CN104729532B - 一种全景相机的严密标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全景相机的严密标定方法，主要包括以下步骤：建立全景相机标定场，并测量控制点的物方坐标；按照事先设定的摄影参数获取全景相机标定场的多组单相机标定影像；量测每台单相机影像上控制点和影像间连接点的像点坐标；对每台单相机影像组成的航带网进行光束法平差，获取每个曝光点位置单相机影像在物方控制点坐标系中的外方位元素；对其中一个曝光点的标定影像进行单相机影像间的相对定向，获取相对定向元素初始值；根据上述两步初始解算结果，将所有曝光点单相机影像放在一起组成一个整体，建立误差方程，进行严密平差处理，从而获取全景相机中单相机间的严密相对定向元素。本发明方法可有效提高全景相机的标定精度。

Description

一种全景相机的严密标定方法
技术领域
本发明属于测绘技术领域，具体涉及一种全景相机的严密标定方法。
背景技术
与单相机影像相比，全景影像具有更加直观、全面和真实感强等特点，因而被广泛应用于测绘、街景信息采集、矿井监测和旅游等领域，特别是近年来迅速发展的车载移动测量系统，全景相机基本成为上述系统的标配传感器之一。影响全景影像拼接质量和量测精度的主要因素之一为组成全景相机的各个单相机间的相对位置参数的精确性。单相机间的相对位置参数可以通过影像匹配或者基于控制点的检校等方式获取。其中，基于影像匹配的全景相机影像拼接方法中，全景影像的质量主要受影像间的重叠度、重叠区域的特征丰富程度、单影像的质量等多方面因素的影响，拼接的全景影像的量测精度较差，一般只用于浏览；基于控制点的全景相机标定方法中，通常采用单相机、单片的单独标定方式解求相机间的相对位置参数，解算的相机间的相对位置参数不够严密，影响全景影像的拼接和量测精度。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种全景相机的严密标定方法，该方法能够精确获取相机间的相对位置参数，从而提高全景影像的拼接和量测精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全景相机的严密标定方法，包括如下步骤：
s1、对全景相机中的每台单相机进行内方位元素和畸变参数的标定；
s2、建立全景相机标定场，并测量标定场中控制点的物方坐标；
s3、组成全景相机的所有单相机在多个摄影位置获取全景相机标定场的多组标定影像；
s4、将组成全景相机的每台单相机在多个摄影位置的标定影像作为一个整体，获取标定影像中控制点和重叠区域内影像连接点的像点坐标，组成单相机航带网；
s5、对单相机航带网进行光束法空三平差处理，获取每张影像的外方位元素；
s6、选择其中一个曝光点，进行单相机影像间的相对定向，获取相对定向元素的初始值；
s7、根据步骤s5和步骤s6中的初始解算结果将所有单相机在不同摄影位置获取的多张标定影像组成一个整体，以全景影像定位方程为基础建立误差方程和法方程，进行严密平差处理，获取全景相机中单相机间的严密相对位置参数。
进一步，所述步骤s2中，全景相机标定场包括室内或室外的标定场；其中，标定场中的控制点包括人工标志点或已有地物的特征点。
进一步，所述步骤s2中，控制点的物方坐标获取方式包括通过高精度全站仪、经纬仪、或激光扫描仪观测获取。
进一步，所述步骤s3中，在沿直线方向的多个摄影位置获取的同一台单相机相邻的标定影像具有一定的重叠度。
进一步，所述步骤s3中，组成全景相机的单相机在标定场中的摄影距离大致相同。
进一步，所述步骤s4中，在每组标定影像中相邻的影像重叠区域内，选择特征明显的同名点作为影像连接点，并获取其像点坐标。
进一步，所述步骤s4中，影像连接点或同名点的获取方式包括单纯手工选择、全自动影像自动匹配或半自动人工辅助的方式。
进一步，所述步骤s5中，经过光束法空三平差处理的结果进行坐标系转换后可作为全景相机的标定参数使用。
进一步，所述步骤s6中，其中一个曝光点的单相机影像的相对定向结果可作为全景相机的标定参数使用。
