CMOS网络摄像头标定方法研究

CMOS网络摄像头标定研究 科技信息2008年第35期SCIENCETECHNOLOGYINFORMATION1.CMOS网络摄像头与CCD摄像机的比较由于CMOS网络摄像头的价格只有几十元而主流CCD摄像机的价格一般在1000元左右因此在做工上CMOS网络摄像头比CCD摄像机要粗糙很多。首先CMOS网络摄像头的镜头一般是广角镜头非线性畸变很大其次CMOS网络摄像头需手工旋转镜头来调节焦距这样既不能保证所成的图像是最清晰的也会导致每次调完焦距之后透镜中心在感光芯片的投影位置发生变化而且偏离感光芯片中心较远。从感光芯片来看CMOS光电传感器与CCD电荷耦合器在速度、功耗、可靠性等11个方面有所不同。简单地说CCD电荷耦合器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合整个电路较为复杂在电荷转移的过程中既会发生电荷的丢失也会产生扫描和获取图像的时间误差。而CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号信号读取十分简单在采集光信号的同时就可以取出电信号还能同时处理各单元的图像信息也不存在因电荷转移而产生时间误差。2.摄像机标定摄像机获取图像时空间物体面的点最终投射到感应器的哪个点上是确定的但是由于无法进行直接而精确的测量所以只能用一个数学模型来近似地描述这一关系这个数学模型就是摄像机成像模型。模型中的参数有部分是未知的需要采用一定的方法来计算计算这些参数的过程称为摄像机标定。根据摄像机成像模型的不同摄像机标定方法又有线性标定方法和非线性标定方法之分。2.1摄像机成像模型理想的摄像机成像模型是光学中的中心投影也称为针孔模型。针孔模型假设物体表面的光都经过一个针孔而投影到像平面上即满足光的直线传播条件。针孔成像和透镜成像具有相同的成像关系因此可以用针孔模型作为摄像机成像模型。如图1所示。图1针孔成像模型图中椭圆表示镜头中心为O点。C1为成像平面所成图像为倒立图像。为观察和说明方便常用镜头前的平面C来表示成像平面两者是等效的。在建立针孔模型的过程中涉及四个坐标系世界坐标系OW-XWYWZW、摄像机坐标系O-XCYCZC、图像物理坐标系O1-xy和图像像素坐标系O2-uv。建立成像模型的过程实际就是确定空间一点P在图像像素坐标系中的坐标值uv与该点在世界坐标系中的坐标值XwYwZw之间的转换关系的过程。实际透镜成像系统不可能严格满足针孔模型会产生镜头畸变导致物体点实际所成的像与理想成像之间存在误差。主要的畸变误差分为三类径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变其中以径向畸变影响最大。在实际应用中应该尽量采用非线性模型来描述成像关系而且一般情况下只考虑径向畸变就足够了。带镜头径向畸变的非线性模型可用下式表达 Zcuv11dx0u001dyv0000111kr200011200001f0000f000010Rt0T1XwYwZw013.1式中uv为点的图像像素坐标ZC为点在摄像机坐标系的ZC轴上的值u0v0为O1在O2-uv坐标系中的坐标值dxdy分别为摄像机在X方向和Y方向上相邻感光单元中心间的距离r2x2y2xy为图像物理坐标k为径向畸变系数f是镜头的有效焦距ttxtytzT为平移向量0000TR为3×3单位正交旋转矩阵XWYWZW是点的世界坐标。2.2改进的Tsai两步法本文的摄像机标定方法是根据CMOS网络摄像头的特点在经典Tsai两步法的基础上进行改进而提出的。具体实现时先通过透视变换矩阵方法解出镜头成像平面的实际中心点坐标u0v0然后作为初值参与非线性优化搜索从而解出所有的内外参数。本文对Tsai两步法的改进可以概括为三个方面。1成像模型方面的改进。在经典Tsai两步法中对于图像像素坐标和图像物理坐标之间的关系考虑了更多的CCD摄像机条件 下的情形。提出的变换关系为usxx1X0vyYv032其中uv、u0v0、dx和dy的含义与式31中相同XdYd为图像物理坐标dx’dxNcx/Nfxcx为摄像机在X方向上的感光单元数fx为计算机在一行上采集到的像素数。