相机标定基础

相机标定

相机标定是什么？

* 相机: 利用光学原理成像的设备
* 标定: 确定仪器和测量系统的输入——输出关系
所以相机标定就是 确定相机这个光学设备的输入——输出关系

相机基础

相机可以分为两类:

- 通过感光材料(例如胶片)以化学方式捕获和存储图像或者视频
- 以数字方式捕获和存储图像或视频
相机将三维空间常见转换成二维图片，成像过程中损失了一些信息

相机种类:数码相机、手机摄像头、相机模块、工业相机、电脑摄像头、电脑外接USB摄像头

数码相机组成

组成部分:

1.镜头系统: 包括镜筒、透镜组、光圈装置和对焦装置，作用是捕捉光线并将其聚焦在感光元件上
2.快门: 用于控制光线照射感光元件时间的装置
3.感光元件: 用于将光线转换为电信号并传递给图像处理器。常用的感光元件有两种:CCD和CMOS
4.图像处理器:主要负责处理感光元件采集到的电信号，进行相应的图像处理，并将图像文件保存起来

工业相机的组成

组成部分:

1.镜头系统: 包括镜筒、透镜组、光圈装置、对焦装置
2.感光元件+图像处理器: 用于将光线转换为电信号并传递给图像处理器。常见的感光元件有两种:CCD 和 CMOS

与数码相机的区别:工业相机一般都是电子快门，采用电子脉冲长度(曝光时间)控制相机传感器对光的积分时间

手机摄像头组成

组成部分:

1.镜头: 包括镜头、透镜组，作用是捕捉光线并将其聚集在感光元件上
2.马达: 用于自动对焦
3.芯片(感光元件): 用于将光线转换为电信号并传递给图像处理，一般使用CMOS
4.图像处理器:线路板上的 DSP(数字信号处理模块)

相机成像原理

小孔成像指 用一个带有小孔的板遮挡在墙体和物体之间，墙体上就会形成物体的倒影

欧洲人利用小孔成像加上了凸透镜也就是最初相机的雏形，前面我们提到镜头系统由透镜组组成，那么相机成像可以近似于凸透镜成像

相机参数

相机参数可以分为两大类: 镜头参数 和 相机参数

镜头参数:

- 视场角 标准镜头 50°
- 焦距 f
- 光圈 F 数 焦距f / 镜头孔径
- 镜头分辨率 >感光芯片分别率

相机参数

- 黑色/彩色
- 像元尺寸 4um * 4um
- 芯片分辨率 1920* 1080
- 芯片有效成像尺寸

图像基础知识

图像获取过程:

1.被测物体反射的光线通过镜头进入相机内部，然后到达感光元件
2.感光元件将接收到的光线转换为电信号，再通过内部的电路转换成数字信号
3.数字信号被传输到处理器进行加工处理，转换成合适的图像格式输出
4.图像文件被存储在存储卡中，可供后续冲洗或编辑使用

获取到一张好的图像条件:

1.距离 工作范围内的被摄物才能清晰成像
2.环境光 合适的照明和光线波长使被摄物的基本特征可见
3.镜头光圈 光圈控制进光量，从而影响图像明暗程度
4.曝光时间: 曝光时间控制芯片传感器积分时间，进而控制图像明暗程度

图像成像条件:

1.景深 (符合上述所说工作距离范围内) 在镜头前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围 
省流:合适的测量距离范围称为景深
2.相机的光谱
3.光圈大小 **光圈值越大，进光量越少**
4.曝光时间 与上述光圈的关系是:光圈越大，曝光时间要缩短；光圈越小，曝光时间要延长

图像种类（传感器决定）

图像可以分为三类:彩色图像、灰度图像、二值图像

主要存储方式:网格或者矩阵

图像存储格式:

1.jpg 有损压缩
2.bmp 无损未压缩
3.png 无损压缩
4.raw 未经处理的照片，一般是数码相机出来的原图
5.tiff 标记图像文件格式

相机标定方法

具体方法:

1.线性标定，即不考虑相机的畸变而只考虑空间坐标转换 每个坐标点有两个变量，可列两个方程，相机内参有4个未知数，外参中平移和旋转各3个，共有十个变量，因此至少需要5个特征点来求解

2.非线性标定法——张正友标定法
- 用二维靶标代替三维靶标
- 用棋盘格的角点作为特征点
注意:**张正友标定只考虑了径向畸变，没有考虑切向畸变**
当镜头畸变明显时必须考虑畸变，一般较为便宜的网络摄像头畸变特别大，而较贵的工业相机则畸变很小，因为工业相机内部嵌入很多消除畸变的程序。于是呢，**线性模型转非线性模型，需要通过非线性标定方法求解**