CN101261737A

CN101261737A - 数字航测相机的二维标定装置及其标定方法

Info

Publication number: CN101261737A
Application number: CNA2008100556549A
Authority: CN
Inventors: 黄静; 马文礼; 高晓东; 梁伟
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2008-09-10

Abstract

数字航测相机的二维标定装置及其标定方法，由内方位仪、计算机、被测航测相机及平行光管组成，内方位仪为二维精密内方位仪，主要包括被检系统固定框架、俯仰轴、方位轴及两轴转台；被测航测相机安装在内方位仪的被检系统固定框架内；平行光管位于被测航测相机的前方；标定过程中，计算机通过驱动控制装置控制内方位仪的俯仰轴与方位轴的转动，对俯仰轴与方位轴内设置的编码器输出的数据采集，通过图像采集卡对被测航测相机进行像点位置采集，计算机利用采集的俯仰、方位编码器角度值及相应的像点位置像素坐标，通过数学模型，标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。本发明实现大视场大面阵数字航测相机的精确标定，且标定装置简单，标定精度高。

Description

数字航测相机的二维标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及数字航测相机的一种数字航测相机的二维标定装置及其标定方法。

背景技术

为提高航测相机的测量精度，通常在每台航测相机执行航拍任务前，都需要进行严格的标定，测出航测相机的内方位元素及畸变。

目前的航测相机室内标定法大都属于纯光学标定法，包括：正/反向节点滑轨法、平行光管组法和测角法，其中正/反向节点滑轨法不适用于整架相机的畸变测量；平行光管组法的测量装置复杂；传统测角法适用于胶片式航测相机，不适合大视场大面阵数字航测相机的标定。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种数字航测相机的二维标定装置及其标定方法，实现大视场大面阵数字航测相机的精确标定，且标定装置简单，标定精度高。

本发明的技术解决方案：数字航测相机的二维标定装置，由内方位仪、计算机、被测航测相机及平行光管组成，所述的内方位仪为二维精密内方位仪，主要包括被检系统固定框架、俯仰轴、方位轴及两轴转台；被检系统固定框架与俯仰轴相连，可随着俯仰轴同步转动，两轴转台一端与俯仰轴相连，另一端与方位轴紧密相连，方位轴的转动可同时带动两轴转台及俯仰轴在水平方向转动；被测航测相机安装在内方位仪的被检系统固定框架内，其前后位置可以调节；平行光管位于被测航测相机的前方；标定过程中，计算机通过驱动控制装置控制内方位仪的俯仰轴与方位轴的转动，对俯仰轴与方位轴内设置的编码器输出的数据采集，通过图像采集卡对被测航测相机进行像点位置采集，计算机利用采集到的一组俯仰、方位编码器角度值及相应的像点位置像素坐标，通过数学模型，标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。

一种数字航测相机的二维标定方法，步骤如下：

(1)数字航测相机标定时，将被测航测相机安装在内方位仪被检系统固定框架内部，并使其入瞳落在俯仰轴和方位轴的焦点上，调好平衡；

(2)在被测航测相机的前方，与内方位仪测量机架俯仰轴相同高度处放置平行光管，使平行光管星点板孔直径在被测航测相机像面上的像压2x2个像素以上，便于被测航测相机细分测量；

(3)被测航测相机和平行光管调整好后，控制内方位仪俯仰轴和方位轴带动其被检系统固定框架转动(通常每次转动等间距角度)，使平行光管的点像目标依次成像在被测航测相机的像面上，并依次同时采集获取点像目标相应俯仰、方位编码器的角度值和点像目标在被测航测相机上的像素坐标；

(4)利用测得的角度值、像素坐标及相应的数学模型标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。

上述的数学模型包括：相机内方位元素的数字模型，即主距f、主点P_x、P_y的模型，及相机畸变的数学模型，其中主距f、主点P_x、P_y的模型如下：

f = \frac{D_{1} C_{5} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{8} + D_{2} C_{3} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{9} + D_{3} C_{2} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{x} = \frac{D_{1} C_{4} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{7} + D_{2} C_{3} C_{7} - D_{2} C_{1} C_{9} + D_{3} C_{1} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{4}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{y} = \frac{D_{1} C_{5} C_{7} - D_{1} C_{4} C_{8} + D_{2} C_{1} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{7} + D_{3} C_{2} C_{4} - D_{3} C_{1} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

