CN105067011A - 一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，包括以下步骤：进行相机内外参数的标定；转台坐标系与相机坐标系之间的关系Hrc手眼标定；转台坐标系与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定；在取得Hrg、Hpr、Hrc的基础上，就可以将相机、转台、场地、大地四个坐标系统统一起来；控制转台拍摄目标，结合转台方位、俯仰角度与镜头焦距信息，即可将目标相关信息映射到特定坐标系下，实现预定任务。在自动跟踪与测量系统中，采用本发明可对系统进行整体校准，在实施跟踪与测量过程中，确保系统测量精度，为飞行安全提供有效保证。

Description

一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法

技术领域

本发明是一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，对自动跟踪与测量系统进行各坐标系之间的转换和整个系统内部参数校准，属于测试技术领域。

背景技术

自动跟踪与测量系统包含大地、场合、转台、相机等4个主要坐标系，准确标定出转台坐标系与大地坐标系的转换关系或场地坐标系，才能实现各坐标系之间的转换，是准确得出测量数据的基础。由于转台构架、承重和全向动态等特点，采用惯性器件的标定方式，存在一定的安全问题，由此发明一种基于视觉标定及坐标转换的自动跟踪与测量系统整体的校准方法，确保系统的测量精度。

发明内容

本发明创造的目的是设计基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，在自动跟踪与测量系统中，对系统进行整体校准，在实施跟踪与测量过程中，确保系统测量精度，为飞行安全提供有效保证。

本发明是通过下述技术方案实现的：基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，包括以下步骤：

（1）进行相机内外参数的标定；

（2）转台坐标系与相机坐标系之间的关系Hrc手眼标定，利用转台手抓和相机相对关系不变的性质，固定靶标位置，在保证靶标在视野内的条件下，多次转动转台，则第i次和第j次图像相对与第一次的外参数计算出手抓和相机间的R和t。从而求出转台与相机之间的转换矩阵Hrc。

（3）转台坐标系与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定，根据实际情况，选择基于视觉的标定方法，即可得出Hpr或者Hrg。

（4）在取得Hrg、Hpr、Hrc的基础上，就可以将相机、转台、场地、大地四个坐标系统统一起来。

（5）控制转台拍摄目标，结合转台方位、俯仰角度与镜头焦距信息，即可将目标相关信息映射到特定坐标系下，实现预定任务。

在所述步骤1中，相机的内外参数标定是将设计好的高精度黑白靶标置于相机前（距离视其占整个画面比例而定，需要让靶标位置可以遍及视场的各个方位），相机的位置保持不变，通过改变靶标来获得图像，在每个合适的位置进行拍摄。然后再计算机上，对每个位置的靶标图像进行角点提取，可获得相应的单应矩阵。当所用图像的单应矩阵得出后，利用其与内参的关系列出矩阵方程并奇异值分解得出内参，进而求出外参。

所述步骤3中，转台坐标与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定，根据实际情况，选择基于视觉的标定方法，即可得出Hrg或者Hpr。基于视觉的标定方法包括角度转换、手眼标定、场地坐标系与手抓坐标系转换。

（1）角度转换

上述过程中总线传输到计算机上的是两个方向的角度，而这个角度换算成R坐标的形式有公式如下：

上式中θ代表光轴的旋转角度，实际为0，φ为相机光轴在手抓坐标系的XY平面上的投影与X轴的夹角，φ为相机光轴和手抓坐标系的Z坐标之间的夹角。

（2）手眼标定

在准确得到转台手抓和场地坐标系转换关系前，要进行转台手抓和相机的手眼标定。手眼的标定基本公式为：

R_C*R=R*R_D

R_C*t+t_D=R*t_D+t_D

其中R和t为所求，其他部分由标定得出。由于有两次位置的摆放，所以会有四个关系式。基于手抓和相机的相对关系不变，所以至少要有两次位置的摆放，为了保证标定的精度，可进行多次位置的摆放标定。传统的手眼标定是通过移动手抓的位置来进行的，由于这里的标定是以手抓为坐标原点，所以通过移动靶标也可以达到同样的效果，只是R和t的简单转化关系。

靶标的摆放相对位置是已知的，如此可以验证标定的精度，并加以验证和误差矫正。（3）场地坐标系与手抓坐标系转换

①旋转参数计算：

其中R_op1中的（a₁,b₁,c₁）可由下式计算得到：1/S_p1p2*{(x₂-x₁)i+(y₂-y₁)i+(z₂-z₁)k}，记作a₁i+b₁j+c₁k；式中：S_p1p2-P₁到P₂的距离P₁=(x₁，y₁，z₁),P₂=(x₂，y₂，z₃)是构造出的新坐标系的三维坐标，同理得到（a^, ₂，b^, ₂，c^, ₂）和（a₃，b₃，c₃）；

