CN103065303A - 一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法，属于线阵相机标定技术领域，装置包括精密导轨（1）、相机固定支架（2）、光学基座（6）、平面靶标（7）、第一光电经纬仪（10）和第二光电经纬仪（11），所述光学基座（6）上设有上下调节旋钮（8）和左右调节旋钮（9）。本发明的有益效果是：该标定装置有效的解决了线阵相机标定过程中特征点容易丢失的问题，同时，标定特征点无须逐一测定，只须知道靶标坐标系与全局坐标系的关系，使用双经纬仪系统测定靶标坐标系统的原点全局坐标即可，极大的减小了相机标定的工作量；另外，平面靶标由简单直线构成，降低了其制作难度与成本。

Description

一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法

技术领域

本发明属于线阵相机标定技术领域，具体涉及一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法。 

背景技术

线阵相机由于像元仅有一列，其应用于测量时间与空间分辨率等相对面阵相机都有很大的优势。使用线阵相机进行光学精密测量时最重要的问题就是线阵相机的标定。相机的标定一般是通过空间中三维坐标与像面坐标均已知的标定点建立包含相机内外参数的方程，通过方程参数的求解得到相机的内外参数，测量时再通过像面上的像点坐标反解空间中待测量目标点坐标。面阵相机的标定方法很多，实际工程中常用的方法有两种，一种是通过直接制作各种高精度立体或平面靶标的方法进行标定；另外一种是将发光二极管安置在三坐标测量机探头上，通过控制三坐标测量机给出发光二极光的精确位置，从而建立起标定点与像点的关系进而实现相机的标定。 

有关线阵相机标定的报道较少。由于线阵相机单方向上视场较小，标定特征点的选取十分困难，稍有不甚便造成特征点目标丢失，造成标定失败。图1分析了线阵相机的标定时特征点目标丢失的原因示意图，其中1’是线阵传感器，2’是镜头等效主点，3’是线阵相机视场面，4’是处于U平面与视场平面的交线，5’、6’为U平面上任意不在视场面上的两点。可以看出，标定特征点只有在相机狭窄的视场面内运动，才可能在相机的像面上成像，进而实现相机的标定；否则标定点处于非视场平面内，如5’、6’点时，便造成标定特征点丢失，这给实际线阵相机标定造成极大不便。 

发明内容

为了解决现有技术中线阵相机标定过程中特征点容易丢失的技术问题，本发明设计了可用于线阵相机标定的平面靶标，进而研制了一种可以快速实现线阵相机标定的装置，并论述了该装置实现线阵相机标定的方法。 

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下： 

一种快速实现线阵相机标定的装置包括精密导轨、相机固定支架、光学基座、平面靶标、第一光电经纬仪和第二光电经纬仪，所述光学基座上设有上下调节旋钮和左右调节旋钮；所述精密导轨和相机固定支架均安装在光学平台上，待标定的线阵相机安装在相机固定支架上且使精密导轨沿线阵相机的光学镜头的光轴方向，光学基座安装在精密导轨上且可沿精密导轨的方向前后滑动，平面靶标垂直于精密导轨安装在光学基座上，第一光电经纬仪和第二光电经纬仪位于精密导轨的两侧，二者结构相同，用于确定特征点的全局坐标。 

一种快速实现线阵相机标定的方法包括如下步骤： 

步骤一、将平面靶标置于线阵相机的视场内，线阵相机保持不动，沿精密导轨前后移动平面靶标与线阵相机的间距以使平面靶标充满线阵相机的视场；所述平面靶标由一组间距相等的水平平行线L₁、L₃、…、L_2n-1、一组斜平行线L₂、L₆、…、L_4n-2和另一组斜平行线L₄、L₈、…、L_4n组成，其中，n为正整数； 

步骤二、分别以平面靶标上L₁与L₂的交点为原点，L₁为x轴，靶标的左边沿为y轴，以精密导轨的方向为z轴建立靶标坐标系，通过第一光电经纬仪和第二光电经纬仪结合双经纬仪定位方法得到靶标坐标系和全局坐标系的关系，进而获得靶标坐标系原点的全局坐标； 

步骤三、测量当前靶标坐标系原点坐标位置，同时线阵相机采集当前标定特征像点；平面靶标上的直线L₁，L₂，…，L_j在靶标坐标系中平面x_coy_c上的方程如下： 

$\left\{\begin{array}{cc}y=(2n-d)d& \left(1a\right)\\ y=\frac{d}{L}x+(2n-1)d& \left(1b\right)\\ y=-\frac{d}{L}x+(2n-1)d& \left(1c\right)\end{array}\right.$

