五、具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1-图4所示,本发明在具体实施时由以下步骤实现,
1.系统相机对内参数标定:
a.将已经布设由美国3M公司生产的反光材料(型号分别为:7610)为原料制作的直径为10mm(或者直径为8mm)的圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验室,使用V-STARS数字摄影测量系统对标定场测量标志进行测量,得到标志点在摄影测量系统坐标系下坐标(X,Y,Z),V-STARS数字摄影测量系统,由美国GSI公司生产,包含一套V-STARS数字摄影软件、一台INCA3智能相机、一个自动定向棒、两根经过美国NIST(美国国家标准与技术局)标定、长度为1096.mm的基准尺;
b.在距离控制场(标定场)2米左右(2米±0.1米)使用避障相机对对控制场场照相58张,其中前35张照片是水平放置避障相机拍摄得到的,后23张是避障相机旋转90度后所拍摄的,每进行一个位置照相后要对相机进行水平移动,照相得到的相片中至少每张相片中要包含四个以上的编码标志点;
c.步骤a中已经测量得到的标定场控制点三维坐标(X,Y,Z),利用市售的,如郑州辰维科技有限公司研发的避障相机用标定软件对左避障相机得到的58张相片进行图像处理,用光束法平差方法计算出左相机的内参数、以及每张相片相对于摄影测量系统坐标系的外参数;
d.同步骤c可得到右避障相机的内参数、以及58张相片相对于摄影测量系统坐标系的外参数;
e.由于步骤c已得到58张相片相对于摄影测量坐标系的外参数,步骤d也已得到58张照片相对于摄影测量坐标系的外参数,利用相机支架在同一位置时左右相机拍得的照片的外参数,可得到右避障相机相对于左避障相机的相对参数,对在58个位置得到的相对参数求平均,即可得到右相机相对于左相机的相对参数;
相机的内参数包括径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确引起的畸变的总和,这些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差,写成下式:
其中Δx′,Δy′为像点的系统误差;
Δxr,Δyr为径向畸变;
Δxd,Δyd为偏心畸变;
Δxm,Δym为像平面内畸变;
Δxn,Δyn为内方位元素不准确引起的畸变。
顾及到像点系统误差的影响,则实际像点的共线条件方程式可以写成:
式中a1~c3为相机旋转矩阵的参数:
a1=cos(RY)×cos(RZ);
a2=-cos(RY)×sin(RZ);
a3=sin(RY);
b1=sin(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+cos(RX)×sin(RZ);
b2=-sin(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+cos(RX)×cos(RZ);
b3=-sin(RX)×cos(RY);
c1=-cos(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+sin(RX)×sin(RZ);
c2=cos(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+sin(RX)×cos(RZ);
c3=cos(RX)×cos(RY);
式中RX,RY,RZ为相机坐标系空间轴系在标定场坐标系下的三个旋转角度;X、Y、Z为测量点坐标,Xs、Ys、Zs为星敏感器的坐标,f为星敏感器焦距,x、y为测量点在星敏感器中的像素坐标;
相机外参数是:
确定一张像片的方位需六个外方位元素,这六个外方位分别为Xs,Ys,Zs,ω,
κ;也即相机的外参数;
其中Xs,Ys,Zs为相机的位置参数,ω,
κ为相机相对于坐标系的旋转参数;
相对参数是:
确定一张像片的方位需六个外方位元素,如图3所示,因此,要确定一个立体像对的两张像片的方位需要十二个外方位元素,即:
像片2:Xs2,Ys2,Zs2,ω2,κ2,
其中Xs1,Ys1,Zs1,Xs2,Ys2,Zs2为位置参数,ω1,
κ1,ω2,
κ2为旋转参数,有了这十二个外方位元素,就确定了这两张像片在物方坐标系中的方位,当然也就确定了两张像片之间的相对方位,将像片2的外方位元素减去像片1的外方位元素,得:
ΔXs=Xs2-Xs1,
ΔYs=Ys2-Ys1,
ΔZs=Zs2-Zs1,
Δω=ω2-ω1,
Δκ=κ2-κ1,
其中,ΔXs、ΔYs、ΔZs为摄影基线(两摄站投影中心的连线)在物方坐标系的三个坐标轴上的投影,记为Bx、By、Bz:
tan(T)=By/Bx
sin(v)=Bz/B
则,Bx、By、Bz这三个元素可以用B、T、v这三个元素来代替,得到该立体像对的相对方位元素,即B、T、v、Δω、
和Δκ;其中Δω为相片2相对于相片1在X轴方向的旋转参数,
为相片2相对于相片1在Y轴方向的旋转参数,Δκ为相片2相对于相片1在Z轴方向的旋转参数。
