基于HALCON软件的单摄像机标定方法研究

中国科技信息２０１　４年第０３，０４期合刊・ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｆｅｂ　２０１４　信息科技　基于ＨＡＬＣＯＮ软件的单摄像机标定方法研究　崔帅锋　Ｉ．郑，Ｊｑ’Ｉｍ．民广播电台，河南郑州４５００１　８　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃａｍｅｒａ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＨＡＬＣＯＮ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｃｕｉ　Ｓｈｕａｉｆｅｎｇ　Ｚｈｅｎｇ　Ｚｈｏｕ　Ｐｅｏｐｌｅ’ｓ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　ＳｔａｔｉｏｎＺｈｅｎｇ　Ｚｈｏｕ　４５００５２，Ｃｈｉｎａ　，崔帅锋　回　越　回　崔帅锋，男　１　９８０　年出生．毕业于郑　卅ｌ大学，研究方向　为计算机科学与技　术在广播电视音视　频工程中的应用．　从事技术研发、应　用工作。　摘要　摄像机标定是计算机视觉技术的重要研究内容，本文基于ＨＡＬＣＯＮ软件对单摄　像机的标定方法进行了研究。文中首先对摄像机模型作了简要的介绍，然　后详细阐述了ＨＡＬＣＯＮ软件中关于摄像机标定的一些函数，最后给出了示例程　序。　关键词　计算机视觉；单摄像机标定；ＨＡＬＣＯＮ软件　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃａｍｅｒａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｖｉｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｂｏｕｔ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃａｍｅｒａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＨＡＬＣＯＮ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．　Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｃａｍｅｒａ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｓｏｍｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｃａｍｅｒａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＨＡＬＣＯＮ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｌａｓｔｌｙ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｖｉｓｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ　ｃａｍｅｒａ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ＨＡＬＣＯＮ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＤＯＩ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１　００１－８９７２．２０１　４．ｈ３．０３２　．引言　计算机视觉研究的目标是通过计算机对采集到的图像　或视频进行处理，从而实现对客观世界三维场景的认知，　Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｖｉｓｕａｌ　ｂａｓｉｃＳＨＤｅｌｐｈｉ等多种编程语言进　行访问。本文主要采用最新的ＨＡＬＣＯＮ１　１．０版本软件对摄　像机参数进行标定。　并从中获取所需的信息用于物体识别和重建。在实际应用　中，为了确定空间某点的三维位置与其在图像中对应点之　间的关系，必须了解摄像机成像的几何模型，从而对摄像　机的内外参数进行标定［１－２】。　