其中，式(1a)是平面靶标上水平直线L₁、L₃、…的方程；式(1b)是平面靶标上逆时针方向旋转得到的直线L₂、L₆、…的方程；式(1c)是平面靶标上顺时针方向旋转得到的直线L₄、L₈、…的方程； 

设线阵相机的视场平面与平面靶标处于平面U上直线L₁、L₂、…、L_j的交点即标定特征点为P_a1、P_a2、…、P_aj，设上述标定特征点在线阵相机上对应的特 征像点分别为u_a1，…，u_aj，则P_an与u_an满足下面的公式(2)： 

$\frac{\left|P_{\mathrm{an}}{P}_{\mathrm{an}-1}\right|}{\left|P_{\mathrm{an}-1}{P}_{\mathrm{an}-2}\right|}\≅\frac{\left|u_{\mathrm{an}}{u}_{\mathrm{an}-1}\right|}{\left|u_{\mathrm{an}-1}{u}_{\mathrm{an}-2}\right|}n=\mathrm{1,2},\·\·\·,j$

根据公式(1a)、(1b)、(1c)和公式(2)计算标定特征点在靶标坐标系中的坐标，通过靶标坐标系与全局坐标系的关系计算出标定特征点P_an的全局坐标；步骤四、调节光学基座的上下调节旋钮使平面靶标的靶面沿靶标坐标系x轴移动，或调节光学基座的左右调节旋钮使靶面沿靶标坐标系y轴方向移动，或调节光学基座沿精密导轨移动使靶面沿靶标坐标系z轴方向移动，或通过上述调节方式使靶面同时沿x轴、y轴、z轴中的两个坐标轴或三个坐标轴移动，上述移动的距离均可以通过调节旋钮的刻度和导轨的刻度读出；且上述每次移动完成后第一光电经纬仪和第二光电经纬仪均需测量靶标坐标系原点坐标且线阵相机采集一帧图像；在线阵相机的视场内，重复上述靶面的移动过程以得到足够多的标定特征点； 

步骤五、根据步骤三中的公式(1a)、(1b)、(1c)、公式(2)以及步骤四中移动的距离，计算出平面靶标的靶面移动后得到的标定特征点在靶标坐标系中的坐标，然后，通过靶标坐标系与全局坐标系的关系计算出靶面移动后标定特征点的全局坐标； 

步骤六、结合标定特征点的全局坐标与特征像点的像面坐标，用相机标定方程建立含有线阵相机内外参数的超定方程组，求解超定方程组即完成线阵相机内外参数的标定。 

本发明的有益效果是：该标定装置有效的解决了线阵相机标定过程中特征点容易丢失的问题，同时，标定特征点无须逐一测定，只须知道靶标坐标系与全局坐标系的关系，使用双经纬仪定位方法测定靶标坐标系的原点全局坐标即可，极大的减小了相机标定的工作量；另外，由简单直线构成的平面靶标制作难度与成本较传统方法制作立体靶标要低很多。 

附图说明

图1是现有线阵相机标定方法中特征点丢失原因的示意图。 

图2是本发明快速实现线阵相机标定的装置中使用的平面靶标示意图。 

图3是本发明快速实现线阵相机标定的装置结构示意图。 

图4是本发明快速实现线阵相机标定的方法的原理示意图。 

图5是本发明中靶标等效为若干虚拟的标定特征点示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。 

如图2所示，本发明标定装置中使用的平面靶标7由一组间距相等的水平平行线与两组斜平行线组成。其中，靶标的尺寸为L*H，L为靶标宽度，H为靶标高度，靶标上水平平行线间距大小为d，L₁、L₃、…、L_2n-1为水平平行线，L₂、L₆、…、L_4n-2为一组斜平行线，L₄、L₈、…、L_4n为另一组斜平行线。图2仅给出了靶标的结构示意图，具体靶标的尺寸大小以及线间距等均需根据实际标定情况设定。 

如图3所示，本发明快速实现线阵相机标定的装置包括精密导轨1、相机固定支架2、光学基座6、平面靶标7、第一光电经纬仪10和第二光电经纬仪11，所述光学基座6上设有上下调节旋钮8和左右调节旋钮9；所述精密导轨1和相机固定支架2均安装在光学平台上，待标定的线阵相机4安装在相机固定支架2上且使精密导轨1沿线阵相机4的光学镜头5的光轴方向，光学基座6安装在精密导轨1上且可沿精密导轨1的方向前后滑动，平面靶标7垂直于精密导轨1安装在光学基座6上，第一光电经纬仪10和第二光电经纬仪11位于精密导轨1的两侧，二者结构相同，用于确定特征点的全局坐标。 

