CN102080969B - 全景视觉测量系统安装位置快速校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种全景视觉测量系统安装位置快速校正装置。包括取景模块、透视成像模块、防护模块三部分；取景模块包括安装在防护玻璃管内的双曲面反射镜、设置在防护玻璃管顶端的双曲面反射镜连接器；透视成像模块包括高帧频科学级相机和透视镜头；防护模块包括防护玻璃管；取景模块通过连接器与防护模块相连，透视成像模块通过支架安装在防护模块中；双曲面反射镜的顶端为圆形平面，圆形平面的圆心为双曲面反射镜的原顶点，圆形平面与双曲面反射镜的底面平行。本全景视觉测量系统安装位置校正装置，结构简单，无需外部辅助措施，适应性好，可实现对全景视觉测量系统安装位置高精度的校正。具有较高的实用价值。

Description

全景视觉测量系统安装位置快速校正装置

技术领域

本发明涉及的是一种测试装置，具体地说是一种全景视觉测量系统安装位置校正装置。

背景技术

折反射全景视觉最早可以追溯到1970年，美国的Dr.ReeS在其专利中首次提出使用双曲面镜实现全景成像。由双曲面全景视觉系统的优点是具有单一的投影中心，垂直方向视角可达(-90°-45°)全景图像可以变换为普通的透视图像和柱面图像；透视透镜是最为常用的一种成像透镜，技术成熟、品种多样、选择灵活，并且如果选择的反射镜的曲率较小，可以减轻象散。全景视觉系统的产生，推动了一系列相关理论研究领域的发展，其中包括：系统设计、全景图像解算、全景视觉相机的标定、机器人自定位与导航、全景立体视觉等。

全景视觉系统的标定方法通常可分为两类：一类是利用场景的先验知识，例如标定模板或垂直线。另一类包括所有不需场景先验知识的技术。例如通过摄像头的纯旋转或旋转平移运动进行标定的方法，以及摄像头自标定方法。Ahaga和Vaseur等人提出了基于三维控制点的标定方法，利用控制点的三维坐标与其二维图像坐标的对应关系可恢复折反射摄像机的内外参数，该方法的优点在于标定精度高，不足在于需要精度很高的标定块。Geyer等人提出用三条以上直线的标定旋转抛物面折反射摄像机的方法。FuchaoWu等提出了一种基于直线的标定方法，该方法仅利用两条或三条已知直线即可对任何类型的中心折反射全景视觉系统进行标定，且不需要相机的先验知识。向英华等人，给出了基于球面的标定方法，由于球的投影轮廓线通常是封闭的二次曲线，可得到很高的拟合精度，因此该方法能够等到较高的标定精度。Micusik利用多视几何建立了单光心折射全向摄像机的透视投影模型，并根据该模型给出了自标定算法。Davide Scarmuzza在Micusik的透视模型的基础上提出了多项式展开模型，用多项式来拟合摄像机投影过程，并给了出基于二维标定板的标定算法，该算法可操作性强，鲁棒性高，标定的结果在后期应用也较为方便。Tarak Gandhi DENG Xiaoming提出了一种中心折反射相机的简易自标定方法，该方法利用系统的中心折反射和小孔成像模型的外在关系及全景图像的圆形边界，对系统的内外参数进行初始估计，然后采用非线性最优估计的方法对系统的内外参数进行更新。上述的标定方法都是针对中心折反射系统或假定系统满足单视点约束模型为前提的，若系统中反射镜和相机之间的关系并不满足假设势必导致标定误差。为此，卡内基梅隆大学的Dennis Strelow利用图像和空间中已知标定点的对应关系，对反射镜与相机的相对位置发生平移或现转的系统建立了完整的投影模型。日本大阪大学Tomohiro Mashita则提出了一种非中心折反射全景视觉的标定方法，并且可以根据所得的反射镜相对于相机的姿态来修正透视解算图像的畸变。

