基于PyQt5的相机手动标定工具：原理、实现与应用

一、背景介绍

相机标定是计算机视觉中的重要环节，尤其在多相机系统、全景拼接和AR/VR应用中至关重要。当多个相机从不同角度拍摄同一场景时，由于视角差异，直接拼接图像会出现错位和变形。透视变换技术通过数学映射关系，将不同视角的图像转换到同一平面上，实现无缝拼接。

本工具提供了一种交互式的解决方案，让用户能够直观地调整图像间的透视关系，无需复杂的数学计算。

二、功能详解与实现原理

2.1 图像加载与预处理

为什么需要？
不同相机拍摄的图像可能具有不同的分辨率和格式，统一处理可确保后续操作的一致性。

实现方法：

# 加载图像并统一尺寸
img = cv2.imread(path)
if img is None:
    # 创建彩色示例图像
    img = np.zeros((270, 480, 3), dtype=np.uint8)
    img[:] = np.random.randint(0, 255, 3)
    
# 强制统一尺寸为480×270
if img.shape != (270, 480, 3):
    img = cv2.resize(img, (480, 270))
    
# 转换为Qt兼容格式
img_rgb = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
qImg = QImage(img_rgb.data, width, height, bytesPerLine, QImage.Format_RGB888)
pixmap = QPixmap.fromImage(qImg)

关键点：

• 自动处理加载失败情况，创建带有"Sample"文字的随机色图像
• 所有图像统一为480×270分辨率，确保界面一致性
• 颜色空间转换（BGR→RGB）适配Qt显示系统

2.2 交互式透视调整

核心原理：
透视变换通过4个角点的映射关系建立变换矩阵：

原始四边形     目标四边形
(0,0)-------->(x1,y1)
  |             |
  |      →      |
  |             |
(0,h)-------->(x4,y4)

交互功能实现：

# 角点拖动
def mousePressEvent(self, event):
    for i in range(4):  # 遍历4个图像
        for j in range(4):  # 遍历4个角点
            # 检测10像素范围内的点击
            if (self.corners[i][j] - event.pos()).manhattanLength() < 10:
                self.dragging_corner = (i, j)

# 整体拖动
if polygon.containsPoint(event.pos(), Qt.OddEvenFill):
    self.dragging_image = i
    self.drag_offset = event.pos() - self.corners[i][0]

# 滚轮缩放
def wheelEvent(self, event):
    scale_factor = 1.1 if event.angleDelta().y() > 0 else 0.9
    for i in range(4):
        vector = corners[i] - center
        self.corners[i] = center + (vector * scale_factor).toPoint()

视觉反馈设计：

• 蓝色角点：可拖动状态
• 红色角点：正在拖动中
• 手形光标：图像可整体拖动
• 绿色边框：标识图像边界

2.3 透视变换数学原理

透视变换使用3×3单应性矩阵实现点映射：

[x']   [a b c] [x]
[y'] = [d e f] [y]
[w ]   [g h 1] [1]

Qt实现方式：

src_poly = QPolygonF([QPointF(0,0), QPointF(w,0), QPointF(w,h), QPointF(0,h)])
dst_poly = QPolygonF([corner0, corner1, corner2, corner3])

transform = QTransform()
QTransform.quadToQuad(src_poly, dst_poly, transform)

painter.setTransform(transform, True)
painter.drawPixmap(0, 0, pixmap)

为什么需要抗锯齿？
QPainter.SmoothPixmapTransform通过插值算法消除锯齿，使变换后的图像边缘更平滑。

2.4 图像拼接核心技术

OpenCV透视变换流程：

# 定义源点和目标点
src_points = np.array([[0,0], [w-1,0], [w-1,h-1], [0,h-1]], dtype=np.float32)
dst_points = np.array([[x0,y0], [x1,y1], [x2,y2], [x3,y3]], dtype=np.float32)

# 计算变换矩阵
M = cv2.getPerspectiveTransform(src_points, dst_points)

# 应用透视变换
warped = cv2.warpPerspective(
    image, M, (1280, 720),
    flags=cv2.INTER_LINEAR,
    borderMode=cv2.BORDER_TRANSPARENT
)

# 融合到结果图像
result = np.zeros((720, 1280, 3), dtype=np.uint8)
mask = warped.any(axis=2)  # 创建透明度掩码
result[mask] = warped[mask]  # 只覆盖有像素的区域

关键技术点：

• BORDER_TRANSPARENT保留透明通道，实现自然叠加
• 使用掩码技术避免图像重叠区域的像素冲突
• 线性插值(INTER_LINEAR)保持图像质量

2.5 用户界面优化细节

交互设计技巧：

# 光标状态反馈
def mouseMoveEvent(self, event):
    if image_contains_point(event.pos()):
        self.setCursor(Qt.OpenHandCursor)  # 手形光标
    else:
        self.setCursor(Qt.ArrowCursor)  # 默认光标

# 键盘快捷键
def keyPressEvent(self, event):
    if event.key() == Qt.Key_Return: 
        self.process_and_save()
    elif event.key()