由于平面靶标7是由一系列分立的直线组成，如果保持线阵相机4的CCD传感器3与平面靶标7的x轴方向近似垂直放置即可保证靶标上的任意直线与线阵相机的视场平面均存在交点，而这些交点即为标定特征点。图4给出了标定示意图，其中，A、B、C分别表示调节光学底座的左右旋钮不同位置对应的线阵相机视场，D、E、F为线阵相机视场在靶标上的交线，K、M、N为靶标沿导轨移动时对应的不同靶标位置。 

本发明快速实现线阵相机标定方法的整个过程中线阵相机4保持不动，且标定装置对应的每一个位置都要采集一次标定特征点图像。结合图2中靶标的参数，靶标上L₁，L₂，…，L_j在靶标坐标系中平面x_coy_c上方程如公式(1)： 

$\left\{\begin{array}{cc}y=(2n-d)d& \left(1a\right)\\ y=\frac{d}{L}x+(2n-1)d& \left(1b\right)\\ y=-\frac{d}{L}x+(2n-1)d& \left(1c\right)\end{array}\right.$

其中，式(1a)是平面靶标上水平直线L₁、L₃、…的方程；式(1b)是平面靶标上逆时针方向旋转得到的直线L₂、L₆、…的方程；式(1c)是平面靶标上顺时针方向旋转得到的直线L₄、L₈、…的方程； 

假定线阵相机4的视场平面与平面靶标7处于不同平面U、U′、U″…上L₁、L₂、…、L_j的交点为P_a1、P_a2…、P_aj、P_b1、P_b2、…、P_bj…，即P_a1、P_a2、…、P_aj、P_b1、P_b2、…、P_bj………为标定特征点，同时标定特征点在线阵相机上对应的特征像点分别为u_a1，…，u_aj，u_b2，…，u_bj…，这里a，b，…依次表示特征点处于平面U、U′、U″…上。

与

满足公式(2) 

$\frac{\left|P_{\mathrm{in}}{P}_{i,n-1}\right|}{\left|P_{i,n-1}{P}_{i,n-2}\right|}\≅\frac{\left|u_{\mathrm{in}}{i}_{i,n-1}\right|}{\left|u_{i,n-1}{u}_{i,n-2}\right|},i=a,b\·\·\·,n=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(2\right)$

上述公式(2)只有在线阵相机4与平面靶标7严格平行时等号成立。理论分析与实践表明，二者之间的相对线位移与角位移误差很小时(线位移误差小于3mm，角位移误差小是5°)，对标定造成的误差不超过0.6%，基本可以忽略。 

根据线阵相机4像面上得到的特征像点u_a1、…、u_aj、u_b2、…、u_bj…间的距离，可以计算得到标定特征点的靶标坐标系坐标值，通过靶标坐标系与全局坐标系的关系计算出标定特征点的全局坐标。这里假定靶标每次沿任何方向的位移均是固定的，即每次调节相等的步长进行一次标定特征点采样，可以计算得到标定特征点P_i1、P_i2、…、P_ij(i＝a，b，…)在靶标坐标系中的空间坐标如下面的表一所示：表一 

其中，L为靶标宽度大小，d为水平平行线间距，λ为靶标沿精密导轨1移动的距离，δ与χ分别为靶标所在的光学基座6通过上下调节旋钮8与左右调节旋钮9使靶标沿靶标坐标系y轴与x轴方向移动的距离。 

在通过表一得到的标定特征点的全局坐标与线阵相机4上得到的特征像点的像面坐标后，可以结合标定特征点的全局与像面坐标使用相机标定方程(3)建立含有线阵相机4内外参数的超定方程组，求解超定方程组即可完成线阵相机内外参数的标定。 

$u+e_u=u_0+f\frac{r_{11}X+r_{12}Y+r_{13}Z+T_x}{r_{31}X+r_{32}T+r_{33}Z+T_z}---\left(3\right)$

其中，(X,Y,Z)为相机标定特征点全局坐标，u₀为线阵相机光轴的像面坐标，u为像点坐标，f为相机焦距大小，e_u为测量像点误差，r₁₁,r₁₂,r₁₃,r₃₁,r₃₂,r₃₃依次包含待标定相机沿全局坐标系的x,y,z坐标轴外方位旋转参数，同样，T_x,T_z分别对应线阵相机沿全局坐标系的x，z坐标轴外方位平移参数。 

使用本发明快速实现线阵相机标定的装置进行相机标定，实质是构建了如图5所示的空间立体虚拟立体靶标，且标定特征点是平面靶标7上刻划的直线上一系列分立的点。由于平面靶标7上的直线与线阵相机4的视场面是否存在交点受外界干扰很小，所以本发明的线阵相机标定方法不会发生特征点丢失的现象。 

