采集标定图像的最佳实践：角度、覆盖、对焦与曝光

要点

先锁定相机状态：对焦、光圈、变焦、分辨率与实际使用时完全一致，关闭自动对焦和各类图像增强。
单台相机通常采集 15–30 张有效图像（经验值），关键在于姿态多样，而不是数量多。
标定板要绕两个轴各倾斜约 30–45°，特征点要覆盖画面四角和边缘，拍摄距离也要有远近变化。
图像要清晰、不过曝、没有运动模糊；标定板保持平整、静止。
双目和多相机必须同步采集，并使用方向唯一的标定板。

开拍之前：把相机“锁死”

标定得到的是“这台相机在这一组设置下”的参数。凡是会改变成像几何的设置，都应在标定前调到最终状态并固定：

对焦：在实际工作距离上对焦，然后锁紧对焦环，必要时用胶固定；关闭自动对焦。
光圈和变焦：调到使用状态后锁定。光圈还决定景深，要先确认标定板倾斜时整块板都清晰。
分辨率、binning、ROI：与实际应用保持一致。裁剪 ROI 会改变主点坐标，binning 会改变以像素计的焦距。
图像处理：关闭相机或驱动中的畸变校正、电子防抖、HDR、锐化和强降噪，它们会改变像素的几何位置或边缘形状。
图像格式：保存为 PNG、TIFF、BMP 等无损格式，避免高压缩比的 JPEG。
热稳定：让相机通电工作一段时间、温度稳定后再采集。精度要求高时，相机发热带来的参数漂移是可以测出来的。

需要拍多少张？

对单台相机、常规畸变模型而言，15–30 张姿态各异的有效图像通常就够了（经验值）。以下情况需要更多：

使用 8 参数有理模型、薄棱镜模型或鱼眼模型；
双目和多相机，既要保证每台相机自身的覆盖，又要有足够的共视图像；
视场大而标定板相对较小，单张图的覆盖范围有限。

判断标准不是张数，而是每张新图是否带来了新信息：新的倾斜方向、新的画面位置或新的拍摄距离。几乎重复的图像没有帮助，还会让结果偏向某一区域。

为什么一定要倾斜标定板？

如果标定板始终正对相机，图像之间只有平移和缩放的差别，焦距与拍摄距离就分不开：焦距大一点、距离远一点，得到的图像几乎一样。倾斜带来的透视变化，正是确定焦距和主点的关键。

具体建议：

绕水平轴和竖直轴分别倾斜，常用范围约 ±30–45°，另外包含几张接近正对的图像；
倾斜超过约 60° 后，方格在图像上被严重压缩，检测难度和误差都会增加；
在板面内转动标定板（如 0°、45°、90°）也有帮助，可以让特征的边缘方向更多样；
倾斜时检查景深：板的近端和远端都必须清晰。

怎样保证画面四角和边缘都有覆盖？

镜头畸变在画面边缘和四角最大，那里最需要数据。如果所有图像都集中在中央，边缘的畸变只能靠模型外推，误差可能达到数个像素。

一个简单的做法是把画面想象成 3×3 的九宫格，确保每一格，尤其是四个角，都在多张图像中出现过特征点，而且这些图像的倾斜方向各不相同。

ChArUco 和 AprilGrid 允许部分可见，可以把板的一部分移出画面，让角点贴近图像边缘。普通棋盘格和圆点阵列要求整板可见，只能用更小的板或更远的距离来照顾边角。

拍摄距离要不要变化？

要。在景深允许的范围内改变拍摄距离（例如工作距离前后各 10–20%，经验值），能进一步把焦距、畸变和位姿区分开。如果实际应用有一个距离范围，标定数据也应覆盖这个范围。

如果现场条件只允许在比工作距离更近的地方摆放标定板，要特别确认：在对焦锁定的前提下板仍然清晰。为了让近处的板变清楚而重新对焦是不行的，因为对焦改变后，焦距和畸变也会随之改变。

一个可以照着做的拍摄顺序

以单台相机、20 张左右为例，可以按下面的顺序拍摄，再根据覆盖情况补拍：

中央 4 张：板位于画面中央，分别向上、向下、向左、向右倾斜约 30–40°；
四角和四边 8 张：把板依次移到画面的四个角和四条边的中部，尽量贴近图像边缘，每个位置换一种倾斜方向；
远近 4 张：在工作距离的近端和远端各拍 2 张，同样带有倾斜；
旋转 4 张：把板在自身平面内旋转约 45° 或 90°，放在前面覆盖较少的区域；
检查补拍：叠加所有特征点，哪里稀疏就在哪里补拍几张。