目前对摄像机参数进行标定的软件很多，如　１摄像机模型和参数　摄像机模型指如何将世界坐标系中的某点通过摄像　机、镜头和图像采集设备映射到二维图像中，其成像过程　即对空间点的投影变换［３］。使用ＨＡＬＣＯＮ软件可对两种不　同类型的摄像机进行标定：面阵摄像机和线阵摄像机。在　机器视觉中，有两种不同类型的摄像机镜头，一种镜头和　ＭＡＴＬＡＢ、０ｐｅｎＣＶ及ＨＡＬＣＯＮ软件等。ＨＡＬＣＯＮ软　件是德国ＭＶＴｅｃ公司开发的一套完善的机器视觉算法　包，它节约了产品开发成本，缩短了开发周期，其灵活　的架构便于机器视觉、医学图像和图像分析应用的快速　开发。ＨＡＬＣ０Ｎ支持多种操作系统，其函数库可以用　人眼相似，通过透视投影从世界坐标转换到图像坐标，这　种镜头和摄像机一起组成针孔摄像机模型；另一种为远心　镜头，它通过平行投影将世界坐标转换到图像坐标。以下　１０５—　一信息科技　主要介绍针孔面阵摄像机模型。　１．１摄像机标定中的各种坐标系［４］　中国科技信息２０ｊ４年第ｏ３，。４期合刊・ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｆｅｂ．２０１４　图１表示了针孔面阵摄像机的投影透视模型，其中各　坐标系介绍如下。　，　为　卜　其中‘　也称为三维位姿或相似变换矩阵。一个位姿　像平两坐标系　用六个参数来描述刚性变换，三个旋转参数（　，　，　），　三个平移参数（‘，，Ｊ　，，：），这六个参数被称为摄像机的外　部参数。　对于针孔摄像机模型来说，摄像机坐标系中的三维点　黼像嫩标系（＾ｃ）　，　）　到图像平面坐标系的投影为投射投影，可用下式表示：　摄像机镜　光心　摄像机坐标系（　，ｙｃ，ｚ　）　（　实际应用中，由于镜头畸变的存在会使坐标（　）发　生变化，图２为镜头畸变图示，如果镜头没有畸变，投影　点Ｐ，将在点Ｐ与光心连线的延长线上，镜头畸变导致Ｐ　的　位置发生了偏移。对于大多数的镜头，这个畸变可以用下　式表示：　（　南ＣＣＤ传感器　㈢　其中　表示径向畸变系数。　界嫩标系（　，Ｊ　”，：　）　图１针孔面阵摄像机的投影透视模型　（１）世界坐标系（　，．ｙ　，ｚ　）：任意的空间三维坐标　系。　光心　（２）摄像机坐标系（　，　，　）：坐标系的原点定义　在摄像机镜头的光心，ｚ轴沿光轴方向且与图像平面垂　直，Ｘ轴和ｌ，轴分别与图像平面的水平轴和垂直轴平行。　光轴与图像平面交点０，（　，　）为图像主点。　（３）图像平面坐标系（“，ｖ）：以图像主点０　（‰，ｖｏ）为　坐标原点，　轴和ｌ，轴分别与摄像机坐标系的　轴和】，轴平　行，是二维平面直角坐标系。　（４）图像坐标系（ｒ，ｃ）：计算机帧存坐标系，一般以　像素为单位。　１．２摄像机成像模型　●尸　图２镜头畸变图示　图像平面坐标系到图像坐标系的转换可由下式表示　＋Ｃ．　，在图ｌ中，世界坐标系中的某点ＪＰ通过镜头的光心投影　到图像平面的Ｐ，点，图像平面位于镜头光心后端，处，，　是镜头的焦距。从世界坐标系到摄像机坐标系的转换是刚　性转换，可由下式表示：　蚤＋Ｃ　其中，　和　是缩放比例系数，对于针孔摄像机而　言，它们表示摄像机ＣＣＤ传感器中各个传感器单元在水平　方向和垂直方向的距离。点（　，　）是图像中一个非常重　㈩　』　ｊ　其中，Ｒ为旋转矩阵，ｒ为平移矩阵。齐次坐标表示　一ｌ０６—　信息科技　［口国稿｝技瘩恩２０１　４年鬻０３，０４期合刊ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｆｅｂ．２０１４　Ｅｒｒｏｒｓ：以像素为单位的平均误差。　２．３示例程序　利用上述ＨＡＬＣＯＮ软件的函数进行单摄像机标定的　示例程序如下：　ｌｉｓｔ＿ｆｉｌｅｓ（＇Ｅ：／ｈａｌｃｏｎ／标准角度　，　【　ｆｉｌｅｓ　，　ｆｏｌｌｏｗ—　ｌｉｎｋｓ　］，ＩｍａｇｅＦｉｌｅｓ）　ＮＲｏｗｓ：＝［］　ＮＣｏｌｕｍｎｓ：＝ｌ　Ｉ　ＮＳｔａｒｔＰｏｓｅｓ：＝ｌ｝　ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＩｎｄｅｘ：＝０　ＳｔａｒｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ：＝［０．００８，０，５．２ｅ一００６，５．２ｅ一００６，　６４０，５１２，１２８０，１０２４Ｉ　ｆｏｒ　Ｉｎｄｅｘ：＝０　ｔｏ　ＪＩｍａｇｅＦｉｌｅｓｌ一１　ｂｙ　１　ｒｅａｄｉｍａｇｅ（Ｉｍａｇｅ，ＩｍａｇｅＦｉｌｅｓ［Ｉｎｄｅｘ］）　ｆｉｎｄ＿ｃａｌｔａｂ　（Ｉｍａｇｅ，ＰｌａｔｅＲｅａｉｏｎ，　Ｅ：／　智慧政府：大数据治国时代的来临　ｈａｌｃｏｎ／６０—６０．