本发明具有如下优点：
本发明述及的全景相机严密标定方法，充分利用单台相机获取的相邻标定影像间和组成全景相机的相邻单相机获取的标定影像间的重叠区域内的连接点，将所有标定影像组成一个整体，联合进行严密平差处理，可以获取组成全景相机的单台相机间更加严密的高精度相对位置关系参数，为全景影像的高精度量测提供前提保证。
附图说明
图1为本发明中一种全景相机的严密标定方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
结合图1所示，一种全景相机的严密标定方法，包括如下步骤：
s1、利用高精度数码相机标定场对全景相机中的每台单相机进行内方位元素和畸变参数的标定，为后续的摄影测量处理提供像点坐标畸变改正参数，以便恢复摄影中心、像点和物点三点共线的关系。
s2、建立全景相机标定场，并测量标定场中控制点的物方坐标。
本发明中建立的全景相机标定场可以为室内的标定场，也可以为室外的标定场。
标定场所需具有地物位置不易变化、特征相对丰富、便于全景相机摄影、便于控制点物方坐标测量的特点。
根据摄影需求，标定场中的控制点可以选用特定形状、大小和材质的人工标志点，也可选用一些已有地物的明显特征点。
控制点的位置需按照摄影参数要求以一定密度均匀分布于标定场的摄影区域内。
为了保证全景相机的标定精度，标定场中控制点的物方坐标需采用高精度的测量仪器进行采集，如0.5秒级的Axyz/MTM工业测量系统。
s3、按照事先设定的摄影参数获取全景相机标定场的多组单相机标定影像，具体的：
将全景相机置于标定场中，保证每台单相机的摄影距离相同、或大致相同，摄站点沿直线方向、或大概沿直线方向，单相机相邻标定影像按照60％以上的重叠度进行采集，每个摄站点组成全景相机的所有单相机需保持同步曝光的模式。
将获取的多个摄站点的全景相机标定影像按照相机编号进行分组整理，同一台单相机的标定影像为一组。
s4、获取每组标定影像中控制点的像点坐标，在每组标定影像中相邻的影像重叠区域内，选择特征明显的同名点作为影像连接点，并获取其像点坐标。
其中，控制点的像点坐标必须手工精确量取，影像连接点的像点坐标可以通过影像自动匹配的方式获取，地物特征不丰富的话采用人工辅助半自动的方式，或纯手工量取的方式均可以。特别注意的是，在相邻单相机的影像重叠区域内应保证有一定数量的同名点。
s5、以共线条件方程为基础方程，列出同名点的误差方程和法方程：
首先对每组单相机标定影像组成的航带网进行自由坐标系下光束法空三平差处理，之后采用控制点进行自由网绝对定向和带控制点的光束法空三平差处理，从而获取每组单相机标定影像的外方位元素，即获取了全景相机在同一摄站点的每台单相机影像在同一物方坐标系下的外方位，经过坐标转换即可获取单相机间的相对外方位元素。所述共线方程式如下：
上式中，x,y为像点坐标；x0,y0为像片的像主点坐标；Δx,Δy为x,y处由物镜畸变和影像变形引起的像点系统误差；f为像片的主距；X,Y,Z为像点对应的地面点物方坐标；XS,YS,ZS为摄影中心在物方坐标系中的坐标；a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3为影像的外方位角元素(ω,φ,κ)组成的旋转矩阵元素。
s6、选择其中一个曝光点位置的单相机标定影像，利用单相机影像中的控制点和相邻影像重叠区域内的同名点进行单相机影像的相对定向，获取单相机像空间坐标系相对于全景相机坐标系的外方位元素的初始值。
s7、本发明定义上述步骤s5和步骤s6为全景相机的粗标定，粗标定之后获取了所有曝光点位置的标定影像在同一物方坐标系下的外方位元素和单相机坐标系与全景相机坐标系的相对方位元素，粗标定结果同样可以作为全景相机的检校结果，只是标定精度相对于严密标定方法的精度低一些；
根据标定影像的外方位元素建立影像间的拓扑关系，将所有标定影像组成一个整体，以全景影像定位方程为基础方程，对每个曝光点的单相机影像中的控制点和重叠区域内同名点建立误差方程和法方程，整体平差求解单相机的严密相对外方位元素，即全景相机的严密标定结果。所述全景影像定位方程如下：
