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基于折射模型的水下相机内参快速标定方法

陈俊锋 贾国涛 李雪艳 李岩田 王娴

陈俊锋, 贾国涛, 李雪艳, 等. 基于折射模型的水下相机内参快速标定方法[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064
引用本文: 陈俊锋, 贾国涛, 李雪艳, 等. 基于折射模型的水下相机内参快速标定方法[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064
CHEN Junfeng, JIA Guotao, LI Xueyan, LI Yantian, WANG Xian. A Fast Calibration Method for Underwater Camera Intrinsic Parameters Based on Refraction Model[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064
Citation: CHEN Junfeng, JIA Guotao, LI Xueyan, LI Yantian, WANG Xian. A Fast Calibration Method for Underwater Camera Intrinsic Parameters Based on Refraction Model[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064

基于折射模型的水下相机内参快速标定方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(61922037).
详细信息
    作者简介:

    陈俊锋(1983-), 男, 博士, 工程师, 主要研究方向为船舶与海洋工程

  • 中图分类号: TJ630; TP242

A Fast Calibration Method for Underwater Camera Intrinsic Parameters Based on Refraction Model

  • 摘要: 针对水下视觉作业时相机内参不准造成的作业精度较低的问题, 提出了一种水下相机快速标定方法。该方法仅需1张包含2组互相正交平行线的图片, 通过求解平行线在图像平面的消失点, 构建与等效焦距相关的正交关系, 从而求解相机的内参。在处理水下成像畸变问题时, 通过考虑二阶径向畸变模型, 并以最小重投影误差为优化目标, 求解畸变系数, 以实现水下图像的畸变校准, 提高内参标定精度。进一步, 通过对比空气中图像和水下目标等效空气图像证明了该方法还原的等效图像具有较高的精度。实验结果表明, 文中所提方法操作简便, 显著降低了相机标定时现场环境的要求, 且能在保证一定精度的同时, 有效提升内参标定速度, 适用于水下相机的标定任务。

     

  • 图  1  水下成像示意图

    Figure  1.  Schematic of underwater imaging

    图  2  水下折射模型平面关系图

    Figure  2.  Plane relation diagram of underwater refraction model

    图  3  消失点示意图

    Figure  3.  Schematic of the vanishing point

    图  4  基于消失点求焦距的几何示意图

    Figure  4.  Geometric schematic for finding the focal length based on the vanishing point

    图  5  实验平台示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of experimental platform

    图  6  角点拟合直线

    Figure  6.  Straight line fitting of corner points

    图  7  求解消失点

    Figure  7.  Computation of vanishing points

    图  8  求最优消失点

    Figure  8.  Optimal determination of vanishing points

    图  9  原始图像和去畸变图像

    Figure  9.  Original and de-distorted images

    图  10  不同位姿的水下标定板图像

    Figure  10.  Underwater calibration board images for different positions

    图  11  同位姿水上水下对比图

    Figure  11.  Comparison of synoptic posture above and below water

    表  1  基于消失点的水下快速标定结果

    Table  1.   Underwater rapid calibration results based on vanishing point

    参数 计算结果
    消失点${W_I}$/px $\left( { - 10442.71, - 291.76} \right)$
    消失点${W_J}$/px $\left( {1763.43, - 5518.66} \right)$
    等效焦距${f_w}$/mm $5.054$
    内参矩阵${\boldsymbol{K}}$ $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1347.75}&0&{1024} \\ 0&{1347.75}&{768} \\ 0&0&1 \end{array}} \right]$
    重投影误差/px $0.177$
    计算时间/s $0.0084$
    下载: 导出CSV

    表  2  基于消失点的水下快速标定优化结果

    Table  2.   Optimization results of underwater fast calibration based on vanishing point

    参数 计算结果
    畸变系数${\eta _1},{\eta _2}$ $ 0.2126,0.6465 $
    像平面中心点 $\left( {1020.97,763.23} \right)$
    消失点${W_I}$/px $\left( { - 19700.14, - 1150.59} \right)$
    消失点${W_J}$/px $ \left( {1621.54, - 4291.55} \right) $
    等效焦距${f_w}$/mm $6.05$
    内参矩阵${\boldsymbol{K}}$ $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1691.7}&0&{1020.97} \\ 0&{1691.7}&{766.23} \\ 0&0&1 \end{array}} \right]$
    重投影误差/px $0.089$
    计算时间/s $1.5808$
    下载: 导出CSV

    表  3  不同图像的标定结果

    Table  3.   Calibration results for different images

    图片编号 等效焦距/mm 重投影误差$\left( {pixel} \right)$ 计算时间/s
    (a) 6.1426 0.0250 2.58
    (b) 6.3126 0.0598 1.94
    (c) 6.4598 0.0823 1.14
    (d) 6.0965 0.0249 2.75
    平均 6.2529 0.048 2.10
    下载: 导出CSV

    表  4  基于消失点的空气中快速标定优化结果

    Table  4.   Optimization results for fast calibration in air based on vanishing point

    参数 计算结果
    畸变系数 $\left( {0.0015,0.0017} \right)$
    像平面中心点 $\left( {1022.15,767.53} \right)$
    等效焦距${f_a}$/mm $ {\text{4}}{\text{.64}} $
    内参矩阵${\boldsymbol{K}}$ $ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1237.1}&0&{1022.15} \\ 0&{1237.1}&{767.53} \\ 0&0&1 \end{array}} \right] $
    重投影误差/px $ {\text{0}}{\text{.067}} $
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    表  5  特征点像素值

    Table  5.   Feature point pixel value

    特征点像素坐标/px
    $A$$\left( {811.61,550.41} \right)$
    $B$$\left( {1284.39,608.70} \right)$
    $C$$\left( {780.87,898.99} \right)$
    $D$$\left( {1247.80,928.53} \right)$
    $A'$$\left( {812.91,553.81} \right)$
    $B'$$\left( {1292.70,610.01} \right)$
    $C'$$\left( {781.48,907.39} \right)$
    $D'$$\left( {1255.83,938.12} \right)$
    下载: 导出CSV

    表  6  等效图像与空气中图像相对误差

    Table  6.   Relative error between the equivalent image and the image in air

    等效图像特征点X方向相对误差/%Y方向相对误差/%
    $A'$0.1620.616
    $B'$0.6450.215
    $C'$0.0010.934
    $D'$0.6431.032
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-02
  • 修回日期:  2025-07-02
  • 录用日期:  2025-07-04
  • 网络出版日期:  2025-11-04

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