CN103278180B - 基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摄像测量中视场内无控制点摄像测量系统标定方法。该标定方法通过把摄像机和全站仪固联在一起，以测站点为坐标原点建立全站仪坐标系，在有控制点标志的场地标定出摄像机在全站仪坐标系下的内外参数；然后再将摄像机和全站仪的固联体转移到测量位置固定安装，利用全站仪打点测量出此状态全站仪坐标系与测量坐标系的对应关系；最后将摄像机的内外参数转换到测量坐标系中，此时摄像机在测量坐标系下的内外参数就标定出来，可以用于后续测量。本方法能将标定位置和测量位置分离，可以在对海对空等很多特殊情况下对摄像机的标定，拓广了标定方法的应用范围。

Description

基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法
技术领域
本发明涉及摄像测量过程中，摄像测量系统视场内无已知坐标位置的控制点情况下，如：对空、对海等情况，摄像测量系统的光心位置和光轴指向等参数的标定方法。
背景技术
一般情况下，用摄像测量方法对目标空间位置进行测量时，需要标定出摄像测量系统的焦距、光心位置和光轴指向等内外参数。
对于固定视场的摄像测量，一般是在测量位置固定好摄像机，在摄像机视场范围内布置足够多的标志点，然后测出各个点的空间坐标位置，再将这些标志在图像中的位置与其空间坐标位置一起进行解算，标定出摄像机参数。
但是由于在实际操作中，我们不一定能在测量视场内布置足够多的控制点，有些情况下甚至不能布置控制点，比如对海、对空测量的情况。这种情况一般需要用带有精密测角转台的摄像测量系统进行测量，控制点标定方法将无法进行工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在摄像视场内无控制点，也没有带精密测角转台的摄像测量系统内外参数标定问题。
首先对于本文常用的几个概念进行说明：
1）全站仪坐标系B：以仪器中心点作为坐标原点的棱镜中心坐标系。
2）摄像机坐标系C：以摄像机光心为坐标原点，ZC轴与摄像机光轴重合，且取摄像方向为正向，XC，YC与图像物理坐标系的x,y坐标轴平行。
3）测量坐标系G：由用户根据需要在测量场地建立。
4）全站仪和摄像机的固联平台：把摄像机和全站仪通过刚性平台固联在一起，如图1所示，使其相对关系保持不变，即全站仪坐标系和摄像机坐标系的相对位置姿态不变。
本发明运用通用的全站仪，通过坐标转换，实现视场内无控制点的摄像测量系统参数标定。技术方案是：通过把摄像机和全站仪固联在一起，在有控制点标志的场地标定出摄像机在全站仪坐标系下的内外参数；然后再将摄像机和全站仪的固联平台转移到测量位置固定安装，在该位置根据实际情况建立测量坐标系G；利用全站仪打点测量出此状态全站仪坐标系与测量坐标系的对应关系；最后将摄像机的内外参数转换到测量坐标系中，此时摄像机在测量坐标系下的内外参数就标定出来，可以用于后续测量。
全站仪坐标系B、摄像机坐标系C和测量坐标系G间的相对位置姿态关系，示意如图2。其中描述测量坐标系和摄像机之间相对位置姿态的是旋转矩阵RGC和TGC，描述测量坐标系与全站仪坐标系之间相对位置姿态的是RGB和TGB，描述摄像机和全站仪坐标系之间相对位置姿态的是RBC和TBC。
根据空间解析几何知识，空间点P分别在全站仪坐标系、摄像机坐标系和测量坐标系的坐标PB、PC和PG间的坐标转换关系是
PC=RGCPG+TGC，PC=RBCPB+TBC，PB=RGBPG+TGB
用钢板将全站仪和摄像机固联在一起，放在合作标志充满视场的标定场内，摄像机对合作标志成像，在图像中选取足够多的点作为标定点，再用全站仪测出这几个标定点三维位置坐标。通过共线方程解算，可以将全站仪坐标系和摄像机坐标系之间相对位置姿态的旋转矩阵RBC和平移向量TBC求解出来。
然后在测量位置用全站仪周场打点测量测量坐标系与全站仪坐标系之间相对位置姿态的旋转矩阵RGB和平移向量TGB。
联立前面两项将测量坐标系和摄像机之间相对位置姿态的旋转矩阵RGC和平移向量TGC求出：
PC=RBC(RGBPG+TGB)+TBC=RBCRGBPG+RBCTGB+TBC
即：RGC=RBCRGB，TGC=RBCTGB+TBC
本发明的有益效果为：
1.本发明解决了视场内无控制点摄像测量系统标定的工程难题：传统的标定方法要求标定位置和测量位置统一，使得在特殊测量位置无法有效地标定摄像机。该方法可以将标定位置和测量位置分离，只需在有控制点的位置高精度标定出摄像机的内外参数，然后把摄像机移动到测量位置，用全站仪做桥梁将标定位置下求得的全站仪坐标系下的参数转换到测量测量坐标系中即可。
2.本发明可以在无法布置足够的控制点时，可以扩大已有点集进行标定：在某些特殊位置，我们无法布置足够的控制点，形成有效地标定场。将固联平台旋转或者平移拍图并测量有效几个控制点的坐标，这样相当于固联平台不动，空间点在旋转。移动若干次就可以使有限的空间点在全站仪坐标系下充满视场，达到标定要求。然后可以根据得到的多幅图像和测得的空间点的坐标之间的对应关系联合求解摄像机在全站仪坐标系下的内外参数。
如图3所示：在三个不同位置分别拍一个点，相当于这个点在全站仪坐标系下的不同位置分别成像，如图4所示。
3.本发明的精度可以得到有效保证
在全站仪和像机安装的牢固可靠的情况下，安装误差可以得到有效控制，本发明的误差主要来源于全站仪打点误差和摄像机提点误差相关，和正常情况下的标定误差基本相当。
附图说明
图1为全站仪和摄像机安装图；
图2为全站仪坐标系B、摄像机坐标系C和测量坐标系G间的相对位置姿态关系示意图；
图3为在三个不同位置分别拍一个点示意图；
图4为相当于被拍摄点在全站仪坐标系下的三个不同位置分别成像。
具体实施方式
本发明提出的坐标系旋转标定方法按以下步骤进行：
1.把全站仪和摄像机固联在刚性平台上，使得全站仪和摄像机的相对位置姿态不随平台的移动而变化，同时刚性平台也不会因为轻微的触碰而导致平台晃动，也就是平台要稳定，固联要牢固；
2.全站仪开机，将测站点设为零点，将全站仪水平角置零，作为x轴指向，建立独立的全站仪坐标系B。
3．对标定场内的控制点用摄像机点拍图，用全站仪测控制点的坐标，如果标志点不够，则平移或者旋转使控制点充满视场，达到标定要求。通过共线方程解算，高精度标定出当前状态摄像机坐标系和全站仪坐标系之间相对位置姿态的旋转矩阵RBC和平移向量TBC。分解出摄像机的内参数（包括光心位置、焦距、畸变系数）；
4.将固联平台转移到测量位置固定好，保证移动过程中摄像机和全站仪之间不发生任何相互运动。在全站仪的各个能取到点的方向测量一些比较明显的控制点的坐标，同时在测量坐标系中测出该点的坐标，建立全站仪坐标系和测量坐标系的坐标PB和PG间的坐标转换关系PB=RGBPG+TGB。多点联立把全站仪坐标系和测量坐标系的相对转换关系解算清楚。
5.求解当前状态的摄像机外参数。联立摄像机坐标系同全站仪坐标系相对关系，和全站仪坐标系和和测量坐标系的相对转换关系，将测量坐标系和摄像机之间相对位置姿态的旋转矩阵RGC和平移向量TGC求出：
PC=RBC(RGBPG+TGB)+TBC=RBCRGBPG+RBCTGB+TBC
即：RGC=RBCRGB，TGC=RBCTGB+TBC
然后从RGC和TGC分解出摄像机的外参数。并将光心位置转换到测量坐标系中，焦距和畸变系数保持不变。

