CN106127724A - 用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法，包括步骤：a)展开框架，并用连接杆支撑所述框架的活动关节，保持所述框架稳定；b)将直线材料竖直平行固定于所述框架上下两端，并拉伸所述直线材料，保持所述直线材料的直线度；c)在所述连接杆上布置所述编码点，用普通相机对标定场中的编码点进行拍摄；d)获取所述编码点的空间坐标，将所述编码点的空间坐标进行平面拟合，并将坐标原点移动至拟合平面上；e)将待标定相机固定于微调平台；f)用所述待标定相机对所述标定场进行拍照，计算所述待标定相机的位置及光轴指向；g)通过调节所述微调平台，使光轴垂直于所述拟合平面；h)重复步骤f)和步骤g)，调节所述待标定相机的位置误差小于0.005mm，角度误差小于0.005°。

Description

用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法

技术领域

本发明涉及一种场相关畸变模型的标定场设计及标定方法，尤其涉及在使用较大面积的CCD或CMOS传感器进行静态或动态摄影测量时，或被测物在相机景深方向具有不可忽略的变化时的标定场设计及标定方法。

背景技术

制造业、能源、航空航天、军事、基础设施建设等行业的迅速发展带来了更大型的零部件加工、设备组装、产品质量监控、工程项目建设，同时也带来了大量的大尺寸、高精度的非接触测量需求。影响测量精度的关键因素之一就是建立准确的成像模型，并实现相机成像参数的高精度标定。光学系统设计明确指出了像差中的畸变与放大率紧密相关，即同被测物距离相关。

传统的高精度标定方法主要有标定物方法和自标定方法。利用标定物进行标定的方法受限于标定物的加工尺寸，同时加工误差会带来复杂的标定误差模型，无法应用于大尺寸测量相机的标定。自标定方法虽然可以根据需求建立不同尺寸的标定场，而且具有同测量对象相同的成像特性，然而方法需要多站位、多角度的复杂测量网络，因此无法单独分析物距对于畸变参数的影响。

Duane Brown和Fryer深入探讨了同物距相关的畸变模型，并利用垂线法标定相机。这种方法非常适合标定大尺寸、同物距相关的畸变模型参数。然而这种方法存在以下缺陷：首先，需要不断调整成像系统，对垂线进行对焦，带来了成像系统的不稳定因素；其次，采用尼龙细线作为垂线材料，需要长时间曝光，对于拍摄背景的吸光能力有很高的要求；再次，标定材料为漫反射材质，同测量对象(回光反射材料)的反射特性差异大，会带来标定结果的系统误差；然后，标定方法无法对附加参数B₁和B₂(面内畸变参数)进行标定，然而这两项参数对于高精度测量又是不可或缺的；最后，依靠铅锤及水准设备进行物面调整，无法保证 光轴同垂线阵列的垂直，而且无法得到准确的物距信息。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法，所述标定步骤为：a)展开框架，并用连接杆支撑所述框架的活动关节，保持所述框架稳定；b)将直线材料竖直平行固定于所述框架上下两端，并拉伸所述直线材料，保持所述直线材料的直线度；c)在所述连接杆上布置所述编码点，用普通相机对标定场中的编码点进行拍摄；d)获取所述编码点的空间坐标，将所述编码点的空间坐标进行平面拟合，并将坐标原点移动至拟合平面上；e)将待标定相机固定于微调平台；f)用所述待标定相机对所述标定场进行拍照，计算所述待标定相机的位置及光轴指向；g)通过调节所述微调平台，使光轴垂直于所述拟合平面；h)重复步骤f)和步骤g)，调节所述待标定相机的位置误差小于0.005mm，角度误差小于0.005°。