②确定平移量的初值，采用任意控制点ni坐标，有公式：

已知未作变化3点P1、P2、P3在坐标系0-XYZ和0^，-X^,Y^,Z^,的坐标分别为（X_i,Y_i,Z_i）,(Xⁿ _i,Yⁿ _i,Zⁿ _i)，i=1，2，3。

本发明有益效果：本发明基于视觉标定方法及坐标转换的测量系统整体校准方法，能够在各种阵地和场合对系统进行精度校准，测量方法方便、快捷，不需借助其他设备，消除系统动态操作过程中的各种安全隐患；另外，通过使用本发明的方法对自动跟踪与测量系统进行校准，节省了大量的人力、物力和时间，既满足测量系统的精度要求，同时也可以系统架设、迁移、定期维护等各种场合应用进行系统精度重新校准，有效保证自动跟踪与测量系统的监测精度，保证飞机的飞行安全。

附图说明：

图1视觉标定示意图。

图2坐标系转换关系。

具体实施方式

本发明基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，包括以下步骤：

（1）进行相机内外参数的标定；

（2）转台坐标系与相机坐标系之间的关系Hrc手眼标定，利用转台手抓和相机相对关系不变的性质，固定靶标位置，在保证靶标在视野内的条件下，多次转动转台，则第i次和第j次图像相对与第一次的外参数计算出手抓和相机间的R和t。从而求出转台与相机之间的转换矩阵Hrc。

（3）转台坐标系与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定，根据实际情况，选择基于视觉的标定方法，即可得出Hpr或者Hrg。

（4）在取得Hrg、Hpr、Hrc的基础上，就可以将相机、转台、场地、大地四个坐标系统统一起来。

（5）控制转台拍摄目标，结合转台方位、俯仰角度与镜头焦距信息，即可将目标相关信息映射到特定坐标系下，实现预定任务。

在所述步骤1中，相机的内外参数标定是将设计好的高精度黑白靶标置于相机前（距离视其占整个画面比例而定，需要让靶标位置可以遍及视场的各个方位），相机的位置保持不变，通过改变靶标来获得图像，在每个合适的位置进行拍摄。然后再计算机上，对每个位置的靶标图像进行角点提取，可获得相应的单应矩阵。当所用图像的单应矩阵得出后，利用其与内参的关系列出矩阵方程并奇异值分解得出内参，进而求出外参。

所述步骤3中，转台坐标与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定，根据实际情况，选择基于视觉的标定方法，即可得出Hrg或者Hpr。基于视觉的标定方法包括角度转换、手眼标定、场地坐标系与手抓坐标系转换。

（1）角度转换

上述过程中总线传输到计算机上的是两个方向的角度，而这个角度换算成R坐标的形式有公式如下：

上式中θ代表光轴的旋转角度，实际为0，φ为相机光轴在手抓坐标系的XY平面上的投影与X轴的夹角，φ为相机光轴和手抓坐标系的Z坐标之间的夹角。

（2）手眼标定

在准确得到转台手抓和场地坐标系转换关系前，要进行转台手抓和相机的手眼标定。手眼的标定基本公式为：

R_C*R=R*R_D

R_C*t+t_D=R*t_D+t_D

其中R和t为所求，其他部分由标定得出。由于有两次位置的摆放，所以会有四个关系式。基于手抓和相机的相对关系不变，所以至少要有两次位置的摆放，为了保证标定的精度，可进行多次位置的摆放标定。传统的手眼标定是通过移动手抓的位置来进行的，由于这里的标定是以手抓为坐标原点，所以通过移动靶标也可以达到同样的效果，只是R和t的简单转化关系。

视觉标定示意图如图1所示。靶标的摆放相对位置是已知的，如此可以验证标定的精度，并加以验证和误差矫正。

（3）场地坐标系与手抓坐标系转换

①旋转参数计算：

其中R_op1中的（a₁,b₁,c₁）可由下式计算得到：1/S_p1p2*{(x₂-x₁)i+(y₂-y₁)i+(z₂-z₁)k}，记作a₁i+b₁j+c₁k；式中：S_p1p2-P₁到P₂的距离P₁=(x₁，y₁，z₁),P₂=(x₂，y₂，z₃)是构造出的新坐标系的三维坐标，同理得到（a^, ₂，b^, ₂，c^, ₂）和（a₃，b₃，c₃）；

