ROS下采用camera_calibration进行单目相机标定

参考：

1. https://blog.csdn.net/learning_tortosie/article/details/79901255
2. https://blog.csdn.net/learning_tortosie/article/details/82347694
3. https://blog.csdn.net/X_kh_2001/article/details/89163659?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

• 相机标定的原理及各个坐标系之间的关系可参见之前的博客，这里直接介绍工程实践部分。
• 相机标定可通过 matlab、OpenCV、ROS 三种方式进行。使用 OpenCV 进行标定可参见之前的博客，这里直接介绍基于 ROS 的方式标定单目相机。
• ROS 官方提供了camera_calibration 包，通过这个包可以使用棋盘标定板对单目和双目相机进行标定。

一、准备工作：

• 系统环境：Ubuntu16.04
• 本教程是基于 usb_cam 包读取图像，因此需要提前安装 usb_cam 驱动，参见：https://github.com/ros-drivers/usb_cam
• 安装 camera_calibration 功能包：sudo apt-get install ros-kinetic-camera-calibration
  （很多博客以及维基教程都是使用 rosdep install camera_calibration 来安装，但是我的出现 ERROR: Rosdep cannot find all required resources to answer your query 错误，经过一番搜索好像是因为 ros 环境变量中所有的路径都没有该功能包，而不是没有 source devel/setup.bash）
• 准备一个已知尺寸的标定板，本实验使用的是 7X9（列X行），边长为 10cm 的棋盘标定板。由于标定过程使用的是棋盘内部的角点进行，所以实际上我们使用的是 8X10 的棋盘标定板 。
• 一个通过ROS发布图像的单目相机。
  （以下步骤基本是ROS wiki教程的翻译，更多细节请移步官方教程。另外推荐一个标定工具 Kalibr ，可以实现Multiple camera calibration、Camera-IMU calibration、Rolling Shutter Camera calibration。）

二、相机标定：

1. 启动摄像头驱动节点：

rosrun usb_cam usb_cam_node

！！！注意：确定你使用的video_id，可利用如下命令查看：

ls /dev/video*

一般笔记本电脑自带的摄像头id为0，外接的摄像头id为1。然后根据需要修改usb_cam/src/usb_cam/launch/usb_cam-test.launch里面的。每次修改完成后，先运行：

roslaunch usb_cam usb_cam-test.launch

查看启动的设备是否正确，若正确则关掉再运行：rosrun usb_cam usb_cam_node 打开驱动：

2. 查看图像是否发布：

rostopic list  #列出 topic 确保相机正在通过ROS发布图像

这会显示所有已发布的topic，检查是否有image_raw topic。以下是本实验的相机topic：

/usb_cam/camera_info
/usb_cam/image_raw
/usb_cam/image_raw/compressed
/usb_cam/image_raw/compressed/parameter_descriptions
/usb_cam/image_raw/compressed/parameter_updates
/usb_cam/image_raw/compressedDepth
/usb_cam/image_raw/compressedDepth/parameter_descriptions
/usb_cam/image_raw/compressedDepth/parameter_updates

3. 新开一个终端，运行标定节点：

rosrun camera_calibration cameracalibrator.py --size 7x9 --square 0.1 image:=/usb_cam/image_raw camera:=/head_camera --no-service-check

此命令运行标定结点的python脚本，其中 ：
（1）–size 7x9 为棋盘内部角点的个数，方格几列几行(需要减1)，比如我的标定板方格是8X10，则siez为7x9。
（2）–square 0.1为每个棋盘格的边长
！！！注意：7x9中间不能用“*”，是字母“x”。ROS支持使用多个标定板来进行标定，请根据需要输入复数个–size和–square。
（3）image:=/usb_cam/image_raw 为当前订阅的图像来自名为/usb_cam/image_raw的topic
（4）camera:=/head_camera为摄像机名（我试过写camera:=/camera也可以，目前还不知道是什么原因…）
（5）加上–no-service-check是因为一开始运行后出现下面的错误，参考官网加上此参数后就可正常显示：

('Waiting for service', '/camera/set_camera_info', '...')
Service not found

这将打开标定窗口，如下图所示：

4. 移动标定板：

• 为了达到良好的标定效果，需要在摄像机周围移动标定板，并完成以下基本需求：
  （1）移动标定板到画面的最左、右，最上、下方。
  （2）移动标定板到视野的最近和最远处。
  （3）移动标定板使其充满整个画面。
  （4）保持标定板倾斜状态并使其移动到画面的最左、右，最上、下方 。
• 当标定板移动到画面的最左、右方时，此时，窗口的x会达到最小或满值。同理，y指示标定板的在画面的上下位置，size表示标定板在视野中的距离，也可以理解为标定板离摄像头的远近。skew为标定板在视野中的倾斜位置。每次移动之后，请保持标定板不动直到窗口出现高亮提示。
• 直到条形变为绿色。当calibration按钮亮起时，代表已经有足够的数据进行摄像头的标定，此时请按下calibration并等待一分钟左右，标定界面会变成灰色，无法进行操作，属于正常情况。
  

5. 获得标定结果:

• 在标定完成后，终端会输出校正结果。如下所示：
  
  其中，K为相机内参矩阵，distortion为畸变系数矩阵。
  camera matrix：摄像头的内部参数矩阵
  distortion：畸变系数矩阵
  rectification：矫正矩阵，一般为单位阵
  projection：外部世界坐标到像平面的投影矩阵
• 点击SAVE按钮。
  
• 如果对标定结果满意，点击COMMIT按钮将结果保存到默认文件夹，终端输出如下信息，说明标定结果已经保存在相应文件夹下。下次启动usb_cam节点时，会自动调用。
  ('Wrote calibration data to', '/tmp/calibrationdata.tar.gz')
  
  其中ost.yaml文件即为相机内参的标定文件。

拓展（Autoware的相机内参标定）：

上述操作均为使用官方的usb_cam驱动和camera_calibration包进行标定，获得的标定文件格式和使用Autoware得到的略有不同。因此，若后续还需利用Lidar和camera进行外参的联合标定，则建议使用Autoware中的相机内参标定程序来完成，步骤如下（Autoware的安装可参考之前的博客）：

1. 启动摄像头驱动节点：

rosrun usb_cam usb_cam_node

此时发布的图像topic为：/usb_cam/image_raw

2. 运行Autoware的相机标定节点：

cd autoware.ai
source install/setup.bash
rosrun autoware_camera_lidar_calibrator cameracalibrator.py --size 7x9 --square 0.1 image:=/usb_cam/image_raw camera:=/camera --no-service-check 

3. 标定完成后，点击SAVE按钮，标定结果会保存在home文件夹下，名称类似为20200809_1639_autoware_camera_calibration.yaml：
   

• 也可参考此博客利用SmartCAR中的工具进行标定。