基於差分GPS系統的外場大視場條件下的攝像機標定方法與流程
2023-10-28 07:44:27 2

本發明主要利用差分gps系統高精度、簡單快速地獲得攝像機空間控制點坐標及控制點對應像點的圖像坐標的優點,對外場大視場條件下的攝像機進行標定。
背景技術:
隨著科學技術的不斷發展,攝影測量技術已經廣泛應用於各種精密測量和運動測量,涉及航空航天、國防試驗、勘察勘測、交通運輸等領域。它相對於其他測量技術的主要優勢在於其高精度、非接觸、運動和動態測量、實時測量等顯著特點。高精度標定攝像機參數是進行高精度攝像測量的基礎,包括主點、焦距等內參數、描述攝像機安裝位置、姿態的外參數和描述鏡頭畸變的像差係數。因此研究具有精度高、實用性強、操作簡單等特點的攝像機標定方法有著重要的理論意義和應用價值。
近年來,攝像機標定的方法發展迅猛。攝像機標定實施方式有兩大類:一類是通過經緯儀、準直光管、標定試驗場等專用設備進行標定;另一類用攝像機拍攝標定參照物,即標定靶標的圖像,再通過分析圖像來求解像機參數。在攝像機標定方法發展過程中,比較經典的標定方法包括tsai、weng、以及zhang等人的標定方法。這些方法是通過精確給定的空間控制點或控制線等結構已知的參照物進行成像,或者是從不同角度拍攝多幅棋盤格圖像得到標定結果。但這些標定方法由於參照物尺寸較小,只適用於實驗室等視場較小的情況,在外場等大視場環境下則不能使用,故局限性顯而易見。在筆者的工程實踐中,經常遇到在外場等大視場環境下的攝像機標定問題,攝像機的視場範圍達到3km×50m。傳統的標定方法要求控制點或者控制線均勻分布在攝像機視場中,才能得到比較穩定、精確的標定結果,這些條件在小視場或實驗室條件下是容易滿足的,如實驗室常用的十字絲標靶、棋盤格標板等。但在上述的外場大視場環境下,特別是在空曠的、沒有高大建築物的外場環境下,則無法輕易獲取均勻分布在攝像機視場的控制點。
技術實現要素:
本發明要解決的技術問題是利用差分gps系統高精度、簡單快速地獲得攝像機空間控制點坐標及控制點對應像點的圖像坐標的優點,對外場大視場條件下的攝像機進行標定。該發明解決了外場大視場條件下難以獲得空間控制點的問題,且由於差分gps系統的測量精度能達到釐米級,理論上只需要控制點布滿視場內就能解算出結果,故該標定方法精度高、簡單實用。
本發明的技術方案是將差分gps系統的移動部分裝載到飛行平臺上構成空間控制點單元,基準部分放在世界坐標系的原點。控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動,獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標,用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標。再根據控制點的空間坐標和對應像點的圖像坐標的標定方法計算像機的內外參數初值,最後經優化得到精確的標定參數。方案主要分為以下三步:首先控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動,獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標,然後利用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標,最後標定出外場大視場條件下的攝像機內外參數。
1、差分gps系統定位測量,獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標;
gps單點定位的精度不高,究其原因,主要的因素有衛星星曆誤差、大氣延遲(電離層延遲、對流層延遲)誤差、多路徑誤差和衛星的鐘差等。為了消除這些誤差,如果能在已知點上放置一臺固定不動的gps接收機(稱為基準站),與用戶(稱為移動站)一起進行gps觀測,再將基準站的誤差改正數發送到移動站,其定位精度就能大幅提高,這就是差分gps的基本原理。附圖1為差分gps原理圖。
