【学习ARToolkit小记之三】 摄像头标定（Camera Calibration）

利用ARToolkit对摄像头进行标定设ARToolkit应用首先要做的一步，详细内容可以参考官网教程Documentation里面的Calibrating your camera（http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/usercalibration.htm）。

在进行摄像头标定之前需要建立ARToolkit的开发环境，具体的内容也可以参考官网教程Documentation里面的Setup ARToolkit（http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/documentation/usersetup.htm），这里我们使用的是Windows 7 64位操作系统VS2010来实现的，按照教程中的步骤一步一步来实现，其中在64位系统中配置ARToolkit会遇到一些问题，可参考本人博客的前两则的内容（http://blog.csdn.net/qingyang8513/article/details/45192677和http://blog.csdn.net/qingyang8513/article/details/45195933），里面提供了详细的解决方法，下面是在上述内容完成之后进行的实验。

本部分内容只用于个人的学习记录与记录，详细内容请参考官方网站教程。

一、开发环境

1、操作系统：Windows 7（64位）

2、编程环境：Microsoft Visual Studio 2010

3、ARToolkit版本：ARToolKit-2.72.1

二、标定过程

1、简介（Introduction）

ARToolkit程序默认的摄像机属性保存在摄像机参数文件camera_para.dat中，每次程序执行时都会读取文件的信息。而对于特定的摄像机，我们可以通过简单的摄像头标定技术产生单独的参数文件，当已知摄像头参数，ARToolkit程序就可以在运行时自动矫正摄像头畸变。

利用ARToolkit进行摄像头标定的方法有两种，一种是两部标定法，另一种是一步标定法。其中两部标定法相对复杂一点，但是精度会相对较高。

下面的两部分将分别采用这两种方法实现摄像头的标定。

2、两部标定法（Two StepCalibration）

1）标定板打印：patterns文件下打印calib_cpara.pdf和calib_dist.pdf，按照实际尺寸打印，前者是间距40mm网格，后者是6*4间距也为40mm的圆形标定点。打印出来的标定纸平整的固定在硬纸板上，如图一和图二所示。

图1 calib_cpara.pdf标定板

图2 calib_dist.pdf标定板

摄像机内部参数包括图像中心点坐标、镜头畸变参数和摄像机实际焦距，程序calib_dist用于测量图像中心点坐标和镜头畸变参数，而程序calib_cparam用于测量摄像机实际焦距。这两个程序保存在bin文件夹下，其中源文件保存在utils文件夹下。下面首先需要运行calib_dist，然后运行calib_cparam，因为calib_cparam用到了calib_dist程序输出的数据。

2）运行calib_dist：

a）运行calib_dist程序，使用图2所示的calib_dist标定板；

b）点击鼠标左键获取第一幅图像，保证保定板上的所有点都在图像坐标系中；

c）选取标定点：用鼠标按照从左到右、从上到下的顺序选取，选取时从标定点的左上角点击右键拉到右下角画一个方框，将标定点框在中间即可。如下图3、图4所示：

图3 获取第一幅图像

图4 选取标定点（从左到右，从上到下）

d）选定标定点的过程中可以使用鼠标右键从新选定；

e）选定一幅图像结束之后，点击鼠标左键重新获取一幅图像，按照b）~d）重复操作，建议3~5幅图像（越多也好）；

f）选取结束之后，点击鼠标右键结束图像的选取，程序自动运行，并计算摄像头图像中心和畸变参数，这需要一段时间，同时程序界面会动态显示计算过程，如图5所示。

图5 图像中心和畸变参数计算过程

g）结束之后显示计算结果，如图6和图7所示；

图6 计算参数结果

图7 图像结果显示

h）查看所有结果后，程序结束，此时第一步完成。

3）运行calib_cparam：

a）使用calib_cparam标定板（7条水平线，9条垂直线）；

b）运行calib_cparam，按照提示输入参数，其中用到了上一步计算出来的参数；

c）将标定板放在摄像头前面，保证和摄像头垂直；

d）点击鼠标左键，获取一幅图像，此时会出现一条白色的水平线，如图8所示；

图8 获取图像

e）使用键盘上下方向键移动中间白线，左右方向键调整白线角度，使白线和标定板最上面水平线重合，按下Enter键；

f）重复e），绘制所有7条水平线，顺序严格按照从上到下顺序；

g）水平线绘制完成后开始绘制垂直线，方法和上面类似，结果如图9所示；

图9 绘制网格线

h）完成之后，移动标定板远离摄像头100mm，重新获取图像，并重复上述过程，知道结束5幅图像的绘制；

i）标定结果如图10所示；

图10 实际焦距标定结果

j）输入文件名，保存标定参数，标定结束。

k）如果需要修改网格大小和一定距离，可以参考calib_cparam_sub.c，修改如下代码即可：

inter_coord[k][j][i+7][0] = 40.0*i;
inter_coord[k][j][i+7][1] = 40.0*j;
inter_coord[k][j][i+7][2] = 100.0*k;
*loop_num = 5;

3、一步标定法（One Step Calibration）

一步标定法的方法和两部标定法第一步的方法相同，只需运行calib_camera2即可。

calib_cparam2
Input the length between each markers: 40

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Mouse Button
Left : Grab image.
Right : Quit.
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标定结束之后，即获得摄像头的参数文件，如果需要使用，只需要将文件名修改为camera_para.dat，并放在bin/Data文件夹下即可。