數碼相機標定過程中控制場的建立

楊姍姍 吳 亮 王 樂

(1.河北聯合大學遷安學院，河北 遷安 064400； 2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100000)

數碼相機標定過程中控制場的建立

楊姍姍1吳 亮2王 樂1

(1.河北聯合大學遷安學院，河北 遷安 064400； 2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100000)

介紹了數碼相機室內控制場的建立方法，對利用液晶顯示器制作二維控制場存在的問題進行了研究，并探討了像點坐標的提取方法，指出該控制場制作簡單，制作費用較低，適用于數碼相機的標定工作。

二維控制場，數碼相機，相機標定，測量

0 引言

對于相機的標定很多參考文獻都是基于三維控制場進行相機標定。其主要優點在于可以利用單張像片實現相機標定、算法穩定快速、不需要初值信息等。主要的缺點是制作困難、成本高、占地大、不易圍護，不利于普通用戶廣泛建設和使用。相對于三維控制場，二維控制場的標定算法流程復雜，但是其占地少、成本低，易于普通用戶的廣泛使用和建設。

1 二維控制場的建立

二維控制場有著很高的便利性，所以近年來的相關研究主要集中在二維控制場的基礎上。所謂的二維控制網一般是指建立在高平整度平面上的平面控制格網。基于平面格網的標定方法最早是由張正友在1998年提出。2002年張永軍采用工業制造手段和坐標量測儀量測建立了高精度的平面標定格網。2004年馮文灝利用繪圖桌在聚酯薄膜和裱板玻璃上制作了二維控制場。但是其又在之后的文獻中指出這種方法沒有顧忌聚酯薄膜粘貼時的不平度和裱板玻璃本身的不平度，不能視為真正意義上的二維平面控制場。在此基礎上他又提出了準二維控制場的建立方法，首先測量二維控制場中控制點的三維坐標，建立準二維控制場，然后利用相機和控制點的相對位置將準二維控制場變換至真二維控制場。這種方法的優點在于比較嚴密的解決了平面的不平度問題，并且使得建立大面積高精度二維控制場成為可能。但是這種方法需要利用高精度全站儀測量大量點位的三維坐標，和三維控制場的建立一樣，這就大大地增加了控制場制作的復雜程度。

上面介紹的二維控制場都是建立在特有物體之上的，可移植性較差。2006年詹總謙首先提出了在液晶顯示器上建立二維控制場的方法，其利用相應的程序可以在任意液晶顯示器上建立高精度的控制場。并且擁有小巧、幾何變形趨近完美、無閃爍、價格便宜等優點。其缺點主要集中在色彩表現差、可視角度小、對比度差等方面。在文獻中詹總謙又提出了液晶顯示器不平性對于標定結果的影響，利用控制點殘差建立回歸分析函數對LCD不平性進行修正，從而提高了標定精度。可見雖然LCD的平整度已經達到了工業級水平，但是仍然不能忽略。

經過搜集相關資料和實驗本文認為利用LCD制作控制場還存在其他問題：

1)LCD的顯示以像素為單位，每個像素的大小約為0.3 mm，即使使用亞像素的定位手段，其最終的像點坐標提取精度有待進一步研究；

2)幾何精度沒有直接測量數據，目前的文獻中以LCD是接近完美的幾何體為前提，在此基礎上利用殘差推算其不平性，但是沒有直接的測量數據支持；

3)目前生產較大尺寸的LCD依然比較困難且價格較高，并且對于大尺寸的LCD顯示器，其平整度很難得到保證。如果使用較小尺寸的顯示器，必須拍攝較多的圖像，增大標定算法的復雜性；

4)液晶顯示器液晶表面覆蓋有0.6 mm～0.7 mm的鋼化玻璃和多層偏光片，當光線經過時其折射現象導致的坐標位移，還沒有相關文獻進行詳細的研究。

所以本文認為利用LCD進行控制場的制作還是存在一些問題的，在之后的實驗中將利用較大尺寸的鋼化玻璃作為基板制作控制場。

2 控制場制作

實驗中的二維控制場使用鋼化玻璃為基板，貼覆打印網格的方法制作。由于單反相機的傳感器的長寬比為3∶2，所以采用的8 mm厚鋼化玻 璃尺寸定制為近似比例的120 cm×90 cm。作為二維控制場其平整度有較高的要求，所以利用游標卡尺對玻璃基板的邊緣厚度進行量測，以確定其厚度的不均勻性。所得部分數據為7.74 mm,7.76 mm,7.86 mm,7.80 mm,7.78 mm。