优选地，所述步骤h后还包括步骤h1：将所述待标定相机绕所述光轴旋转90°，重复步骤h。

优选地，所述步骤h1后还包括步骤h2：通过待标定相机获得的相互垂直的标定场图像，解耦偏心畸变参数p和面内畸变参数B。

优选地，所述步骤h2后还包括步骤h3：若利用小型标定场对广角相机进行远距离标定，需要在同一物距的多个位置对标定场分区域成像。

优选地，所述步骤h3后还包括步骤h4：识别标定场中所有直线并求解直线亮度中心坐标。

优选地，所述步骤h4后还包括步骤h5：获取最优畸变参数。

优选地，所述框架为拉伸框架，能够收缩及展开；所述框架展开后尺寸至少为长3米、高2米。

优选地，所述框架的背景布置为黑色吸光绒布。

优选地，所述直线材料设置为具有宽度的回光反射线条。

优选地，所述回光反射线条的反光材料为玻璃微珠。

优选地，所述直线材料的拉伸方法为在所述框架的上下两端布置G字夹，通过所述G字夹对所述直线材料进行拉伸。总结上述描述，本发明的用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法解决了以下问题：

1.相机在不同位置，以不同角度对被测物进行拍摄，空间点具有多样且明显的空间深度变化；

2.通过圆形回光反射标志点标识被测物关键位置，测量系统测量标识点的亮度重心坐标；

3.相机被配置为使用小光圈成像，并使用同步闪光灯作为主动光源，提高被测目标点的成像质量；

4.相机的成像系统处于离焦状态，无法实现对焦。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明用于场相关畸变模型的标定场；

图2为实验中使用的框架的展开状态图；

图3为实验中使用的回光反射条和用于拉伸直线的G字夹；

图4为本发明用于场相关畸变模型的相机和微运动平台的示意性实验总成；

图5a为利用摄影测量获取的编码点三维坐标；

图5b为坐标系转换结果；

图6a为步骤h3中直线图像处理结果中的竖直直线图像；

图6b为步骤h3中直线图像处理结果中的竖直直线采样点坐标；

图6c为步骤h3中直线图像处理结果中的水平直线图像；

图6d为步骤h3中直线图像处理结果中的水平直线采样点坐标。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明针对前述背景技术中所述的传统的同对焦状态相关的畸变模型标定方法存在的缺陷，例如需要不断调整成像系统，对垂线进行对焦，带来了成像系统的不稳定因素；采用尼龙细线作为垂线材料，需要长时间曝光，对于拍摄背景的吸光能力有很高的要求；标定材料为漫反射材 质，同测量对象(回光反射材料)的反射特性差异大，会带来标定结果的系统误差；标定方法无法对附加参数B1和B2(面内畸变参数)进行标定，然而这两项参数对于高精度测量又是不可或缺的；依靠铅锤及水准设备进行物面调整，无法保证光轴同垂线阵列的垂直，而且无法得到准确的物距信息。于是，提出了一种解决以上缺陷的标定场设计及标定方法，在材料选择、标定场设计、定位定向方法、标定流程及软件算法设计方面探讨新的技术，形成新的、适用于大幅面传感器的高精度标定方法。

如图1所示，为本发明的标定场：括框架101、直线材料102、编码点103、黑色吸光绒布104、连接杆105以及G字夹106；其中连接杆105用于支撑框架101,连接杆105上布置所述编码点103；