发明内容

本申请的目的在于提供一种无需外部辅助措施的情况下可实现对全景视觉测量系统安装位置高精度的校正的全景视觉测量系统安装位置快速校正装置。

本全景视觉测量系统安装位置校正装置，包括取景模块、透视成像模块、防护模块三部分；取景模块包括安装在防护玻璃管内的双曲面反射镜、设置在防护玻璃管顶端的双曲面反射镜连接器；透视成像模块包括高帧频科学级相机和透视镜头；防护模块包括防护玻璃管；取景模块通过连接器与防护模块相连，透视成像模块通过支架安装在防护模块中；双曲面反射镜的顶端为圆形平面，圆形平面的圆心为双曲面反射镜的原顶点，圆形平面与双曲面反射镜的底面平行。

圆形平面上标有交点为圆心的十字交叉刻线和一个圆形刻线，十字交叉刻线与圆形刻线的四个交点由序号标定顺序。通过分析，圆形平面上的十字交叉刻线和圆形刻线在摄像机靶面上的成像，得出摄像机与双曲面反射镜的相对位置信息和双曲面反射镜相对与摄像机轴线的倾斜角度信息。从而实现全景视觉测量系统安装位置的校正。

本发明将双曲面反射镜的顶端处理为一圆形平面，圆形平面的圆心为双曲面反射镜的原顶点，圆形平面与双曲面反射镜的底面平行，圆形平面上标有交点为圆心的十字交叉刻线和一个圆形刻线，十字交叉刻线的四个端点由序号标定顺序。通过分析，圆形平面上的十字交叉刻线和圆形刻线在摄像机靶面上的成像，得出摄像机与双曲面反射镜的相对位置信息和双曲面反射镜相对与摄像机轴线的倾斜角度信息。从而实现全景视觉测量系统安装位置的校正。

本全景视觉测量系统安装位置校正装置，结构简单，无需外部辅助措施，适应性好，可实现对全景视觉测量系统安装位置高精度的校正。具有较高的实用价值。

附图说明

图1全景视觉测量系统安装位置校正装置整体结构示意图。

图2双曲面反射镜正面示意图。

图3位置校正计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1和图2。本全景视觉测量系统安装位置校正装置，包括取景模块、透视成像模块、防护模块三部分，取景模块包括安装在防护玻璃管7内的双曲面反射镜1、设置在防护玻璃管7顶端的双曲面反射镜连接器2；透视成像模块包括高帧频科学级相机4和透视镜头3；防护模块包括防护玻璃管7。取景模块通过连接器2与防护模块相连，透视成像模块通过支架6安装在防护模块中。双曲面反射镜1的顶端为圆形平面8，圆形平面8的圆心为双曲面反射镜1的原顶点，圆形平面8与双曲面反射镜1的底面平行。圆形平面8上标有交点为圆心的十字交叉刻线9和一个圆形刻线10，十字交叉刻线9与圆形刻线10的四个交点由序号标定顺序。通过分析，圆形平面上的十字交叉刻线和圆形刻线在摄像机靶面上的成像，得出摄像机与双曲面反射镜的相对位置信息和双曲面反射镜相对与摄像机轴线的倾斜角度信息。从而实现全景视觉测量系统安装位置的校正。

防护玻璃管采用石英玻璃连熔制成，并在内侧镀膜以最大限度的减小光线折返射给全景图像带来的影响。防护玻璃管的高度由摄像机与双曲面反射镜之间的距离决定。支撑圆杆由纯钢材料制成，主要起到支撑双曲面反射镜和保护玻璃管的作用，其高度应根据摄像机与双曲面反射镜之间的距离决定，半径在能够保证支撑强度的前提下不宜过大以免影响成像。双曲面反射镜连接器是由纯钢制作的圆盘，半径的大小由双曲面反射镜底面直径决定。连接器的正中央为一个和双曲面反射镜通孔大小相似的通孔，双曲面反射镜固定在该连接器上。同时，连接器外围有一圆形凹槽，凹槽的半径由玻璃管决定。法兰联接是由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凸凹不平处，使联接严密不漏。为配合机载全景共锥度测量系统的需要采用螺纹法兰联接结构。