Claims (4)

1.基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法，运用通用的全站仪，通过坐标转换，实现视场内无控制点的摄像测量系统参数标定，其特征在于，
把摄像机和全站仪固联在一起，以仪器中心点作为坐标原点的建立全站仪坐标系B，以摄像机光心为原点建立摄像机坐标系C；在有控制点标志的场地标定出摄像机在全站仪坐标系下的内外参数；然后再将摄像机和全站仪的固联平台转移到测量场地的测量位置固定安装；利用全站仪打点测量出此状态全站仪坐标系与测量坐标系的对应关系；最后将摄像机的内外参数转换到测量坐标系中；
空间点P分别在全站仪坐标系、摄像机坐标系和测量坐标系的坐标                                               、和间的坐标转换关系是
，，，
联立前面两项将测量坐标系和摄像机之间相对位置姿态的旋转矩阵和平移向量求出：
即：=，=。
2.根据权利要求1所述的基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法，其特征在于，摄像机和全站仪固联，具体为将摄像机和全站仪固联在刚性平台上。
3.根据权利要求1所述的基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法，其特征在于，在有控制点标志的场地标定出摄像机在全站仪坐标系下的内外参数，具体为：对标定场内的控制点用摄像机点拍图，用全站仪测控制点的坐标，如果标志点不够，则平移或者旋转使控制点充满视场，达到标定要求，通过共线方程解算，高精度标定出当前状态摄像机坐标系和全站仪坐标系之间相对位置姿态的旋转矩阵和平移向量，分解出摄像机的内参数，包括光心位置、焦距、畸变系数。
4.根据权利要求1所述的基于全站仪的视场内无控制点摄像测量系统标定方法，其特征在于，将摄像机和全站仪的固联体转移到测量目标的位置固定安装，利用全站仪打点测量出此状态全站仪坐标系与测量坐标系的对应关系，具体为：将固联平台转移到测量位置固定好，保证移动过程中摄像机和全站仪之间不发生任何相互运动，在全站仪的各个能取到点的方向测量一些比较明显的控制点的坐标，同时在测量坐标系中测出该点的坐标，建立全站仪坐标系和测量坐标系的坐标和间的坐标转换关系。
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