sx是不确定比例因子它来源于摄像机扫描和获取图像时的时间误差4。由第2小节可知CMOS感光器件在读取信号时排除了CCD电耦合器件由于电荷一位一位地转移而产生的时间误差因此上式中的不确定比例因子sx就不应再引入。Tsai在论文中指出如果采用的不是CCD摄像机则cx和fx的值可以设为1。因此在CMOS网络摄像头标定时图像像素坐标和图像物理坐标之间的关系应该表示为Xx0vYyv03.32获取dx、dy方法的改进。由于参与标定计算的是摄像机实际工作分辨率下的像素坐标而实际工作分辨率是由计算机设置的因此摄像机感光芯片上感光单元中心间的物理距离也失去了意义。本文提出感光单元逻辑间距的概念即在计算机设置的分辨率下摄像机获取图像时感光芯片上为图像提供有效像素点的虚拟感光单元之间的距离。例如1280×960的摄像机在拍摄320×240的图像时每四个感光单元构成一个虚拟感光单元其中心间距就是感光单元逻辑间距。CMOS网络摄像头标定方法研究王秀坤1魏燚潍2李宁21.大连理工大学计算机科学与工程系辽宁大连1160232大连理工大学软件工程系辽宁大连11623【摘要】以CMOS光电传感器为感光芯片的网络摄像头的应用日益普及但仍然采用基于CCD摄像机的标定方法这导致标定精度不高针对这一问题对两种摄像机的特点进行了分析对比在经典的Tsai两步法基础上对摄像机成像模型进行了修正并优化了摄像机参数初值提出了适用于CMOS网络摄像头的标定方法。实验结果表明该方法提高了CMOS网络摄像头标定的精度在实际项目中的成功应用也验证了其正确性、精确性和可行性。【关键词】CMOS光电传感器网络摄像头摄像机标定?本刊重稿?407科技信息2008年第35期SCIENCETECHNOLOGYINFORMATION?经典的Tsai两步法认为dx和dy的值是已知的可以从摄像机说明书中获得。但是家庭中普遍使用的COMS网络摄像头的说明书中一般不提供这一值由于感光单元逻辑间距与计算机设置的图像分辨率有关所以也无法精确提供。但说明书中都会说明感光芯片的尺寸1/3英寸或1/4英寸等表示感光芯片对角线的长度有了这个值再结合计算机设置的图像分辨率就可以计算出感光单元逻辑间距例如计算机设置的图像采集分辨率是320×240感光芯片尺寸为1/4英寸由于摄像头采集的图像制式是43所以由勾股定理可以计算出感应器在水平方向的尺寸为5.08毫米垂直方向的尺寸为3.81毫米于是可得感光单元逻辑间距dxdy0.015875毫米3计算u0、v0初值方法的改进。虽然Tsai在其论文中指出u0v0在几个像素的误差范围内基本上不影响标定结果但本文的实验表明如果u0v0的值设为图像中心点的坐标标定结果会有很大误差这与摄像头做工不精致有关实际成像中心与图像中心偏差较大。因此u0v0的值改为用透视投影矩阵方法计算获得。具体标定时采用N个非共面点进行第i个点的图像像素坐标为udivdi相应的三维世界坐标为xwiywizwii12…N则标定过程分以下两步实现第一步求解旋转矩阵R平移向量T的txty分量第二步求解有效焦距ft的tz分量和透镜畸变系数k求出所有的参数之后就可以用式34计算校正之后的图像像素作标值 udud-u01kudi-u0dx2vdi-v0dy2u0vdvd-v01kudi-u0dx2vdi-v0dy2v03.43.实验步骤及结果图2标定参照物实验的步骤为1自制一个如图2所示的标定参照物2在前述算法原理基础上以visualC6.0为工具编写摄像机标定程序3调整摄像头和标定参照物的位置4获取图像利用圆心检测程序取得标定参照物上的特征点对应的图像像素坐标5运行 