Claims (3)

1.一种快速实现线阵相机标定的装置，其特征在于，该装置包括精密导轨(1)、相机固定支架(2)、光学基座(6)、平面靶标(7)、第一光电经纬仪(10)和第二光电经纬仪(11)，所述光学基座(6)上设有上下调节旋钮(8)和左右调节旋钮(9)；所述精密导轨(1)和相机固定支架(2)均安装在光学平台上，待标定的线阵相机(4)安装在相机固定支架(2)上且使精密导轨(1)沿线阵相机(4)的光学镜头(5)的光轴方向，光学基座(6)安装在精密导轨(1)上且可沿精密导轨(1)的方向前后滑动，平面靶标(7)垂直于精密导轨(1)安装在光学基座(6)上，第一光电经纬仪(10)和第二光电经纬仪(11)位于精密导轨(1)的两侧，二者结构相同，用于确定特征点的全局坐标。 

2.如权利要求1所述的一种快速实现线阵相机标定的装置，其特征在于，所述平面靶标(7)由一组间距相等的水平平行线与两组斜平行线组成。 

3.基于权利要求1所述的快速实现线阵相机标定的装置的标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

步骤一、将平面靶标（7）置于线阵相机（4）的视场内，线阵相机（4）保持不动，沿精密导轨（1）前后移动平面靶标（7）与线阵相机（4）的间距以使平面靶标（7）充满线阵相机（4）的视场；所述平面靶标（7）由一组间距相等的水平平行线L₁、L₃、…、L_2n-1、一组斜平行线L₂、L₆、…、L_4n-2和另一组斜平行线L₄、L₈、…、L_4n组成，其中，n为正整数； 

步骤二、分别以平面靶标（7）上L₁与L₂的交点为原点，L₁为x轴，靶标的左边沿为y轴，以精密导轨（1）的方向为z轴建立靶标坐标系，通过第一光电经纬仪（10）和第二光电经纬仪（11）结合双经纬仪定位方法得到靶标坐标系和全局坐标系的关系，进而获得靶标坐标系原点的全局坐标； 

步骤三、测量当前靶标坐标系原点坐标位置，同时线阵相机（4）采集当前标定特征像点；平面靶标（7）上的直线L₁，L₂，…，L_j在靶标坐标系中平面x_coy_c上的方程如下： 

其中，式(1a)是平面靶标（7）上水平直线L₁、L₃、…的方程；式(1b)是平面靶标（7）上逆时针方向旋转得到的直线L₂、L₆、…的方程；式(1c)是平面靶标（7）上顺时针方向旋转得到的直线L₄、L₈、…的方程； 

设线阵相机（4）的视场平面与平面靶标（7）处于平面U上直线L₁、L₂、…、L_j的交点即标定特征点为P_a1、P_a2、…、P_aj，设上述标定特征点在线阵相机（4）上对应的特征像点分别为u_al，…，u_aj，则P_an与u_an满足下面的公式(2)： 

根据公式（1a）、（1b）、（1c）和公式（2）计算标定特征点在靶标坐标系中的坐标，通过靶标坐标系与全局坐标系的关系计算出标定特征点P_an的全局坐标；步骤四、调节光学基座（6）的上下调节旋钮（8）使平面靶标（7）的靶面沿靶标坐标系x轴移动，或调节光学基座（6）的左右调节旋钮（9）使靶面沿靶标坐标系y轴方向移动，或调节光学基座（6）沿精密导轨（1）移动使靶面沿靶标坐标系z轴方向移动，或通过上述调节方式使靶面同时沿x轴、y轴、z轴中的两个坐标轴或三个坐标轴移动，且上述移动的距离均可以通过调节旋钮的刻度和导轨的刻度读出；上述每次移动完成后第一光电经纬仪（10）和第二光电经纬仪（11）均需测量靶标坐标系原点坐标且线阵相机（4）采集一帧图像；在线阵相机（4）的视场内，重复上述靶面的移动过程以得到足够多的标定特征点； 

步骤五、根据步骤三中的公式（1a）、（1b）、（1c）、公式（2）以及步骤四中移动的距离，计算出平面靶标（7）的靶面移动后得到的标定特征点在靶标坐标系中的坐标，然后，通过靶标坐标系与全局坐标系的关系计算出靶面移动后标定特征点的全局坐标； 

步骤六、结合标定特征点的全局坐标与特征像点的像面坐标，用相机标定方程建立含有线阵相机（4）内外参数的超定方程组，求解超定方程组即完成线阵相机（4）内外参数的标定。 

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