什么是相机标定

相机标定是计算相机内、外参数及畸变矫正的过程,对三维视觉应用至关重要。它恢复图像正常,使多相机在同一坐标系工作,应用于机械臂、自动驾驶、图像拼接和深度重建等领域。单目相机标定关注相机自身模型和相对位姿,而双目相机标定涉及相机间相对位姿,广泛用于全景拼接和AR等。

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1. 相机标定的定义及作用

相机标定是指借助标定板来计算单个或多个相机的内参、外参和镜头畸变参数。

作用:

将畸变的图像恢复为正常的图像,为后续进行拼接、SLAM等奠定基础。

多相机标定可以将所有相机输出变换到同一个坐标系。

相机标定是三维视觉应用的必备步骤,广泛应用于机械臂、机器人定位建图、自动驾驶汽车/智能手机标定、图像拼接、三维重建。

2. 为什么需要相机标定

真实世界是三维的,而相机拍摄的图像是二维的,其中必然会丢失距离/深度信息。抽象成数学问题就是相机类似一个映射函数,将输入的三维场景映射成一个二维图片(可能是灰度图像也可能是彩色图像)。

而相机标定就是使用数学模型和数学方法来近似逼近这一复杂映射函数的过程。标定后的相机即具有了描述这一过程的能力,从而可以用于各种计算机视觉的任务,如深度恢复、三维重建等,本质上都是对丢失的距离信息的恢复。

3. 相机标定到底在标定什么

在实际应用中可以将相机标定分为单目相机标定和多目(双目)相机标定

3.1 单目相机标定

这类应用通常需要相机自身的成像模型参数以及相机相对某个坐标系下的相对位姿。

(1)比如下图简单场景,如果能知道相机的朝向以及距离地面的高度,就可以大致估计出相机某个像素对应物体的距离(实际可以测量物体高度或者物体贴近地面)。这种模型在一些简单的车载任务上比较常见,比如推测前车距离。

 

(2)再比如工业上比较常见的机器人控制,需要构建机器人坐标系和其视觉坐标系之间的相对位置关系(也就是手眼标定)

(3)再比如单目深度恢复,一些传统的单目深度恢复通常使用固定尺寸的物体作为标志物,之后移动物体,通过相机中物体大小来判断实际的拍摄距离。 

 (4)再比如一些SLAM方法,目前有一些自监督的深度学习方法也会使用相对姿态信息作为监督(比如ManyDepth)

 3.2 多目(双目)相机标定

这类应用更加常见,通常需要获取相机自身信息,以及各个相机之间的相对位姿信息,有时也需要获取其和某固定坐标系之间的关系。

(1)比如车载全景环视,需要获取四个相机相对位姿以及其和地面坐标系的关系,才能得到最终的全景拼接结果。

(2)再比如AR应用,或者更复杂的相机阵列。

 

<think>好的,我现在需要回答用户关于相机标定精度的定义及其影响因素的问题。首先,我需要回顾之前提供的引用资料,确保理解准确。 根据引用[3],相机标定是建立三维世界坐标系与二维图像坐标系之间的几何映射关系,其精度直接影响到后续应用的准确性。用户想知道精度的定义,可能需要明确标定结果与实际参数的接近程度,包括内参和外参的准确性。 影响因素方面,引用[1]提到标定板精度、特征点数目、提取精度、标定图片数量和拍摄角度。引用[2]补充了标定图片数量和使用全站仪测量坐标的重要性。引用[4]解释了坐标系的关系,可能对理解参数误差有帮助。 需要将这些因素分点说明,并确保使用正确的中文术语。同时,用户要求生成相关问题,需与主题相关,如优化方法、评估指标、误差影响等。最后检查LaTeX格式是否符合要求,特别是数学表达式的使用是否正确。</think>### 相机标定精度的定义及影响因素 #### 一、相机标定精度的定义 相机标定精度指通过标定算法得到的相机内参(如焦距$f$、主点坐标$(u_0, v_0)$、畸变系数$k_1, k_2$等)和外参(如旋转矩阵$R$、平移向量$T$)与真实物理参数的接近程度。其量化指标通常通过重投影误差(Reprojection Error)衡量,即标定板特征点的三维世界坐标经投影到图像平面后与实测像素坐标的均方根误差(RMSE)[^3][^4]。 数学表达式为: $$ \text{RMSE} = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \| \hat{p}_i - p_i \|^2} $$ 其中,$\hat{p}_i$为投影点坐标,$p_i$为实际提取的像素坐标,$N$为特征点总数[^3]。 --- #### 二、主要影响因素 1. **标定板精度** - **物理制造误差**:标定板的打印精度(如棋盘格边长误差)和平面度直接影响世界坐标系测量精度[^1][^2]。 - **特征点坐标测量**:使用全站仪等高精度仪器可降低世界坐标误差至亚毫米级,使标定相对误差小于1%[^2]。 2. **特征点数量与分布** - 单张标定图中需覆盖足够多的特征点(如棋盘格角点),且分布应覆盖图像边缘和中心区域,避免局部集中导致模型过拟合[^3]。 3. **特征点提取精度** - 亚像素级角点检测算法(如OpenCV的`cornerSubPix`)可将提取精度提升至0.1像素以下,显著降低重投影误差[^1][^2]。 4. **标定图片数量与拍摄角度** - 标定需至少10-20张图片,覆盖不同视角(倾斜、旋转、远近),以充分约束相机模型参数[^2][^3]。 - 图片数量过多可能导致计算冗余,而过少则参数估计不稳定[^1]。 5. **标定算法与优化方法** - 非线性优化算法(如Levenberg-Marquardt)对畸变系数等非线性参数的标定效果优于线性方法[^4]。 - 鲁棒的初始值估计(如张正友标定法)可避免局部最优解[^3]。 --- #### 三、提升标定精度的实践建议 - **标定板选择**:使用高精度陶瓷或玻璃标定板,避免热膨胀或形变。 - **数据采集**:多角度拍摄时保持标定板清晰无模糊,光照均匀。 - **算法优化**:结合多阶段标定(先标定内参再优化外参)和束调整(Bundle Adjustment)[^3][^4]。 ---
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