相机畸变的数学模型如下：

D_x＝x-f·secE·tgA+P_y·secE·tgE·tgA+P_x·tg²A

D_y＝y-f·tgE+P_y·tg²E

将计算得到的f，P_x，P_y代入D_x，D_y式中，即可计算出相机畸变值D_x，D_y；上式中：A为内方位仪的方位角，E为内方位仪的俯仰角，S为物镜入瞳中心，设XOY平面为像平面，P点为像平面的主点，f为相机的主距，x，y为XOY像平面内任一像点坐标。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明的标定装置中采用了精密研制的内方位仪，简化了系统结构，由于内方位仪俯仰角与方位角的测量方向范围较大，所以适合大视场、大面阵数字航测相机的标定。

(2)本发明的标定过程中人工干预较少，标定装置采用高精度内方位仪，像点位置坐标提取精度高，测量原理误差小等原因使得标定精度较高。

(3)本发明的系统光学位置调整好后，被测航测相机一次采集便可获取一像点的位置坐标及其相应内方位仪编码器俯仰角及方位角的数值，由于标定过程中通常采用等间距角度标定，通过测量软件可实现全自动采集测量，测量周期短。

附图说明

图1为本发明的标定装置原理框图；

图2为本发明的二维畸变测量原理图；

图3为本发明的图像平面坐标系图；

图4为本发明的计算机控制简图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由内方位仪、计算机1、被测航测相机2及平行光管3组成。内方位仪主要由被检系统固定框架4、俯仰轴5、方位轴6及两轴转台7组成，两轴转台7内部设计有高精度编码器，被检系统固定框架4与俯仰轴5相连，可随着俯仰轴5同步转动，两轴转台7除了与俯仰轴5相连外还与方位轴6紧密相连，方位轴6的转动可同时带动两轴转台7及俯仰轴5在水平方向转动；内方位仪俯仰角的测量方向范围13为±35°，方位角的测量方向范围14为±45°。被测航测相机2安装在内方位仪的被检系统固定框架4内，通过调整装置8可调节其前节点前后位置。平行光管3位于被测航测相机2前方，采用可见光像点光源9。标定过程中，计算机1通过驱动控制装置10控制内方位仪俯仰轴5与方位轴6的转动，俯仰轴5与方位轴6上分别设有编码器，通过串口实现对编码器输出数据11的采集，通过图像采集卡12对被测航测相机2进行像点位置采集，计算机1利用采集到的一组俯仰、方位编码器角度值及相应的像点位置像素坐标，结合数学模型，标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。

如图2所示，本发明标定装置中采用的数学模型建立示意图，其中A表示内方位仪的方位角，E表示内方位仪的俯仰角，S为物镜入瞳中心，XOY平面为像平面，P点为像平面的主点，f为相机的主距，M(x，y)为像平面内任一像点坐标。根据图2所示几何关系，可得出关系式：

x-P_x＝f_a·tg(A-ΔA) (1)

y-P_y＝f·tg(E-ΔE)

其中f_a＝f·sec(E-ΔE)

D_x＝x-P_x-f_a·tg(A-ΔA)

畸变表达式 (2)

D_y＝y-P_y-f·tg(E-ΔE)

tg(A_i，j-ΔA)≈tgA_i，j-sec²A_i，j·ΔA

泰勒公式简化后 sec(E_i，j-ΔE)≈secE_i，j-secE_i，j·tgE_i，j·ΔE (3)

tg(E_i，j-ΔE)≈tgE_i，j-sec²E_i，j·ΔE

ΔA \approx \frac{P_{x}}{f_{a}},

ΔE \approx \frac{P_{y}}{f},

得到畸变的标准表达式：

D_x＝x-f·secE·tgA+P_y·secE·tgE·tgA+P_x·tg²A

(4)

D_y＝y-f·tgE+P_y·tg²E

用最小二乘法使畸变的均方和最小

\frac{&PartialD; (Σ ({D_{x (i, j)}}^{2} + {D_{y (i, j)}}^{2}))}{&PartialD; f} = 0,

\frac{&PartialD; (Σ ({D_{x (i, j)}}^{2} + {D_{y (i, j)}}^{2}))}{&PartialD; P_{x}} = 0,

\frac{&PartialD; (Σ ({D_{x (i, j)}}^{2} + {D_{y (i, j)}}^{2}))}{&PartialD; P_{y}} = 0 - - - (5)