ｄｅｓｃｒ，３，ｌｌ２，５）　ｆｉｎｄｍａｒｋｓ　ａｎｄ—ｐｏｓｅ（Ｉｍａｇｅ，ＰｌａｔｅＲｅｇｉｏｎ，　Ｅ：／　ｈａｌｃｏｎ／６０—６０．ｄｅｓｃｒ　，ＳｔａｒｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ，１２８，１０，１８，０．９，　作　者：徐继华，冯启娜，陈贞汝　出版社：中信出版社　１５，１００，ＭａｒｋＲＯＷＳ，ＭａｒｋＣｏｌｕｍｎｓ，ＥｓｔｉｍａｔｅｄＰｏｓｅ）　出版时间：２０１　４—０２—０１　ＮＲｏｗｓ：＝ｆＮＲｏｗｓ，ＭａｒｋＲｏｗｓ］　Ｉ　Ｓ　Ｂ　Ｎ：９７８７５Ｏ８６４５９７７　ＮＣｏｌｕｍｎｓ：＝［ＮＣｏｌｕｍｎｓ，ＭａｒｋＣｏｌｕｍｎｓ］　所属分类：　ＮＳｔａｒｔＰＯｓｅＳ：＝［ＮＳｔａｒｔＰｏｓｅｓ，ＥｓｔｉｍａｔｅｄＰｏｓｅ］　图书＞政治／军事＞公共管理　ｅｎｄｆｏｒ　ｃａｌｔａｂｐｏｉｎｔｓ（　Ｅ：／ｈａｌｃｏｎ／６０＿６０．ｄｅｓｃｒ　，Ｘ，Ｙ，Ｚ）　ｃａｍｅｒａ＿ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＮＲｏｗｓ，ＮＣｏｌｕｍｎｓ，　现在　人类社会已经进入了一个全新的历史阶段——大数　ＳｔａｒｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ，ＮＳｔａｒｔＰｏｓｅｓ，　ａｌｌ　ｆ，ＣａｍｅｒａＰａｒａｍｅｔｅｒｓ，　据时代。人成为一切数据足迹的总和，人们的一切行为都以数　ＦｉｎａｌＰｏｓｅｓ，Ｅｒｒｏｒｓ）　据的形式被记录、被储存、被处理。　ｔｕｐｌｅｓｅｌｅｃｔｒａｎｇｅ（ＦｉｎａｌＰｏｓｅｓ，７￥Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｌｎｄｅｘ，　作为最大的数据占有者．政府掌握着社会方方面面的数　７　ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＩｎｄｅｘ＋６，ＣａｍｅｒａＰｏｓｅ）　据，但各部门间的数据没有进行高效整合，给政府管理和民众　ｓｔｏｐ　０。　生活带来了极大不便。　十八届三中全会将　推进国家治理的体系和治理能力现代　３小结　化　列为全面深化改革的总目标。而如何达成目标，　智慧政　府：大数据治国时代的来临》给出了符合时代发展的答案。本　目前，摄像机标定已广泛应用于＿三维重建、物体识　书首次将大数据与国家治理紧密结合，主张政府管理者应该具　别、机器导航、工、　检测等诸多领域，对其标定方法的研　备大数据思维。通过对数据的整理与分析，政府管理者可预测　究也在不断进行深入。本文利用ＨＡＬＣＯＮ软件对单摄像　民众的下一步公共服务需求，进而提供更加智能与高效率的管　机的标定方法进行了研究，研究表明，该方法操作简单，　理和服务．促进国家和社会发展。　运算速度快，开发周期短，具有良好的可行性。　《智慧政府：大数据治国时代的来临》认为，大数据不仅　是一种海量的数据状态及其相应的数据处理技术，更是一种思　维方式、一项重要的基础设施、一个影响整个国家和社会运行　的基础性社会制度。它是治理交通拥堵、雾霾、看病难、食品　参考文献　安全等　城市病”的利器　更将为政府打开了解社情民意的政　…１马颂德，张正友．计算机视觉一理论与算法基础［Ｍ］．北京　策窗Ｅｌ。打造平台的政府、服务导向的政府、开放的政府，即　科学出版社，１　９９８．　智慧政府。本书更在论述西方发达国家实施大数据战略的相关　（２］邱茂林，马颂德，李毅．　计算机视觉中摄像机标定综述　经验的同时，介绍了大量发展中国家的有效做法，更引入了网　自动化学报，２００１，２６（１）：４５—５５．　格化社会管理等具有中国特色的本土实践，使本书更具可操作　［３】曹建兰．摄像机标定若干问题的研究［Ｄ］．上海：华东师范大　性和借鉴意义。　学，２００８．　作者指出．大数据并不仅是一场技术变革，更意味着一场　［４］张铖伟，王彪，徐贵力．摄像机标定方法研究［Ｊ］＿计算机技　社会变革，而这种社会变革又伴随并呼唤着公共管理与公共服　术与发展，２０１　０，２０（１１）：１　７４—１　７９．　务领域的变革。　［５］罗珍茜，薛雷等．基于ＨＡＬＣＯＮ的摄像机标定［Ｊ］．电视技　大数据治国时代已悄然来临，一场改变世界格局和人类生　术　２Ｏ１　０　５４（４）：１　００－１Ｏ２．　活的大数据变革即将引爆。　－１０８