高精度单像鱼眼相机标定：多几何约束方法

“多几何约束下的鱼眼相机单像高精度标定”是一种针对鱼眼相机进行高精度校准的技术，它利用单张近似垂直棋盘格的图像，结合多种几何约束逐步求解相机参数，并进行全局优化。该方法首先通过鱼眼图像的轮廓对称性确定相机主点位置，然后通过椭圆拟合和灭点计算得到相机的等效焦距和旋转矩阵角度。接着，利用径向对准约束和平移矢量的线性求解，进一步优化参数。最终，通过最小化重投影误差全局优化所有相机参数，并对鱼眼图像进行立方盒展开纠正。实验表明，这种方法在海康威视的不同视野范围的鱼眼相机上实现了小于1/3像素的重投影均方根误差，矫正效果优于常见的在线标定工具箱。 鱼眼相机由于其大视角和独特的成像特性，广泛应用于机器视觉领域。然而，鱼眼镜头产生的图像畸变严重，因此需要进行精确的标定来校正这种畸变。本研究提出的多几何约束标定方法首先利用鱼眼图像的轮廓特征，通过轮廓对称性计算主点位置(u0, v0)，解决了黑色背景下的轮廓点检测难题。接下来，通过对棋盘格中两组垂直平行线的椭圆拟合，找出灭点，从而推断出相机的等效焦距(fx, fy)和旋转矩阵的角度初始值。 灭点是透视几何中的关键概念，当两条平行线在远距离交汇时，它们在图像上的投影会聚于一点，即灭点。在鱼眼图像上，平行线的投影会形成椭圆，椭圆的交点对应于灭点。通过计算这些灭点并反投影到单位球面上，可以得到相机的几何特性。 径向对准约束是另一个用于优化相机参数的关键步骤。结合棋盘格的角点信息，可以先线性求解平移矢量(tx, ty)的初值，然后通过一元二次方程确定tz的初值。这一过程有助于更准确地定位相机在空间中的位置。 全局优化阶段，通过最小化棋盘格角点的重投影误差，对除主点外的所有相机参数进行优化。这一步骤确保了标定结果的准确性，减少了重投影误差，提高了图像矫正的效果。 实验结果证明，该方法在海康威视的两种不同视野范围的鱼眼相机上，重投影均方根误差低于1/3像素，且对鱼眼图像的平面透视纠正效果稳定，中心区域的纠正优于边缘。棋盘格角点的直线拟合RMSE小于0.7像素，显著优于常见的在线标定工具箱。这种方法对于需要高精度鱼眼图像矫正的应用具有较高的实用价值。 关键词涉及的领域包括机器视觉、鱼眼相机标定、鱼眼图像矫正、灭点以及径向对准约束。该研究为鱼眼相机在机器人导航、自动驾驶、全景摄影等领域的应用提供了更可靠的图像处理基础。