机器人原理与实践单目摄像头标定与单目测距

Posted 2021-06-16 与光同程

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了机器人原理与实践单目摄像头标定与单目测距相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

摄像头标定

摄像头标定

我们可以想到在单目测量中我们在图像中找到某个目标以后可以获得的是一组像素的坐标，对于这样的一组像素并没有与实际空间中的转换关系，所以我们使用视觉传感的第一步就是尝试进行视觉标定，将图像中的坐标转换为实际的坐标。

摄像机标定(Camera calibration)简单来说是从世界坐标系转换为相机坐标系，再由相机坐标系转换为图像坐标系的过程，也就是求最终的投影矩阵的过程。即：世界坐标系 --> 相机坐标系 --> 图像坐标系 --> 像素坐标系
世界坐标系(world coordinate system)：用户定义的三维世界的坐标系，为了描述目标物在真实世界里的位置而被引入，单位为m。
相机坐标系(camera coordinate system)：在相机上建立的坐标系，为了从相机的角度描述物体位置而定义，作为连通世界坐标系和图像/像素坐标系的中间一环。单位为m。
图像坐标系(image coordinate system)：为了描述成像过程中物体从相机坐标系到图像坐标系的投影透射关系而引入，方便进一步得到像素坐标系下的坐标，单位为m。
像素坐标系(pixel coordinate system)：为了描述物体成像后的像点在数字图像上（相片）的坐标而引入，是我们真正从相机内读取到的信息所在的坐标系。单位为个（像素数目）。

4.1 单目相机的建模

4.1.1 图像坐标系到像素坐标系的转换

像素坐标系和图像坐标系都在成像平面上，只是各自的原点和度量单位不一样。图像坐标系的原点为相机光轴与成像平面的交点，通常情况下是成像平面的中点。图像坐标系的单位为mm，属于物理单位，而像素坐标系的单位是pixel，我们平常描述一个像素点都是几行几列。所以这两者之间的转换如下：其中dx和dy表示每一列和每一行分别代表多少mm，点（u，v）为像素坐标系上的点，对应的图像坐标系上的点为（x，y）。

在这里插入图片描述

4.1.2相机坐标系到图像坐标系的转换

设内参矩阵 K，相机坐标系 Q(Xc,Yc,Zc)，投影图像坐标系 q ( x , y )。

在这里插入图片描述

4.1.3 合并矩阵

在这里插入图片描述

分析这个公式，我们发现当我们知道世界坐标求解这个坐标在图片上的位置是一定可以求解出来的，但是当你获取到了图像上的坐标要求解这个位置在实际的坐标的时候，就会求不出来。这个就是没有深度信息的原因。这个时候我们需要建立一个模型，基于摄像头在显示中的位置，和主要的成像位置，可以直接通过像素算出距离信息。

4.2 固定向下摄像头标定

在这里插入图片描述

从上面的计算公式我们不难发现，在已知u，v的情况下，我们实际上是无法得出所在的位置相对于摄像头的坐标的，这是因为我们在某些情况下是必较难以获取所在位置的深度。简单的说就是单独的一个摄像头无法在不结合外部信息的情况下直接获取三维信息。在这种情况下可以有一种较为简单的方法，就是固定Z信息，就是对于图像上每一个点所有对应的Z都是固定的并且是已知的。

在这里插入图片描述
固定向下的矩阵计算是基于相机标定的一种特殊情况：