标定程序解出内外参数6利用立体视觉三维重构程序重建标定参照物所在空间附近其它点的世界坐标以重建后的坐标值与理论坐标值之间的空间距离作为衡量摄像头标定结果精度的依据比较标定结果实验采用的是深圳市田良电子有限公司生产的达克浩斯网络摄像头感应器尺寸是1/4英寸6mm镜头62度视角价格为35元每个标定完成之后对标定架周围空间中260个世界坐标值已知的点进行了采集和重构实验结果如表1所示表1重构结果比较线性标定方法是指透视变换矩阵方法经典Tsai两步法是指文献4中提出的标定方法半改进的Tsai两步法指用透视变换矩阵方法计算u0v0但仍然引入sx这一不确定比例因子结果表明在实验采用的CMOS网络摄像头条件下经典的Tsai两步法产生的误差甚至比线性方法还大已经无法接受了而本文提出的改进的Tsai两步法在各个参考指标下都有较理想的结果4结论由于CMOS网络摄像头具有与CCD摄像机不同的特性经典的Tsai两步法对于CMOS网络摄像头的标定已经不再适用因此本文在经典Tsai两步法的基础上提出了改进的Tsai两步法对摄像机成像模型进行了修正并改进了获取摄像头部分参数初值的方法实验结果表明改进的Tsai两步法对经典Tsai两步法的改进效果十分明显更加适用于CMOS网络摄像头的标定【参考文献】1王亮吴福朝基于一维标定物的多摄像机标定J自动化学报2007333225-2312熊平CCD与CMOS图像传感器特点比较J半导体光电20042511-43邱茂林马颂德计算机视觉中摄像机定标综述J自动化学报 200026143-594TsaiRogerYAversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracy3Dmac hinevisionmetrologyusingoff-shelfTVcamerasandlensesJIEEEJournalofRoboticsandAuto mation198734323-3445马颂德张正友计算机视觉—计算理论与算法基础M北京科学出版社1998作者简介王秀坤1945.11—女大连理工大学教授博士生导师魏燚潍男1982.8—大连理工大学硕士研究生李宁男198.8—大连理工大学硕士研究生。※基金项目本项目得到大连市科技及科技攻关基金项目编号06A14GX45的资助。责任编辑张新雷线性方法经典Tsai两步法半改进Tsai两步法改进的Tsai两步法最大误差198.2451541.17186.298147.975最小误差3.121244.230061.949053.70112平均误差47.78111124.549934.9119833.91173标准差36.93033201.623932.6875926.13434??上接第46页意度反之如果不认真于只攻心于其它因素甚至投机取巧取得学生的“好评”就会本末倒置既违背了传授知识的真谛也会只是此一时而非彼一世三、结语本文对课堂教学设计与课堂满意度的关系进行了较为深入的研究得出了课堂教学设计是影响学生课堂满意度的主要指标并指出了其核心影响因素同时也分析得出其他因素是影响课堂满意度的重要辅助指标不可疏忽以课堂教学设计为主的课堂满意度问卷对教师的教学将起到明显的促进作用诚然调查存在着一定的局限但这不影响本文的分析结果也为今后进一步的深入扩展分析奠定了基础【参考文献】1陈萍.教育服务对象满意度调查指标体系设计与实证分析J.温州职业技术学院学报200661:73-76.2李星亮.课堂教学满意度调查设计和分析J.外语与外语教学20076:25-27.3张剑平主编.现代教育技术理论与应用M.北京高等教育出版社2003.84作者简介刘璇975—东莞理工学院成人教育学院讲师主要研究方向会计学、教学管理。谭伟97—东莞理工学院计算机科学与技术系讲师华南理工大学机械工程学院博士研究生。研究方向企业管理信息化、计算机辅助制造。※基金项目:东莞理工学院教改基金资助E65908。责任编辑张慧?本刊重稿 ?4082012-05-192012-05-192012-05-192012-05-192012-05-192012-05-19file:///C/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt通信/电子电脑、 杂志、 会议、 劳动、 生活休闲、 考试、 股票 file:///C/Users/Administrator/Desktop/新建文本文 档.txt2012/7/5 12:11:23