由式(5)得到以下三元一次方程组：

f∑(tg²E+sec²Etg²A)-P_x∑secEtg³A-P_y∑(tg³E+sec²Etg²AtgE)

＝∑(xsecEtgA+ytgE)

f∑(tg³E+sec²Etg²AtgE)-P_x∑secEtgEtg³A-P_y∑(tg⁴E+sec²Etg²Etg²A) (6)

＝∑(xsecEtgEtgA+ytg²E)

f∑secEtg³A-P_x∑tg⁴A-P_y∑secEtgEtg³A＝∑xtg²A

将式(6)简化：

fC₁-p_xC₂-p_yC₃＝D₁

fC₄-p_xC₅-p_yC₆＝D₂ (7)

fC₇-p_xC₈-p_yC₉＝D₃

计算式(7)得：

f = \frac{D_{1} C_{5} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{8} + D_{2} C_{3} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{9} + D_{3} C_{2} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}} - - - (8)

p_{x} = \frac{D_{1} C_{4} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{7} + D_{2} C_{3} C_{7} - D_{2} C_{1} C_{9} + D_{3} C_{1} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{4}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}} - - - (9)

p_{y} = \frac{D_{1} C_{5} C_{7} - D_{1} C_{4} C_{8} + D_{2} C_{1} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{7} + D_{3} C_{2} C_{4} - D_{3} C_{1} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}} - - - (10)

C₁＝∑(tg²E+sec²Etg²A)，C₂＝∑secEtg³A，C₃＝∑(tg³E+sec²Etg²AtgE)

C₄＝∑(tg³E+sec²Etg²AtgE)，C₅＝∑secEtgEtg³A，C₆＝∑(tg⁴E+sec²Etg²Etg²A)

C₇＝∑secEtg³A，C₈＝∑tg⁴A，C₉＝∑secEtgEtg³A

D₁＝∑(xsecEtgA+ytgE)，D₂＝∑(xsecEtgEtgA+ytg²E)，D₃＝∑xtg²A

上述公式中的A，E可通过编码器直接测得。图3中的O’为屏幕坐标原点，O为编码器俯仰角和方位角均为零度时的像点位置，通过坐标转换，将软件测得的屏幕坐标转换为以O点为坐标原点的坐标，可得到x，y。将A，E，x，y分别代入式(8)、(9)、(10)可得到相机内方位元素，即主距：f；主点：P_x和P_y的值，将计算得到的f，P_x，P_y代入式(4)可算出相机畸变值D_x，D_y。

如图4所示，标定过程中计算机测控软件实时采集显示被测航测相机图像，通过设置编码器的角度值控制内方位仪俯仰轴、方位轴转动到指定位置，采集编码器的角度值，并对此时显示的像点位置利用CCD细分方法提取其质心像素坐标，测点数加1，若不满足测点数计划，重复执行上述过程，若测点数足够，则利用标定数学模型计算出被测航测相机的内方位元素及畸变。

本发明的标定步骤如下：

(2)在被测航测相机的前方，与内方位仪测量机架俯仰轴相同高度处放置平行光管，使平行光管星点板孔直径在被测航测相机CCD像面上的像压2x2个像素以上，便于CCD细分测量，调整平行光管的位置，使平行光管光轴与被测相机光轴平行。调整CCD距离光学镜头的距离，使点像目标成像面积最小、亮度最强。调整CCD中心使其在被测相机的光轴上；

(3)被测航测相机和平行光管调整好后，控制内方位仪俯仰轴和方位轴带动其被检系统固定框架转动(转动角度为等间距)，使平行光管的点像目标依次成像在被测航测相机的CCD像面上，利用计算机测控软件依次采集点像目标相应俯仰、方位编码器的角度值和点像目标在CCD上的像素坐标(为保证测量精度，在对点像目标采样时，测量机架处于静止状态)；

(4)被测航测相机的测点数、测点位置可定义选取。被测航测相机视场内所有待测点测量完成后，利用测得的一组角度值、像素坐标及相应的数学模型计算出被测航测相机的内方位元素及畸变。为提高测量精度，可重复测量多次取均值。