如图2所示，为本发明用于场相关畸变模型的标定方法的流程图，所述步骤为：

a)展开框架101，并用连接杆105支撑所述框架的活动关节107，保持所述框架101稳定；

根据本发明的一个实施例，所述框架101为拉伸框架，能够收缩及展开,展开的框架如图2所示；所述框架101展开后尺寸至少为长3米、高2米。

根据本发明的一个实施例，所述框架101的背景布置为黑色吸光绒布104。

b)将直线材料102竖直平行固定于所述框架上下两端，并拉伸所述直线材料102，保持所述直线材料102的直线度；

根据本发明的一个实施例，所述直线材料102设置为具有宽度的回光反射线条。

根据本发明的一个实施例，所述回光反射线条的反光材料为玻璃微珠。

根据本发明的一个实施例，所述直线材料102的拉伸方法为在所述框架的上下两端布置G字夹,如图3所示，通过所述G字夹301对所述直线材料302进行拉伸。

根据本发明的一个实施例，通过本发明中的图像处理算法自动识别所有直线并求解直线亮度重心的准确坐标，所述具有宽度的回光反射条的自动寻迹与亮度中心坐标计算方法为：

1)判断图片是否垂直直线图像，如果是水平直线图像，则将图像旋转90度；

2)对直线图像进行高斯滤波处理，滤除图像噪声；

3)遍历图像中的每一个像素，直至被访问的像素灰度值大于某一设定的灰度阈值，表示找到可能直线的起始端点。此阈值表示可能直线目标的最低成像灰度；

4)以目标灰度阈值作为标准，选取此像素所在行方向的临近区域作为直线目标区域，利用平方加权方法求解亮度重心坐标，保存坐标数据；

5)在直线图像上求得的亮度重心附近，搜索下一行像素临近直线目标区域，并计算直线目标亮度重心，保存坐标数据；

6)重复进行步骤5，直至到达此连续直线的下端点,找到下端点的标准是：1当前行临近区域的灰度值均小于目标灰度阈值；2直线目标区域宽度小于设定的宽度阈值；3超出图像区域；

7)统计已获得的连续直线段的长度，如果大于设定的直线长度阈值，则保存所有行上的亮度重心坐标，并将直线目标区域的图像亮度值置为0；否则，不保存坐标，不对图像做任何操作；

8)继续遍历剩余像素，重复步骤3，寻找直线上端点；

9)找到上端点，重复进行步骤4-6，搜索直线目标，直至图像上所有像素点均被访问完毕。

c)在所述连接杆105上布置所述编码点103，用普通相机对标定场中的编码点进行拍摄；

d)获取所述编码点的空间坐标，将所述编码点103的空间坐标进行平面拟合，并将坐标原点移动至拟合平面上；

e)将待标定相机固定于微调平台,如图4所示，包括相机401和微调平台402；所述微调平台为六自由度的微调平台。

f)用所述待标定相机401对所述标定场进行拍照，计算所述待标定相机的位置及光轴指向；

g)通过调节所述微调平台402，使光轴垂直于所述拟合平面；

h)重复步骤f)和步骤g)，调节所述待标定相机的位置误差小于0.005mm，角度误差小于0.005°。

根据本发明的一个实施例，所述步骤h后还包括步骤h1：将所述待 标定相机绕所述光轴旋转90°，重复步骤h。

根据本发明的一个实施例，所述步骤h1后还包括步骤h2：通过待标定相机获得的相互垂直的标定场图像，解耦偏心畸变参数p和面内畸变参数B。

根据本发明的一个实施例，所述步骤h2后还包括步骤h3：若利用小型标定场对广角相机进行远距离标定，需要在同一物距的多个位置对标定场分区域成像。

根据本发明的一个实施例，所述步骤h3后还包括步骤h4：将直线数据带入全畸变参数分块平差快速算法中，得到最优畸变参数。

下面通过具体实验来说明根据本发明的方法的技术效果。

1、框架设计：

标定架框架采用一种商用拉网展架，收起时可以方便运输与保存；使用时可以展开并通过支撑杆固定，保持整体的刚度和稳定性，如图2所示。本发明中用到的框架展开后尺寸为3.2m(长)*2.3m(高)。同时为了降低背景噪声，在主体框架背面布置黑色吸光绒布。

2、直线材料设计：

本发明采用的直线材料是具有一定宽度的回光反射线条，反光材料是玻璃微珠，具有很好的柔韧性以及定向反光性能，同摄影测量中通用的回光反射目标点具有相同的反射机理，因此保证了标定和测量时的成像误差一致性。可以根据标定距离合理选择线条宽度。

仿真分析指出，直线阵列的共面性对于标定结果影响可以忽略。直线度对于标定结果的影响大。当面内直线度优于0.005mm，离面直线度优于0.01mm时，标定结果受到的影响可以忽略，因此采用两端拉伸的方式保持线条的直线度。

如图3所示，为实验中使用的回光反射条302和用于拉伸直线的G字夹301；回光反射线条两端通过G字夹固定在主体框架上下的边框上，保持拉伸状态。

3、相机定位定向场的建立：

标定原理指出，直线阵列应处于标定相机的物面上，即直线阵列所处平面应垂直于相机光轴。本发明通过摄影测量的方法完成相机位置和指向的高精度测量。在主体框架竖向刚性边框和连接杆上放置磁性回光 反射编码点，在标定场内部建立定位定向场，如图1所示。

首先，通过摄影测量的方法获得所有编码点的空间三维坐标；然后，将所有编码点拟合一空间平面，即为直线阵列所在平面；最后，进行坐标系转移，将坐标系原点转移到其中一个编码点的位置，并令测量坐标系的x轴垂直于拟合平面，y轴平行于竖向连接杆，如图5所示。于是，求解得到的相机位置和指向都将是相对于此平面的结果。

