摄相机标定的基本原理

news2025/3/9 11:09:51

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相机模型：

定义：

内参：就像相机的“眼睛”。它描述了相机内部的特性，比如焦距（镜头的放大能力）、主点位置（图像中心）等。简单说，这些参数决定了相机如何把外界景物映射到图像上。

外参：可以看作相机在“房间”里的位置和朝向。它描述了相机相对于实际世界（例如房间、街道）的摆放位置和角度，告诉我们相机看世界的角度和方向。

畸变参数：就像眼镜的“矫正”作用。由于相机镜头的设计缺陷，拍出来的图像会有些弯曲或失真（比如直线看起来弯曲）。畸变参数就是用来校正这种失真，使图像更接近真实场景。

坐标系：

世界坐标系：代表物体在真实世界里的三维坐标，坐标系用 $X_{w},Y_{w},Z_{w}$ 表示

拍摄物体时，需要将世界坐标系的物体通过刚体变换转移到相机坐标系下

相机坐标系：代表以相机光学中心为原点的坐标系，相机光轴与 $z$ 轴重合，坐标系用 $X_{c},Y_{c},Z_{c}$ 表示

图像坐标系：代表相机拍摄图像的坐标系，原点为相机光轴与成像平面的交点，是图像的中心点，坐标系用 $X,Y$ 表示

像素坐标系：由于图像的基本单位是像素，所以该坐标系是图像上点在图像存储矩阵中的像素位置，坐标原点在左上角，坐标系用 $u,v$ 表示。前三个坐标系的单位是毫米，而最后一个坐标系的单位是像素

坐标系变换：

世界坐标系到相机坐标系的变换：世界坐标系是真实世界的基准坐标系，需要知道相机坐标系下的点在真实世界中的位置，利用齐次坐标变换矩阵

相机坐标系到图像坐标系的变换：该变换可以看作是简单的射影变换（将相机看作小孔成像的模型），将三维坐标变换成二维坐标。其中 $f$ 为相机的焦距

图像坐标系到像素坐标系的变换：设图像x方向每毫米有 $f_{x}$ 个像素，y方向每毫米有 $f_{y}$ 个像素，则有：

其中， $c_{x},c_{y}$ 是图像坐标系原点在像素坐标系下的坐标

相机畸变模型：

一般只考虑径向畸变k和切向畸变p

其中， $r^{2}=x^{2}+y^{2}$

畸变与和原图像点的距离点有关系，若k＞0，则为枕型畸变

相机标定：

相机标定参数包括内参和外参

建立目标函数：

三维点 $\widehat{m}$ 和二维展示出来的图像上的点是一一对应的，三维点经过投影 $(A,R_{i},t_{i},M_{j})$ 等一系列操作得到图上的点（用红色实心点表示）

$m_{ij}$ 为已经拍摄通过角点提取等方法计算得到的二维点

通过相机模型得到目标函数，优化参数，使二维点和三维点重合，或最优化为最小

缺点：优化量过多，若初始值不好，容易陷入局部最优

张氏标定法：

原论文：A Flexible New Technique for Camera Calibration

详解及代码：【三维重建】摄像机标定（张正友相机标定法）_张正友标定法-CSDN博客

通过上述提到的目标函数得到很好的解，用于初始值和最优化

假设平面在世界坐标系下为 $Z=0$ ，标定板为 $Z=0$

$Z=0$ ，因此 $r_{3}$ 不起作用，可以将其去除掉

$A$ 表示所有相机内参数的矩阵，将 $A[r_{1\, }\, \, r_{2\, }\, \, t]$ （内参乘外参的矩阵）称为 $H$ ，表示一个平面和另一个平面的映射关系，可以通过两个平面求得，为已知量

推导：

H为

$[r_{1\, }\, \, r_{2\, }\, \, t]$ 为刚体变换矩阵，是 $\begin{bmatrix} R &t \\0 &1 \end{bmatrix}$ ，其中R为正交矩阵，列向量模长为1，由此可以得到：

① $r_{1}$ 垂直于 $r_{2}$

② $r_{1}$ 的模等于 $r_{2}$ 的模

得到下面的方程：

进行计算和公式推导：

最终得到：

v已知，b为相机内参的未知量组合

一张照片可以提供一个2*6矩阵，至少需要三张照片，可以确定b的唯一，越多照片越可以确定，形成冗余方程，更具有稳定性

再使用目标函数，对最小二乘进行优化

一些改进：

Accurate camera calibration using iterative refinement of control points

1.明确张正友的方法没有限制棋盘格或者圆环

2.圆环与棋盘格的优缺点分别是什么？（圆的标定结果和精度大于方形）

圆环与棋盘格：

圆检测精度高，表现为中心拟合精度高，但是具有偏心误差

棋盘格检测精度低，但是不存在偏心误差

偏心误差：空间中两条直线的交点的投影为其投影直线的交点；而圆的中心投影不等于投影椭圆的中心（解决方法见下方论文）

Quasi-eccentricity error modeling and compensation in vision metrology

使用情况：若知道如何纠正偏心误差，使用圆的精度更高；若不知道，则使用棋盘格

标定实际操作：

1.操作

OpenCV有现成函数，如果想更方便需要自己编写一个GUI界面

error = cv::calibrateCamera(object_points,image_points,imageSize,cam_intr_para,distCoeffs,rvecs,tvecs);

2.拍摄机位和数量选择

最少拍三张，三张后达到稳定，常用为十几张到二十几张

相机正常拍摄，沿光轴旋转，需要顾及边界参数和畸变参数

3.标定结果和评判标准

使Re-projection error误差最小（二维角点减三维点投影）

该标准已成为相机标定误差的标准

重投影误差：

①图像（角点）检测精度，如果2d角点检测不准，会直接造成重投影误差，需要找到一个精度高鲁棒性的算法

②相机本身存在成像噪声

③相机分辨率，5000*3000和1000*600的相机在同情况下，前者的误差更高

④相机本身的最优化算法

其他评判标准：

三维重建：

若拍摄10组照片，得到内参数矩阵A和外参数矩阵Rt（10张照片对应10个Rt）；假设其中一张照片的标定照片如下图：

在标定结束后，A、R、t都是已知的；取标定板上的左上角和右下角两个角点应该一致，按照R、t、A（内参和外参）将3d标定板上的这两个角点重新投影到图像上的两个点

4.应用

单目：

pnp问题：已知n点的对应关系，如何求解它的R和t（已知内参数，求解外参数）

设有一个立体标版，希望得知立体标版与2d图像的转换关系

opencv中有现成的函数

双目测量

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