上式中，x,y,-f为像点在像空间坐标系下的坐标；Δx,Δy,Δz为单相机摄影中心在全景相机坐标系下的坐标，即单相机位置偏移量；X0,Y0,Z0为全景相机坐标系原点在地面物方坐标系下的坐标；Rcam为单相机像空间坐标系相对于全景相机坐标系的旋转矩阵；λ为比例系数；R为全景相机坐标系相对于地面物方空间坐标系的旋转矩阵；X,Y,Z为物点在地面物方空间坐标系下的坐标。
本发明方法将全景相机在多个摄站点的多张标定影像作为一个整体，整体平差求解单相机间的相对外方位元素，有效提高了全景相机的标定精度，为高精度的全景影像的拼接和量测提供基础保证。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1、对全景相机中的每台单相机进行内方位元素和畸变参数的标定；
s2、建立全景相机标定场，并测量标定场中控制点的物方坐标；
s3、组成全景相机的所有单相机在多个摄影位置获取全景相机标定场的多组标定影像；
s4、将组成全景相机的每台单相机在多个摄影位置的标定影像作为一个整体，获取标定影像中控制点和重叠区域内影像连接点的像点坐标，组成单相机航带网；
s5、对单相机航带网进行光束法空三平差处理，获取每张影像的外方位元素；
s6、选择其中一个曝光点，进行单相机影像间的相对定向，获取相对定向元素的初始值；
s7、根据步骤s5和步骤s6中的初始解算结果将所有单相机在不同摄影位置获取的多张标定影像组成一个整体，以全景影像定位方程为基础建立误差方程和法方程，进行严密平差处理，获取全景相机中单相机间的严密相对位置参数；
其中，全景影像定位方程如下：
式中，x,y,-f为像点在像空间坐标系下的坐标；
Δx,Δy,Δz为单相机摄影中心在全景相机坐标系下的坐标，即单相机位置偏移量；
X0,Y0,Z0为全景相机坐标系原点在地面物方坐标系下的坐标；
Rcam为单相机像空间坐标系相对于全景相机坐标系的旋转矩阵；
λ为比例系数；
R为全景相机坐标系相对于地面物方空间坐标系的旋转矩阵；
X,Y,Z为物点在地面物方空间坐标系下的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s2中，全景相机标定场包括室内或室外的标定场；其中，标定场中的控制点包括人工标志点或已有地物的特征点。
3.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s2中，控制点的物方坐标获取方式包括通过高精度全站仪、经纬仪、或激光扫描仪观测获取。
4.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s3中，在沿直线方向的多个摄影位置获取的同一台单相机相邻的标定影像具有一定的重叠度。
5.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s3中，组成全景相机的单相机在标定场中的摄影距离大致相同。
6.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s4中，在每组标定影像中相邻的影像重叠区域内，选择特征明显的同名点作为影像连接点，并获取其像点坐标。
7.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s4中，影像连接点的获取方式包括单纯手工选择、全自动影像自动匹配或半自动人工辅助的方式。
8.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s5中，经过光束法空三平差处理的结果进行坐标系转换后可作为全景相机的标定参数使用。
9.根据权利要求1所述的一种全景相机的严密标定方法，其特征在于，所述步骤s6中，其中一个曝光点的单相机影像的相对定向结果可作为全景相机的标定参数使用。
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