4、相机角度调节机构：

对标定场和定向场一次拍摄，利用编码点的空间和像面坐标信息，就可以通过摄影测量中的单片后方交会技术获得相机的准确位置和角度。本发明采用一套六自由度高精度微动平台完成相机角度调节。相机对定位定向场成像，可以测得相机光轴与直线阵列平面的夹角，通过此微动平台调节相机的角度，使之与直线阵列平面垂直。

5、标定面内畸变参数B₁及B₂项：

偏心畸变参数P₁、P₂同附加面内畸变参数B₁、B₂之间存在相关性，当用竖直直线阵列同时求解两类畸变参数时，会出现法方程矩阵的缺秩。当只标定偏心畸变参数时，算法可以完成计算。虽然可以保证其他内参数的求解精度，但是不考虑面内附加畸变参数带来的系统误差全部累加到偏心畸变上。因此需要找到某种方法，可以克服参数之间的相关性，使得传统的垂线阵列标定方法可以标定(除径向、偏心畸变之外)面内附加畸变参数。这也是本发明的关键技术之一。

当被成像的直线不仅有竖直直线，而且有水平方向的直线时，会提供像面上横方向上的约束信息，可以解耦两类畸变参数直线的复杂相关性，那么标定算法就可以同时计算偏心畸变P₁、P₂以及附加面内畸变参数B₁、B₂了。实际操作中，只要在原成像位置将相机旋转90°再次对竖直直线阵列成像就可以获得像面上的横向直线。

其总体计算方法为：遍历每个像素，发现直线上端点，向下搜索连续直线，直至找到直线下端点，通过平方灰度重心法计算直线段在每行上的重心坐标并保存。这种直线处理算法不仅可以实现自动识别直线段并计算重心坐标，而且不受编码点或者背景亮斑等噪声干扰，一次处理可以获得若干直线上大量的坐标数据。

如图6所示，为直线图像处理结果，图6a为竖直直线图像，图6b为竖直直线的采样点坐标；图6c为水平直线图像，图6b为水平直线的采样点坐标。

以上只是本发明较佳的实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种用于场相关畸变模型的标定场设计及标定方法，所述标定步骤为：

a)展开框架，并用连接杆支撑所述框架的活动关节，保持所述框架稳定；

b)将直线材料竖直平行固定于所述框架上下两端，并拉伸所述直线材料，保持所述直线材料的直线度；

c)在所述连接杆上布置所述编码点，用普通相机对标定场中的编码点进行拍摄；

d)获取所述编码点的空间坐标，将所述编码点的空间坐标进行平面拟合，并将坐标原点移动至拟合平面上；

e)将待标定相机固定于微调平台；

f)用所述待标定相机对所述标定场进行拍照，计算所述待标定相机的位置及光轴指向；

g)通过调节所述微调平台，使光轴垂直于所述拟合平面；

h)重复步骤f)和步骤g)，调节所述待标定相机的位置误差小于0.005mm，角度误差小于0.005°。

2.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述步骤h后还包括步骤h1：将所述待标定相机绕所述光轴旋转90°，重复步骤h。

3.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述步骤h1后还包括步骤h2：通过待标定相机获得的相互垂直的标定场图像，解耦偏心畸变参数p和面内畸变参数B。

4.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述步骤h2后还包括步骤h3：若利用小型标定场对广角相机进行远距离标定，需要在同一物距的多个位置对标定场分区域成像。

5.如权利要求4所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述步骤h3后还包括步骤h4：识别标定场中所有直线并求解直线亮度中心坐标。

6.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述步骤h4后还包括步骤h5：获取最优畸变参数。

7.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述框架为拉伸框架，能够收缩及展开；所述框架展开后尺寸至少为长3米、高2米。

8.如权利要求7所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述框架的背景布置为黑色吸光绒布。

9.如权利要求1所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述直线材料设置为具有宽度的回光反射线条。

10.如权利要求9所述的标定场设计及标定方法，其特征在于：所述直线材料的拉伸方法为在所述框架的上下两端布置G字夹，通过所述G字夹对所述直线材料进行拉伸。