差分gps定位測量系統主要是用來獲得大視場條件下難以得到的控制點在世界坐標系下的三維坐標值。由於差分gps定位測量系統分為以下兩種模式:實時載波相位差分測量即rtk模式(realtimekinematic),它在測量過程中可以實時提供釐米級精度的三維坐標;另一種為事後差分處理模式,故其硬體組成也不同。在事後差分處理模式下,由於不需要將基準站的數據通過電臺實時地傳輸到移動站進行rtk處理,而只要將基準站和移動站各自的同時獨立進行觀測的觀測數據保存下來,故只需要基準站、移動站、天線、電源及其配件即可,不需要沉重的主電臺和移動電臺。由於飛行平臺的有效載荷有限,基本原則是移動部分的重量越精簡越好,所以我們採用了事後差分處理的方案,這樣有效地增加了飛行平臺的飛行效率和飛行時間,在實際操作上取得了良好的效果。但同時聲明,如果飛行平臺的載重量足夠的話,利用實時rtk獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標的方法也是完全可行的。圖2-圖3是兩種差分gps系統模式示意圖。
2、基於差分gps系統的攝像機標定,提取控制點空間坐標及其對應像點的圖像坐標;
2.1空間控制點的空間坐標與其對應像點的圖像坐標的時統問題
由於本發明採用的標定方法需要獲得某時刻某個空間控制點的空間坐標與其對應像點的圖像坐標,故需要將獲得的空間控制點的空間坐標的時間與其對應像點的圖像坐標的時間統一對齊。本發明分別使用了有時統模塊和無時統模塊兩種方案來解決空間控制點空間坐標與其對應像點的圖像坐標的時間統一問題。
2.1.1有時統的方案
在有時統的方案中,本發明在待標定像機中加上gps時間模塊,利用gps授時,這樣拍攝得到的控制點圖像帶有gps時間信息,再與差分gps系統獲得的空間控制點的空間坐標的gps時間對齊,就能得到時間統一的空間坐標和圖像坐標數據。
2.1.2無時統的方案
在沒有時統的方案中,又分兩種情形:像機有無本地時間的情形:
如果像機有本地時間,如附圖4所示。則飛行平臺起飛後,控制它上下運動,選擇一個運動的臨界點,設為a點,設此時刻的差分gps系統時間為tag,像機拍攝的本地時間為tax;同樣地,當飛行平臺在像機視場內均勻運動後降落時,重複起飛後的上下運動,選擇一個臨界點,設為b點,設此時刻的差分gps系統時間為tbg,像機拍攝的本地時間為tbx。故可以將tag與tax、tbg與tbx的數據對應起來,這樣就解決了無時統情況下空間控制點空間坐標與其對應像點的圖像坐標的時間統一問題。圖4為無時統有本地時間情況下飛行平臺運動示意圖。
如果像機沒有本地時間,則飛行平臺起飛後,控制它在事先設定的空間點位置懸停,這樣就能得到一段在空間位置和圖像中都相對靜止的目標,再用平均法求解出此段時間內控制點空間坐標和圖像坐標的均值。用同樣的方法,控制飛行平臺在像機視場中懸停,得到遍布視場的控制點空間坐標和圖像坐標,這樣就解決了無時統情況下像機無本地時間的空間控制點空間坐標與其對應像點的圖像坐標的時間統一問題。
3、攝像機內外參數的標定;
3.1攝像機內外參數的初值求解
本發明採用了「基於共線方程的高精度標定方法」。由中心透視投影疊加非線性鏡頭畸變的成像模型可知,其用投影矩陣各元素描述的共線方程為:
其中,(x,y)為帶像差的圖像坐標,(x,y,z)為標誌點在世界坐標系中的空間坐標,m0~m11為投影矩陣m的各元素,矩陣m描述了空間點到圖像點的中心透視投影關係,可展開為下式:
在式(3.2)中,(cx,cy)為圖像主點坐標,即攝像機光軸穿過成像靶面位置對應的圖像坐標。fx和fy為橫向和縱向成像的等效焦距,即鏡頭實際焦距分別與攝像機成像靶面單個像元橫向和縱向物理尺寸的比值。r0~r8為攝像機旋轉矩陣r的各個元素,形式為:
基於共線方程的標定方法,具體方法可以細分成很多種,比如:已知六個及以上異面控制點的標定方法、已知光心坐標+四個及以上非共線控制點的標定方法、已知像機內參+六個及以上異面控制點的標定方法、已知像機內參+四個及以上非共線控制點的標定方法等。而像機成像時鏡頭畸變引起的像差,也有幾種典型的像差模型來描述,例如:weng氏像差模型、d.c.brown像差模型等。
3.2、攝像機內外參數的精確值求解
利用基於共線方程的標定方法求出像機內外參數的初值後,可以用很多優化方法進行參數優化,比如:用非線性最小二乘法對所有求得初值的內外參數進行優化、利用光束法平差法,以重投影結果與實際像點之間的偏差最小作為優化目標函數、l-m迭代法、高斯牛頓迭代法等。至此,我們需要的像機內外參數的精確值求解完畢。
現在的問題簡化成要得到攝像機視場內空間控制點的三維坐標和控制點對應像點的圖像坐標。為了更加精確地標定出像機內外參數的初值,就必須人為地在攝像機視場內設置均勻分布的控制點。本發明將差分gps系統的移動部分裝載到飛行平臺上構成空間控制點單元,而基準部分放在世界坐標系的坐標原點,由此差分gps系統可以得到飛行平臺上移動站天線在以地面基準站天線為原點的世界坐標系下精確的空間坐標值;然後用待標定像機採集這些控制點的圖像,再利用目標跟蹤定位或人工提點的方法提取各控制點的像點坐標,接著根據上述「基於共線方程的高精度標定方法」求解出待標定像機的內外參數的精確值。
上述「基於共線方程的高精度標定方法」,不需要事先在實驗室標定出像機的內參,而是直接在現場快速地把攝像機的內外參數一起標定出來。但如果要減少標定現場設置的控制點個數,本發明也可以事先在實驗室高精度地標定出像機的內參,並在優化時將此內參代入作為初值,同樣可以解算出像機的外參數。附圖5為飛行平臺飛行軌跡示意圖。
本發明可以達到以下的技術效果:
1、適用於外場大視場條件下的攝像機標定;
2、不需要事先在實驗室標定出內參,而是直接在現場把攝像機的內外參數一起標定出來;
3、不要求事先在攝像機視場內布設控制點,理論上只需要控制點在視場內均勻分布就能解算出結果,操作簡單高效;
4、差分gps系統的測量精度能達到釐米級,故該標定方法的精度高;
5、設備通用性強,方便使用,對一般大視場條件下的攝像機標定都適用;
6、所需硬體設備成熟,成本較低,具有很強的工程實用性。
附圖說明
圖1差分gps原理圖,
圖2實時rtk模式示意圖,
圖3事後差分模式示意圖,
圖4無時統有本地時間情況下飛行平臺運動示意圖,
圖5飛行平臺飛行軌跡示意圖。
具體實施方式
本發明將差分gps系統的移動部分裝載到飛行平臺上構成空間控制點單元,創新性地通過控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標,再用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標。
本發明採用空間控制點單元獲得的控制點空間坐標與其對應像點的圖像坐標的標定方法計算像機的內外參數。由於差分gps系統的測量精度能達到釐米級,且理論上只需要控制點在視場內均勻分布就能解算出結果,故該標定方法精度高、簡單實用。本發明可用於外場大視場條件下的攝像機標定,具有重要的理論研究意義和廣泛的應用前景。
本發明提出了針對外場大視場條件下攝像機參數標定的一種典型流程為:
1)將待標定的攝像機對著飛行平臺飛行的方向並加以固定。再將差分gps系統的基準站天線放置在世界坐標系的參考點,而移動站部分安裝固定在飛行平臺上。
2)控制飛行平臺在待標定攝像機的視場範圍內緩慢飛行,儘量使飛行平臺的飛行軌跡覆蓋待標定攝像機的整個視場,且飛行平臺距離像機要有縱深方向的變化。在飛行平臺飛行的同時,攝像機也要同時記錄有飛行平臺作為控制點的圖像。
3)在攝像機拍攝的有控制點的圖像上利用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取飛行平臺上移動站天線的圖像坐標,選取在視場中均勻分布的圖像坐標點作為標定控制點,這樣就能標定出攝像的內外參數。