外参标定及原理

本文详细解释了外参标定在计算机视觉和机器人领域的核心任务,介绍了通过观测世界坐标系中的特征点来计算相机或传感器位姿的方法,包括数据采集、特征点检测、匹配、外参计算以及应用实例,如平移矢量和旋转矩阵的计算。

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外参标定(Extrinsic Calibration)是计算机视觉和机器人领域中的重要任务,它用于确定不同摄像头或传感器之间的相对位置和姿态信息。外参标定的目标是计算出一个相对于参考坐标系的相机或传感器的位姿,包括平移和旋转信息。

外参标定的原理和方法如下:

原理:

外参标定的基本原理是通过观测已知世界坐标系下的特定点或特征,并将这些观测映射到相机或传感器的图像中,从而确定相机或传感器的位姿。通常,需要至少观测3D世界中的三个非共线点或2D世界中的两个非共线点来计算相机的外部参数。外参标定依赖于以下几个关键要素:

1.已知的世界坐标点: 这些点的3D坐标在世界坐标系中已知。通常,这些点是特定的标定板上的角点或其他已知的三维结构。

2.图像中的特征点: 相机或传感器捕捉到的图像中的特征点的像素坐标。

3.内部参数: 相机或传感器的内部参数,包括焦距、主点坐标、畸变系数等。这些参数通常在内部参数标定中获得。

方法:

外参标定的方法通常包括以下步骤:

1.数据采集: 在已知的世界坐标系中放置特征点或使用标定板,并使用相机或传感器捕捉图像。

2.特征点检测: 在图像中检测特征点,通常是角点、边缘或其他可识别的特征。

3.特征匹配: 将图像中检测到的特征点与已知的世界坐标点进行匹配。

4.外参计算: 使用特征点的匹配信息以及已知的世界坐标点,计算相机或传感器的外部参数,包括平移和旋转矩阵。

5.评估和优化: 进行外参标定的评估和优化,以提高精度。这可能涉及非线性优化方法,例如最小二乘法。

6.结果验证: 验证外部参数是否能够准确映射世界坐标系中的点到图像中,并与已知的世界坐标点进行比较,以确保标定的准确性。

外参标定的结果可以用于多种计算机视觉和机器人应用,包括立体视觉、SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)、位姿估计等,以便将传感器数据与世界坐标系对齐和定位。这对于许多自动驾驶、机器人导航和虚拟现实等领域非常重要。

平移矢量怎么计算

计算平移矢量(Translation Vector)通常需要一些已知的世界坐标点和它们在摄像头或传感器图像中的对应点的像素坐标。这些点的对应关系用于外参标定,以确定相机或传感器相对于参考坐标系的平移。

下面是一种基本的方法来计算平移矢量:

1.准备已知的世界坐标点和对应的图像坐标点: 在已知的世界坐标系中放置一些特定的点或特征,然后使用摄像头或传感器捕捉图像,并检测这些点在图像中的像素坐标。

2.选择标定点: 从已知的世界坐标点和它们在图像中的对应点中选择一组标定点。通常,至少需要三个非共线的点来计算平移矢量。

3.坐标归一化: 对于每个选定的标定点,将图像中的像素坐标(u,v)转换为归一化平面坐标(x,y)。这可以通过使用摄像头的内部参数来实现,通常使用以下公式:

其中 fx​ 和 fy​ 是摄像头的焦距,cx​ 和 cy​ 是主点坐标。

4.求解平移矢量: 使用选定的标定点的世界坐标点和归一化平面坐标,可以使用线性或非线性最小二乘法来求解平移矢量。求解过程中,平移矢量通常表示为三维向量 [Tx​,Ty​,Tz​]。

5.平移矢量的单位选择: 通常情况下,平移矢量的单位取决于世界坐标的单位。例如,如果世界坐标点的单位是米,那么平移矢量的单位也将是米。

完成这些步骤后,您将得到相机或传感器相对于参考坐标系的平移矢量。这个平移矢量用于将相机或传感器的观测从相机坐标系转换到世界坐标系,或者反之,具体取决于应用需求。平移矢量的计算是外参标定中的关键步骤,它允许您在不同坐标系之间进行准确的数据转换和对齐。

旋转矩阵怎么计算

计算旋转矩阵(Rotation Matrix)通常需要已知的世界坐标点和它们在摄像头或传感器图像中的对应点的像素坐标。这些点的对应关系用于外参标定,以确定相机或传感器相对于参考坐标系的旋转。

旋转矩阵是一个3x3的矩阵,用于表示相机或传感器的旋转姿态相对于参考坐标系。以下是计算旋转矩阵的基本步骤:

1.准备已知的世界坐标点和对应的图像坐标点: 在已知的世界坐标系中放置一些特定的点或特征,然后使用摄像头或传感器捕捉图像,并检测这些点在图像中的像素坐标。

2.选择标定点: 从已知的世界坐标点和它们在图像中的对应点中选择一组标定点。通常,至少需要三个非共线的点来计算旋转矩阵。

3.坐标归一化: 对于每个选定的标定点,将图像中的像素坐标(u,v)转换为归一化平面坐标(x,y)。这可以通过使用摄像头的内部参数来实现,通常使用以下公式:

其中 fx​ 和 fy​ 是摄像头的焦距,cx​ 和 cy​ 是主点坐标。

4.旋转矩阵的计算: 使用选定的标定点的世界坐标点和归一化平面坐标,可以计算旋转矩阵。一种常见的方法是使用SVD(奇异值分解)来计算旋转矩阵。在这个过程中,您将得到一个3x3的旋转矩阵。

完成这些步骤后,您将得到相机或传感器的旋转矩阵,它表示了相机或传感器的旋转姿态相对于参考坐标系。旋转矩阵允许您在不同坐标系之间进行准确的数据转换和对齐。请注意,旋转矩阵通常表示为一个正交矩阵,具有特殊的性质,包括行向量和列向量的单位长度以及正交性质,以确保正确的旋转转换。

### MATLAB 中双目相机标定方法 #### 安装与准备 为了进行双目相机标定,首先需要安装MATLAB自带的相机标定工具箱[^3]。该工具箱提供了便捷的功能用于获取内数。 #### 数据采集 在标定时,需拍摄一系列棋盘格图案的照片作为输入数据。这些图片应当覆盖不同的视角和位置以确保足够的多样性来提高精度[^1]。 #### 使用图形界面进行标定 启动`stereoCameraCalibrator`应用程序来进行交互式的标定流程。通过加载左、右摄像头捕捉到的标准测试图样图像集文件夹路径,在界面上完成整个校准操作[^4]。 ```matlab % 启动立体摄像机校正器应用 stereoCameraCalibrator; ``` #### 获取并查看结果 一旦完成了上述步骤中的所有工作,则可以在软件内部直接观察得到的结果——包括但不限于旋转和平移向量在内的数。对于最新版本如MATLAB R2022a及以上来说,可以通过访问`PoseCamera2`对象属性下的字段`R`(表示姿态角)以及`Translation`(代表位移矢量)[^2]: ```matlab % 假设已有一个名为 stereoParams 的 Stereo Camera Calibrator 输出结构体变量存在 disp(stereoParams.CameraParameters(2).WorldToImageTransform.R); % 显示第二个相机相对于第一个相机的姿态角度矩阵 disp(stereoParams.CameraParameters(2).WorldToImageTransform.Translation); % 显示第二个相机相对于第一个相机的位置偏移向量 ```
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