我们时常感叹好莱坞大片中以假乱真的特效带给自己的震撼，也时常赞叹特斯拉自动驾驶技术日益精进带给乘车人的踏实感，还时常为Meta冲击《头号玩家》般超现实虚拟环境融入生活，并不断取得突破的AR技术倍感惊叹……而这些看似毫无关联，却又同样极大程度上推动世界科技进程的技术，都基于同一个工作原理的运用：相机标定。

 

 

 

 

也许你有所耳闻，也许你从未听过，那今天，咱们就一起从专业的角度，去剖析这个运用到无数领域，带给我们无数惊喜的“相机标定”到底是什么！！！

 

Camera calibration

什么是“相机标定”？

 

官方百科解释：在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体“表面某点的位置”与其在“图像中对应点”的关系，必须建立相机成像的几何模型，求解几何模型相关参数的过程就称之为相机标定。

 

简单来讲就是：我们生活的场景是三维的、立体的，相机拍摄出来的东西是二维的、平面的。二维相较于三维来说，缺少了距离/深度等重要信息，要想从二维的图片当中获取物体原本在三维当中的位置和形态，就需要通过一系列的复杂算法去达到这个目的，这个算法的整体过程就叫相机标定。

 

Realize

如何实现“相机标定”？

 

说到相机标定，我们透过一个例子去讲述一下。

 

“人孔成像”

涉及到五个东西：人（本身），孔，光线，墙，人像。

一个人站着，光线从孔中经过，把人呈倒立形态照射在墙上。而照射在墙上的人像，它的大小，则由墙与孔的距离决定。

 

如果说“人”身处在真实世界/三维世界中，在光线的照映下，通过“孔”的映射，出现在“墙”上/二维世界，形成“人像”，我们如何通过“墙”上的“人像”去得知“人”的真正形态/三维形态。

 

*人孔成像·模型

 

在相机标定中，用了“四个坐标系”：世界坐标系Ow（Xw，Yw，Zw）、相机坐标系Oc（Xc，Yc，Zc）、图像坐标系o（x，y）、像素坐标系Ouv（u，v），加以精钻细研的科学算法，从而得出二维世界与三维世界中的关系，即【像素坐标系】与【世界坐标系】的关系。

 

*相机标定·图示

 

想从【世界坐标系】精准到【像素坐标系】，就成了四个坐标系之间的相互换算，这其中涉及到比较专业的知识，我们还是继续以“人孔成像”的例子去阐述，从浅显的方面讲一下：如果以人站着的位置（脚根）为【世界坐标系】原点，那么“人”到“孔”的位置可以通过平移和旋转实现方向和距离的一致。我们以R表示旋转，以T表示平移；从“孔”到“人像”的距离即Z，在成像中称为“焦距”，用f表示具体距离/焦距。

 

最终，通过层层转化，从【世界坐标系】到【像素坐标系】的关系为：

 

 

那从【世界坐标系】到【像素坐标系】的过程

就这么轻易完成了？

当然不是！！！

 

在“人孔成像”过程中，由于“孔”和“人”的大小关系/远近关系；“人”通过“孔”形成的“人像”往往会有些许变形，我们称为“畸变”。但“孔”往往是中心对称的，所以“畸变”也多呈径向对称，我们称为“径向畸变”，“径向畸变”一般分为两种：枕形和桶形。

 

*径向畸变·图示

 

而在成像过程中的组件，如果透镜和成像的平面没有严格平行，则会引起“切向畸变”。

 

*切向畸变·图示

 

既然有“畸变”，就有“矫正”来完成还原。

 

通过相机标定，我们可以从平面中还原物体本真的三维形态，可以精准地得知平面中物体在三维空间中的位置信息，可以让三维的物体以二维存在的同时，不丢失作为三维物体所具备的方方面面……从而帮助我们在动作捕捉、三维建模、定位导航等各个场景提供技术支持。

 

Scenarios

“相机标定”的场景应用

 

 

除此之外，还有很多场景都会用到这项技术，因为它的应用范围过于广泛，更多的就需要各位在生活当中去自行发现了！！！

 

Cases

第六镜科技的“相机标定”应用

 

作为致力于“以AI技术赋能传统行业数字化转型”的第六镜科技，依靠自研算法+软硬件一体化，已和多家知名企业展开合作，完成了“热态钢轨缺陷检测”“数字化煤仓”“炉辊结瘤检测仪”等多个解决方案，帮助企业在发展过程中极大地提高了生产效率，而“相机标定”技术在其中的应用起到了很大的作用。

 

*第六镜科技“热态钢轨”·三维图片1

 

*第六镜科技“热态钢轨”·三维图片2

 

*第六镜科技“热态钢轨”·三维图片1

 

比如，与邯钢集团的“热态钢轨缺陷检测”合作中，针对整个流程的实现，第六镜科技编写了“输入”“输出”的多条算法运用到相机标定上，实现对“热态钢轨缺陷检测”的最优输出：在生成标定板轮廓模型后输入采集轮廓，在算法的驱动下，相机会对各个视角轮廓与标准模型进行仿射变换配准，从而得到标定结果对数据进行拼接和矫正，再拟合椭圆轮廓，求解半径，和圆柱间的距离，评估最优标定，结束后输出最优标定结果。

 

*第六镜科技“数字化煤仓”·展示

 

再有，与旭阳集团联合的“数字化煤仓”项目中，第六镜科技结合激光扫描和斗轮机三维定位技术，对煤仓进行三维成像，形成分层、分区的存储数据，并根据堆取料登记的时间和区域，为后续燃煤进场数据、采制化数据导入提供依据。

 

……

 

随着科技在实际中的运用占比不断提高，传统行业已逐步迈入新的征程，力求在人力成本、时间成本、安全性等多个方面寻求更大突破，从传统方式真正实现全“智能化”发展。第六镜科技也将以不断进取的姿态，携手传统行业在“智慧化”的道路上，留下更多辉煌。

 

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