Claims

1、数字航测相机的二维标定装置，其特征在于包括：内方位仪、计算机(1)、被测航测相机(2)及平行光管(3)组成，所述的内方位仪为二维精密内方位仪，主要包括被检系统固定框架(4)、俯仰轴(5)、方位轴(6)及两轴转台(7)；被检系统固定框架(4)与俯仰轴(5)相连，可随着俯仰轴(5)同步转动，两轴转台(7)一端与俯仰轴(5)相连，另一端与方位轴(6)紧密相连，方位轴(6)的转动可同时带动两轴转台(7)及俯仰轴(5)在水平方向转动；被测航测相机(2)安装在内方位仪的被检系统固定框架(4)内，其前后位置可以调节；平行光管(3)位于被测航测相机(2)的前方；标定过程中，计算机(1)通过驱动控制装置(10)控制内方位仪的俯仰轴(5)与方位轴(6)的转动，对俯仰轴(5)与方位轴(6)内设置的编码器输出的数据(11)采集，通过图像采集卡(12)对被测航测相机(2)进行像点位置采集，计算机(1)利用采集到的一组俯仰、方位编码器角度值及相应的像点位置像素坐标，通过数学模型，标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。

2、根据权利要求1所述的数字航测相机的二维标定装置，其特征在于：所述的数学模型包括：相机内方位元素的数字模型，即主距f、主点P_x、P_y的模型，及相机畸变的数学模型，其中主距f、主点P_x、P_y的模型如下：

f = \frac{D_{1} C_{5} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{8} + D_{2} C_{3} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{9} + D_{3} C_{2} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{x} = \frac{D_{1} C_{4} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{7} + D_{2} C_{3} C_{7} - D_{2} C_{1} C_{9} + D_{3} C_{1} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{4}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{y} = \frac{D_{1} C_{5} C_{7} - D_{1} C_{4} C_{8} + D_{2} C_{1} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{7} + D_{3} C_{2} C_{4} - D_{3} C_{1} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

相机畸变的数学模型如下：

D_x＝x-f·secE·tgA+P_y·secE·tgE·tgA+P_x·tg²A

D_y＝y-f·tgE+P_y·tg²E

3、根据权利要求1所述的数字航测相机的二维标定装置，其特征在于：所述的内方位仪中俯仰轴(5)输出的俯仰角测量方向范围为±35°，方位轴(6)输出的方位角测量方向范围为±45°。

4、一种数字航测相机的二维标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)将被测航测相机(2)安装在内方位仪被检系统固定框架(4)内部，并使其入瞳落在俯仰轴和方位轴的焦点上，调好平衡；

(2)在被测航测相机(2)的前方，与内方位仪测量机架俯仰轴相同高度处放置平行光管(3)，使平行光管星点板孔直径在被测航测相机(2)的像面上的像压2x2个像素以上，便于被测航测相机(2)细分测量；

(3)被测航测相机(2)和平行光管(3)调整好后，控制内方位仪中的俯仰轴(5)和方位轴(6)带动被检系统固定框架(4)转动，使平行光管(3)的点像目标依次成像在被测航测相机(2)的像面上，并依次同时采集获取点像目标相应俯仰角度值、方位角度值和点像目标在被测航测相机(2)上的像素坐标；

(4)利用测得的俯仰角度值、方位角度值、像素坐标及数学模型标定出被测航测相机的内方位元素及畸变。

5、根据权利要求4所述的数字航测相机的二维标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中的数学模型包括：相机内方位元素的数字模型，即主距f、主点P_x、P_y的模型，及相机畸变的数学模型，其中主距f、主点P_x、P_y的模型如下：

f = \frac{D_{1} C_{5} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{8} + D_{2} C_{3} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{9} + D_{3} C_{2} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{x} = \frac{D_{1} C_{4} C_{9} - D_{1} C_{6} C_{7} + D_{2} C_{3} C_{7} - D_{2} C_{1} C_{9} + D_{3} C_{1} C_{6} - D_{3} C_{3} C_{4}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

p_{y} = \frac{D_{1} C_{5} C_{7} - D_{1} C_{4} C_{8} + D_{2} C_{1} C_{8} - D_{2} C_{2} C_{7} + D_{3} C_{2} C_{4} - D_{3} C_{1} C_{5}}{C_{1} C_{5} C_{9} - C_{1} C_{6} C_{8} + C_{2} C_{6} C_{7} - C_{2} C_{4} C_{9} + C_{3} C_{4} C_{8} - C_{3} C_{5} C_{7}}

相机畸变的数学模型如下：

D_x＝x-f·secE·tgA+P_y·secE·tgE·tgA+P_x·tg²A

D_y＝y-f·tgE+P_y·tg²E