共測得20個厚度數據，其中最大值為7.88 mm，最小值為7.72 mm，平均值為7.793 mm，中誤差為0.051 488 mm。可見該基板的厚度均勻，不存在厚度不均引起的平整度變化。

除了厚度不均外，玻璃基板還可能由于外界應力的影響產生變形。為了測定其系統性整體的變形情況，將基板水平放置，兩邊用物體墊高，在其自身重力的作用下中間部分會向下發生彎曲。為了測量其彎曲的大小，將一根細線放置在基板上，并在兩端綁上重物將線拉直。用游標卡尺測量細線和基板之間的最大空隙，如圖1所示。

在測量中測得的最大空隙值約為0.68 mm，可見在外界受力不均勻的條件下，基板的變形是較大的，所以在實驗中應該使基板的受力均勻，盡量減少變形的發生。

實驗的初期計劃使用普通繪圖儀打印的紙張進行制作，但是通過多次嘗試發現打印紙張存在易變形、不耐水等缺點。很難保證其自身的精度和貼覆在基板上的平整度。為此，實驗放棄了使用普通打印紙張的想法。最終選擇使用寫真機制作平面格網。寫真機是用噴頭在專用材料上噴出各種彩色圖案，其實它就是一種大幅面的打印機。一般用在廣告、圖文、CAD行業上。其輸出畫幅可以達到1.52 m，精度超過720 DPI(每英寸720點)。輸出介質為相紙背膠PP合成紙，表面圖畫噴成后，再附加一種啞光性或亮光性塑料膜。相對于普通紙張，寫真機制作的格網具有不易褶皺變形、防水和不掉色等優點，更易于平整的粘貼到玻璃基板上，很好的達到了實驗的預計要求，如圖2所示。

3 像點坐標提取

實驗中使用了網格交叉點作為控制點，為此設計了以下方法進行其像點坐標的提取。

1)將圖像導入到CASS中進行配準；

2)將其局部放大，在直線成像的中間部分手工的繪制兩條短直線；

3)在兩條直線的交點處插入控制點，如圖3所示；

4)以此類推，在所有的十字交叉點上插入控制點，然后將控制點文件導出。

按照以上方法，對獲取標定圖像分別進行處理，這樣我們就得到了所有圖像上的控制點坐標。

為了研究量測的精度和穩定性，利用一個控制點圖像進行了多次量測。按照多次量測中的差異來衡量這種亞像素定位方式的精度水平。所得到的數據如表1所示。

表1 像點坐標多次量測對比

通過表1可以看出，利用該方法所提取的像點坐標精度較高且穩定。x方向的坐標中誤差為0.08像素，y方向的坐標中誤差為0.047像素。所得到的結果說明精度滿足亞像素提取的要求。

4 結語

在本文中著重的介紹了二維控制場的應用現狀，并指出了利用液晶顯示器制作二維控制場存在的問題；然后，詳細的敘述了實驗所用二維試驗場的制作方式，并對其玻璃基板的不平性和整體應力變形進行分析，指出其所存在的誤差是可以接受的，提出利用寫真機代替普通打印機，制作不易變形利于粘覆的標定格網；最后利用直線十字求交點的方法獲取了亞像素級別的像點坐標，經驗證具有很高的精度水平。

[1] 邱茂林，馬頌德，李 毅.計算機視覺中攝像機標定綜述[J].自動化學報，2000，26(11)：43-55.

[2] 殷福忠，劉紅軍.基于DLT方法的非量測數碼相機檢校研究[J].地理信息世界，2009(1)：84-87.

[3] 馮文灝，李 欣，胡震天.準二維控制場的建立及其應用[J].武漢大學學報(信息科學版)，2005，30(2)：101-104.

The control field establishment in digital camera calibration process

Yang Shanshan1Wu Liang2Wang Le1

(1.Qian’anCollege,HebeiUnitedUniversity,Qian’an064400,China;2.BeijingOrientalEmergingPetrochemicalEngineeringLimitedCompanybyShare,Beijing100000,China)

This paper introduced the establishment method of digital camera indoor control field, researched the existed problems using liquid crystal display device production of two dimensional control field, and discussed the extract method of image point coordinates, pointed out the control field had the advantages of simple manufacture, low production cost, suitable for calibration work in digital cameras.

2D control field, digital camera, camera calibration, measurement

2015-01-09

楊姍姍(1988- )，女，碩士，助教； 吳 亮(1987- )，男，助理工程師； 王 樂(1988- )，女，碩士，助教

1009-6825(2015)08-0226-02

TB852

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