一种单目相机标定装置及方法

本发明属于计算机视觉与摄影测量，具体涉及一种单目相机标定装置及方法，具体涉及单目相机标定装置的轻量化设计与标定方法优化。

背景技术：

1、相机标定是计算机视觉中的一个关键步骤，当前单目相机标定主要依赖三维立体标定物（如多面体标定块）或平面标定板（如棋盘格板），然而三维标定物体积庞大、携带不便且需精密加工保证多角度几何精度，而平面标定板则需频繁手动更换位姿并严格保持板面平整，操作过程繁琐且易受环境遮挡影响；这两类技术同时存在空间适应性差（难以在狭小空间部署）、操作效率低下（依赖多次位姿调整延长标定时间）及精度稳定性不足（平面标定板易因物理形变或遮挡导致特征点提取误差）等问题，其根源在于传统方法必须通过二维/三维空间分布的特征点构建多视角几何约束，导致标定装置结构复杂化与操作流程冗余化。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种单目相机标定装置及方法解决传统标定物体积大、操作繁琐的问题。

2、如上构思，本发明所采用的技术方案是：

3、根据本发明实施例的第一方面，提供一种单目相机标定装置，包括：

4、标定臂；

5、旋转中心部件，设置于所述标定臂上，用于在旋转过程中提供一个固定的空间旋转中心基准；

6、多个标志点，非共线地分布在至少两个所述标定臂上，并与所述旋转中心部件的空间中心位置具有已知的、固定的空间几何关系，其中至少一个标志点偏离其他标志点与所述旋转中心所确定的直线；

7、基座，设有与所述旋转中心部件相配合的约束机构及驱动装置，用于驱动所述多臂段标定结构绕所述固定的空间旋转中心基准进行可控的主动旋转。

8、在一些实施例中，所述旋转中心部件包括相互配合的圆锥面和轴系结构，所述空间旋转中心基准为该轴系结构的回转轴线。

9、在一些实施例中，所述已知的、固定的空间几何关系为：所述标志点的中心与所述旋转中心基准共同构成一个二维或三维的非共线特征点集。

10、在一些实施例中，所述标定臂为杆状、板状或l形结构，并通过铰链或快拆接头实现多段式可展开与收折。

11、在一些实施例中，所述标志点为可编程显示的电子墨水屏标志点，或通过高对比度涂料直接印制在所述标定臂的表面。

12、在一些实施例中，所述基座的驱动装置为步进电机或伺服电机，所述约束机构为电磁耦合驱动装置或精密气浮轴承。

13、根据本发明实施例的第二方面，提供一种单目相机标定装置的标定方法，包括以下步骤：

14、将所述标定装置的旋转中心部件置于所述基座的约束机构中，建立固定的空间旋转中心；

15、驱动所述基座，带动所述标定臂绕所述固定的空间旋转中心进行至少180度的连续旋转，同时使用位置固定的单目相机采集包含非共线分布标志点的连续帧图像序列；

16、从所述图像序列中提取各帧图像中每个标志点在像平面上的亚像素级坐标；

17、基于所述标志点与所述固定的空间旋转中心之间已知的非共线空间几何约束，以及每个标志点在像平面上形成的椭圆或圆弧运动轨迹，构建融合多视图几何与旋转运动学模型的目标优化函数；

18、采用非线性优化算法求解所述目标优化函数，一次性得到所述单目相机的完整内参矩阵与镜头畸变系数。

19、在一些实施例中，在所述模型构建步骤中，利用所述标志点在像平面上的运动轨迹为圆弧或椭圆这一特性，通过最小二乘拟合算法构建所述优化模型的目标函数。

20、在一些实施例中，所述单目相机在图像采集过程中物理位置与光学焦距均保持不变。

21、在一些实施例中，所述已知的空间几何约束是所述标志点与固定的空间旋转中心共线。

22、本发明的有益效果为：

23、1、本发明将传统方法中依赖多视角空间交会的标定流程，简化为绕单一固定旋转中心的运动，通过标定臂的连续旋转即可一次性获取多角度样本数据，从而规避了反复调整标定板位姿的繁琐操作，使得标定过程的自动化程度和整体效率得到根本性提升。

24、2、本发明基于标志点与旋转中心之间严格的共线几何约束，将参数求解构建为一维优化问题，从原理上消除了因平面标定板物理形变或瞬时抖动引入的误差，并有效抑制了部分遮挡对特征提取的影响。该设计显著提升了标定结果的精度与稳定性，使其在狭小空间、振动环境及现场作业等复杂场景下具备卓越的适用性。

1.一种单目相机标定装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种单目相机标定装置，其特征在于，所述旋转中心部件包括相互配合的圆锥面和轴系结构，所述空间旋转中心基准为该轴系结构的回转轴线。

3.根据权利要求1所述的一种单目相机标定装置，其特征在于，所述已知的、固定的空间几何关系为：所述标志点的中心与所述旋转中心基准共同构成一个二维或三维的非共线特征点集。

4.根据权利要求1所述的一种单目相机标定装置，其特征在于，所述标定臂为杆状、板状或l形结构，并通过铰链或快拆接头实现多段式可展开与收折。

5.根据权利要求1所述的一种单目相机标定装置，其特征在于，所述标志点为可编程显示的电子墨水屏标志点，或通过高对比度涂料直接印制在所述标定臂的表面。

6.根据权利要求1所述的一种单目相机标定装置，其特征在于，所述基座的驱动装置为步进电机或伺服电机，所述约束机构为电磁耦合驱动装置或精密气浮轴承。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的单目相机标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤

8.根据权利要求7所述的单目相机标定方法，其特征在于，在所述模型构建步骤中，利用所述标志点在像平面上的运动轨迹为圆弧或椭圆这一特性，通过最小二乘拟合算法构建所述优化模型的目标函数。

9.根据权利要求7所述的单目相机标定方法，其特征在于，所述单目相机在图像采集过程中物理位置与光学焦距均保持不变。

10.根据权利要求7所述的单目相机标定方法，其特征在于，所述已知的空间几何约束是所述标志点与固定的空间旋转中心共线。