每张图的板都应占据画面相当的比例。使用 ChArUco 或 AprilGrid 时，第 2 步可以让板的一部分移出画面，使角点更贴近图像边缘。

对焦和清晰度

模糊会降低角点和圆心的定位精度，严重时直接导致检测失败。需要注意：

倾斜的板远近两端距离不同，要确认两端都在景深之内；
缩小光圈能增加景深，但衍射模糊会增加，曝光时间也要加长，需要权衡；
对焦一旦锁定就不再调整。为了让某张图更清楚而重新对焦，会让整组数据作废。

照明和曝光怎么设？

均匀、漫射的照明：大面积柔光优于点光源，也要避免操作者或机器人在板上投下阴影。
避开反光：出现亮斑时调整光源或标定板的角度，必要时使用偏振片。
不要过曝：白色区域不应饱和（8 位图像中要明显低于 255），黑色区域也不要被压到 0。看一下直方图，黑白两个峰应清楚分开，且都没有贴边。
固定曝光和增益：建议使用手动设置，让各张图的亮度和噪声水平一致。

运动模糊与快门

运动模糊的大小可以粗略估算：

模糊量（px）≈ 运动速度（mm/s）× 曝光时间（s）× 物方分辨率（px/mm）

例如物方分辨率 8.7 px/mm、曝光 10 ms 时，即使标定板只以 5 mm/s 的速度轻微晃动，也会产生约 0.4 px 的模糊，已经超过高质量标定所追求的精度。因此：

最好把标定板放在支架上，静止后再拍；手持时要缩短曝光、加强照明；
卷帘快门（rolling shutter）相机拍摄运动物体会产生形变，拍摄瞬间必须完全静止；
照明不足时，优先增加光源亮度，而不是延长曝光或大幅提高增益。

移动标定板，还是移动相机？

对单台相机的内参标定来说，两者在数学上等价：求解时只关心标定板与相机之间的相对位姿。实际操作中按方便和稳定来选：

相机已经安装在设备上，通常移动标定板，放在可调角度的支架上逐个姿态拍摄；
相机装在机器人末端时，可以固定标定板，由机器人带着相机走过一系列姿态，重复性好，还可以顺便采集手眼标定的数据；
多相机系统一般固定相机、移动标定板，否则各相机之间的相对位置可能在搬动中改变。

无论哪种方式，都要保证拍摄瞬间完全静止，并且照明条件不随位置剧烈变化。

标定板要平整、稳定

用支架或夹具固定，大尺寸板要多点支撑，不要捏着一角悬空晃动；
不要用手指遮挡标记或角点，也不要触摸图案表面；
从库房或车上取出的标定板，先在现场放置一段时间，温度平衡后再用。

双目与多相机：同步和共视

同步：优先用硬件触发；无法硬件同步时，每次拍摄前让标定板完全静止。
共视：要有足够多的帧让标定板同时出现在相关相机中，这些共视帧本身也要满足倾斜、覆盖和远近变化的要求。
兼顾单机覆盖：只有一台相机看到的图像同样有价值，可以补充这台相机画面边缘的覆盖。
方向唯一：使用 ChArUco、AprilGrid、带标记棋盘格或奇数行非对称圆点，避免对称图案造成编号歧义。

更多内容见双目与多相机标定要点。

采集之后：先检查再计算

逐张查看检测结果，剔除模糊、过曝、检测错误的图像；
把所有检测到的特征点叠加到一张图上，检查四角和边缘是否都有覆盖，缺哪里补拍哪里；
标定后查看逐图误差，对明显偏高的图像先找原因，而不是简单删除。

如何解读结果，见看懂标定结果。

采集检查清单

对焦、光圈、变焦已锁定，自动对焦和图像增强已关闭
分辨率、binning、ROI 与实际应用一致
图像保存为无损格式
有效图像 15–30 张以上，姿态各不相同
包含绕两个轴各 ±30–45° 的倾斜
画面四角与边缘均有特征点覆盖
拍摄距离有远近变化，整块板始终在景深内
没有过曝、运动模糊和明显反光
标定板平整、静止，没有被遮挡
多相机：同步采集，共视帧充足，标定板方向唯一

需要经常重复标定时，可以用电动标定台让姿态变化和拍摄自动完成，提高每次采集的一致性。

要点