所说的光束法平差,是以每条空间光线为一单元,利用三点共线条件列出误是方程式,所谓三点共线条件,即是指在摄影时,测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直线之上的;
由共线条件出发,对每个像点可以列出下列两个关系公式:
式中a1~c3为相机旋转矩阵的参数:
a1=cos(RY)×cos(RZ);
a2=-cos(RY)×sin(RZ);
a3=sin(RY);
b1=sin(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+cos(RX)×sin(RZ);
b2=-sin(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+cos(RX)×cos(RZ);
b3=-sin(RX)×cos(RY);
c1=-co s(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+sin(RX)×sin(RZ);
c2=cos(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+sin(RX)×cos(RZ);
c3=cos(RX)×cos(RY);
式中RX,RY,RZ为相机坐标系空间轴系在标定场坐标系下的三个旋转角度;X、Y、Z为测量点坐标,Xs、Ys、Zs为星敏感器的坐标,f为星敏感器焦距,x、y为测量点在星敏感器中的像素坐标;对该公式进行线性化后即可的到光束法平的误差方程式;
所说的编码标志,是一种自身带有数字编码信息并且能够通过计算机自
动识别号码的人工标志;
2.基准镜坐标系综合标定:
a.利用SMN工业测量系统建立经纬仪测量坐标系,对立方镜进行准直测量,并计算得到立方镜坐标系在经纬仪测量系统下的参数(X0,Y0,Z0,Rx,Ry,Rz),其中X0,Y0,Z0为平移参数,Rx,Ry,Rz为旋转参数,对立方镜准直测量的过程中应当注意,为了保证测量精度,立方镜准直测量至少测量8次,该工业测量系统包括一套由郑州辰维科技有限公司研发的SMN测量软件一套,两台由瑞士徕卡公司生产的两台TM5005电子经纬仪、一台日本索佳公司生产的NET05全站仪,一根经过标定的、长度为1007.8毫米的基准尺一根;
准直测量:利用工业测量系统,用两台电子经纬仪对基准镜进行测量,确定基准镜坐标系的原点,用全站仪对基准镜进行测量,确定基准镜坐标系的方向,最终建立基准镜坐标系,坐标系的定义如图4;基准镜的“前端面”应为相机的前向。在其前端面两十字刻线交点处定义其坐标原点O。+X沿十字刻线向右,+Y沿十字刻线向下,+Z与+X、+Y成右手坐标系;
b.利用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量,得到人工测量标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标(X1,Y1,Z1),此时人工测量标志具有两组坐标值,一组在标定场坐标系下(X,Y,Z),一组在经纬仪测量系统坐标系下(X1,Y1,Z1);
c.利用这两组坐标值进行公共点转换,即可得到一个关于标定场坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系,利用此转换关系可以将经纬仪测量系统坐标系与立方镜坐标系转换到标定场坐标系下;
3.公共点转换:
公共点转换是已知反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标,同时测得这些点的摄影测量坐标系下坐标,然后进行点对点坐标转换,两坐标系之间有三个平移参数和三个旋转参数,记为t=(X0,Y0,Z0,εX,εy,εz),其中X0,Y0,Z0为平移参数,εX,εy,εz为旋转参数,设反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标为(X,Y,Z),在摄影测量坐标系下的坐标为(x,y,z),设计坐标系与测量坐标系之间的转换关系为:
给定近似值
利用迭代最小二乘计算可求坐标转换参数t,
其中a1~c3为相机旋转矩阵的参数:
a1=cos(RY)×cos(RZ);
a2=-cos(RY)×sin(RZ);
a3=sin(RY);
b1=sin(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+cos(RX)×sin(RZ);
b2=-sin(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+cos(RX)×cos(RZ);
b3=-sin(RX)×cos(RY);
c1=-cos(RX)×sin(RY)×cos(RZ)+sin(RX)×sin(RZ);
c2=cos(RX)×sin(RY)×sin(RZ)+sin(RX)×cos(RZ);
c3=cos(RX)×cos(RY);
4.利用已经标定完内参数的相机再次对标定场进行照相,利用市售的,如郑州辰维科技有限公司编写的避障相机专用标定软件可以得到两台相机与标定场坐标系的关系,上述步骤3中已得到的立方镜坐标系和标定场坐标系之间关系,所以即可得到两台相机和立方镜坐标系的关系,标定过程完成。