②确定平移量的初值，采用任意控制点ni坐标，有公式：

已知未作变化3点P1、P2、P3在坐标系0-XYZ和0^，-X^,Y^,Z^,的坐标分别为（X_i,Y_i,Z_i）,(Xⁿ _i,Yⁿ _i,Zⁿ _i)，i=1，2，3。

系统整体标定工作原理：

系统包含大地、场地、转台、相机等4个主要坐标系，坐标系之间的转化关系如图2所示，主要包括大地坐标系G与场地坐标系P、场地坐标系P与转台坐标系R，转台坐标系R与相机坐标系C之间的转换。定义个坐标系转换公式如下所示：

；

大地坐标系G和场地坐标系P的关系Hgp已知。转台坐标系R与相机坐标系C之间的关系Hrc采用手眼标定的方法解出，标定方法参见视觉标定内容。

转台坐标系R与大地坐标系G的转换关系Hrg或者场地坐标系P之间的转换关系Hpr是本项目标定环节中非常关键的一环，准确标定出Hrg或者Hpr才能实现各坐标系之间的转换，是准确得出数据的基础。

Claims (6)

1.一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）进行相机内外参数的标定；

（2）转台坐标系与相机坐标系之间的关系Hrc手眼标定：利用转台手抓和相机相对关系不变的性质，固定靶标位置，在保证靶标在视野内的条件下，多次转动转台，则第i次和第j次图像相对与第一次的外参数计算出手抓和相机间的R和t，从而求出转台与相机之间的转换矩阵Hrc；

（3）转台坐标系与场地坐标系转换关系Hpr或者转台坐标系与大地坐标系转换关系Hrg的标定：根据实际情况，选择基于视觉的标定方法，即可得出Hpr或者Hrg；

（4）在取得Hrg、Hpr、Hrc的基础上，就可以将相机、转台、场地、大地四个坐标系统统一起来；

（5）控制转台拍摄目标，结合转台方位、俯仰角度与镜头焦距信息，即可将目标相关信息映射到特定坐标系下，实现预定任务。

2.如权利要求1所述的一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于所述步骤（1）中，相机的内外参数标定是将设计好的高精度黑白靶标置于相机前，相机的位置保持不变，通过改变靶标来获得图像，在每个合适的位置进行拍摄；然后在计算机上，对每个位置的靶标图像进行角点提取，可获得相应的单应矩阵；当所用图像的单应矩阵得出后，利用其与内参的关系列出矩阵方程并奇异值分解得出内参，进而求出外参。

3.如权利要求1所述的一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于所述步骤（3）中，所述基于视觉的标定方法包括角度转换、手眼标定、场地坐标系与手抓坐标系转换。

4.如权利要求3所述的一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于所述角度转换具体为：总线传输到计算机上的是两个方向的角度，角度换算成R坐标按照如下公式计算：

上式中θ代表光轴的旋转角度，实际为0，φ为相机光轴在手抓坐标系的XY平面上的投影与X轴的夹角，φ为相机光轴和手抓坐标系的Z坐标之间的夹角。

5.如权利要求3所述的一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于所述手眼标定具体为：在准确得到转台手抓和场地坐标系转换关系前，要进行转台手抓和相机的手眼标定，手眼标定的基本公式如下：R_C*R=R*R_D；R_C*t+t_D=R*t_D+t_D；其中R和t为所求，其他部分由标定得出。

6.如权利要求3所述的一种基于视觉标定及坐标转换的测量系统整体校准方法，其特征在于所述场地坐标系与手抓坐标系转换包括：

①旋转参数计算：

其中R_op1中的（a₁,b₁,c₁）可由下式计算得到：1/S_p1p2*{(x₂-x₁)i+(y₂-y₁)i+(z₂-z₁)k}，记作a₁i+b₁j+c₁k；式中：S_p1p2-P₁到P₂的距离P₁=(x₁，y₁，z₁),P₂=(x₂，y₂，z₃)是构造出的新坐标系的三维坐标，同理得到（a^, ₂，b^, ₂，c^, ₂）和（a₃，b₃，c₃）；

②确定平移量的初值，采用任意控制点ni坐标，有公式：

已知未作变化3点P1、P2、P3在坐标系0-XYZ和0^，-X^,Y^,Z^,的坐标分别为（X_i,Y_i,Z_i）,(Xⁿ _i,Yⁿ _i,Zⁿ _i)，i=1，2，3。