，直接影響著計算機視覺（機器視覺）的精度。

迄今為止，對于攝像機標定問題已提出了很多方法，攝像機標定的理論問題已得到較好的解決，對攝像機標定的研究來說，當前的研究工作應(yīng)該集中在如何針對具體的實際應(yīng)用問題，采用特定的簡便、實用、快速、準確的標定方法。

傳統(tǒng)的標定方法這里不再贅述，相機坐標系轉(zhuǎn)換如下：

相機坐標系是以 X ，Y，Z三個軸組成的且原點在 C點；

像平面坐標系是以 x，y兩個軸組成的且原點在 p 點；

圖像坐標系一般指圖片相對坐標系，在這里可以認為和像平面坐標系在一個平面上。

使用衍射光DOE設(shè)備提出相機標定的新維度，通過平移不變的特性，只需一張圖片即可進行標定。

為了在機器視覺中使用基于相機的測量，高精度幾何相機校準是絕對必要的。目標是確定將 3D 世界坐標映射到 2D 圖像坐標所需的內(nèi)部相機參數(shù)。

常見的方法是使用預(yù)定義的校準網(wǎng)格進行攝影測量校準 d和r，再通過最小化非線性誤差函數(shù)來估計相機參數(shù)需要多個不同方向的觀測。

由于有限的網(wǎng)格大小，該技術(shù)或多或少限于近距離相機校準。另一種適用于遠場相機校準的方法使用準直儀-測角儀布置來照亮一組單個像素 ( n × m）。知道準直光的方向，就可以估計相機參數(shù)d和投影d'，他們提供了對相機校準關(guān)鍵發(fā)展的更全面總結(jié)。

此處報告的校準程序結(jié)合了校準網(wǎng)格排列和單像素照明的特殊優(yōu)勢。通過使用衍射光學(xué)元件作為分束器，只需要一張具有n × m衍射點的圖像來估計內(nèi)部相機參數(shù)。

衍射光學(xué)元件 (DOE) 可用于將波長為λ的入射激光束分成許多具有眾所周知的傳播方向的光束。由于傳感器上的圖像是夫瑯禾費衍射圖案，因此每個投影圖像點代表無窮遠處的一個點，在 3D 投影空間 P 3 中由齊次坐標d =[ X , Y , Z ,0] T 表示，其中

（1）

f=(fx,fy)表示在 DOE 中編碼的空間頻率。

上面公式僅當入射光波是具有均勻強度分布的平面波時才有效，完全垂直于 DOE 表面。在實際設(shè)置中，光束的延伸是有限的，并且通常具有不均勻的強度分布，通常是高斯分布。此外，很難避免 DOE 相對于入射光束的輕微傾斜。

加入入射角度進行計算

（2）

用角α和β在準直器坐標系下旋轉(zhuǎn)DOE坐標系的x軸和y軸。衍射光束的方向現(xiàn)在得到如下

（3）

在DOE坐標系中，通過簡單的矩陣運算直接計算衍射光束的方向，因此我們將省略由此得到的有些冗長的表達式。
為了將光束方向轉(zhuǎn)換為攝像機坐標系，需要考慮攝像機在DOE坐標系下的外部方向:

（4）

其中 R 是定義相機方向的 3×3 旋轉(zhuǎn)矩陣，t是相機位置的平移向量。公式（4）表明，無限遠理想點的映射對于平移是不變的，這是計算步驟的必要條件。與經(jīng)典校準網(wǎng)格相比，這也是一個很大的優(yōu)勢，因為只需要一張圖像就足以校準，因此需要估計的參數(shù)更少。

相機對衍射光DOE拍攝實例

這里描述了一種幾何傳感器校準的新方法，該方法使用定制的衍射光學(xué)元件作為具有精確已知衍射角的分束器。由于衍射光束的虛擬源是無限遠的點，因此被成像的物體類似于星空，這使得圖像具有平移不變性。

與棋盤格測量數(shù)據(jù)對比示例

這一特殊功能允許使用單個圖像進行完整的相機校準，避免復(fù)雜的束調(diào)整，從而實現(xiàn)非常快速和可靠的校準過程。

取得的結(jié)果與使用針孔相機模型和徑向畸變模型的經(jīng)典相機標定一致。我們的分析中也包含了偏心失真，但結(jié)果沒有改善。

結(jié)果表明，可以獲得一個可靠的解決方案，它允許將內(nèi)部方向的參數(shù)與 DOE 的旋轉(zhuǎn)和相機的外部方向分開。因此，校準設(shè)置組件的復(fù)雜對準不是必需的，這簡化了校準過程并且原則上允許現(xiàn)場校準。

審核編輯 ：李倩