图3所示为位置校正计算原理图。以摄像机靶面中心点为原点，靶面上过原点平行于靶面边长的两条直线分别为X轴和Y轴，过原点垂直与靶面的直线为Z轴，指向双曲反射镜的方向为Z轴正方向，建立坐标系。圆形平面上十字交叉点的四个端点1(x1，y1，z1)，2(x2，y2，z2)，3(x3，y3，z3)，4(x4，y4，z4)以及圆心5(x5，y5，z5)在摄像机靶面上的对应成像点为c1(xc1，yc1，zc1)，c2(xc2，yc2，zc2)，c3(xc3，yc3，zc3)，c4(xc4，yc4，zc4)，c5(xc5，yc5，zc5)。摄像机焦距为f。圆形平面上圆形刻线的直径为R，为已知量。由摄像机成像原理有：

$(\mathrm{zi}-f)\left[\begin{array}{c}\mathrm{xci}\\ \mathrm{yci}\\ 1\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{ccc}f& 0& 0\\ 0& f& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}-f\end{array}\right]$ i＝1，2，3，4，5                (1)

由几何关系可得：

$\stackrel{\→}{o1}+\stackrel{\→}{o3}=\stackrel{\→}{2o5}---\left(2\right)$

$\stackrel{\→}{o2}+\stackrel{\→}{o4}=\stackrel{\→}{2o5}---\left(3\right)$

$\left|\stackrel{\→}{13}\right|=\left|\stackrel{\→}{24}\right|=R---\left(4\right)$

即有：

$\left[\begin{array}{c}x1\\ y1\\ z1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x3\\ y3\\ z3\end{array}\right]=2\left[\begin{array}{c}x5\\ y5\\ z5\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left[\begin{array}{c}x2\\ y2\\ z2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}x4\\ y4\\ z4\end{array}\right]=2\left[\begin{array}{c}x5\\ y5\\ z5\end{array}\right]---\left(6\right)$

(x3-x1)²+(y3-y1)²+(z3-z1)²＝R²    (7)

(x4-x2)²+(y4-y2)²+(z4-z2)²＝R²    (8)

联立方程组(1)、(5)、(6)、(7)、(8)可得：

xi＝F(xc1，yc1，xc2，yc2，xc3，yc3，R，f)    i＝1，2，3，4，5    (9)

yi＝F(xc1，yc1，xc2，yc2，xc3，yc3，R，f)    i＝1，2，3，4，5    (10)

zi＝F(xc1，yc1，xc2，yc2，xc3，yc3，R，f)    i＝1，2，3，4，5    (11)

从而确定了双曲面反射镜的空间位置和姿态。

Claims (2)

1.一种全景视觉测量系统安装位置快速校正装置，包括取景模块、透视成像模块、防护模块三部分；其特征是：取景模块包括安装在防护玻璃管[7]内的双曲面反射镜[1]、设置在防护玻璃管[7]顶端的双曲面反射镜连接器[2]；透视成像模块包括高帧频科学级相机[4]和透视镜头[3]；防护模块包括所述的防护玻璃管[7]；取景模块通过所述的双曲面反射镜连接器[2]与防护模块相连，透视成像模块通过支架[6]安装在防护模块中；双曲面反射镜[1]的顶端为圆形平面[8]，圆形平面[8]的圆心为双曲面反射镜[1]的原顶点，圆形平面[8]与双曲面反射镜[1]的底面平行。

2.根据权利要求1所述的全景视觉测量系统安装位置快速校正装置，其特征是：圆形平面[8]上标有交点为所述圆形平面[8]的圆心的十字交叉刻线[9]和一个与所述圆形平面[8]同圆心的圆形刻线[10]，十字交叉刻线[9]与圆形刻线[10]的四个交点由序号标定顺序。

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