CN106485758B - 一种无人机摄像头标定装置、标定方法及流水线标定实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机摄像头标定装置、标定方法流水线标定实现方法。利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；将无人机固定在无人机固定平台上后，其摄像头对平面标定板进行拍照，对拍摄的标定图像进行处理，利用平面标定板中间畸变较小部分的标定图像，通过网格块边缘在图像上的长度的变化，分析出网格板的几何变换角度，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正。方法简便，易于实现，尤其是在应用到无人机流水化生产线上，能够降低对生产线自动化的要求，同时更加快速实现标定。

Description

一种无人机摄像头标定装置、标定方法及流水线标定实现 方法

技术领域

本发明涉及一种无人机摄像头标定装置、标定方法及流水线标定实现方法，特别是涉及一种适用于无人机流水化生产线的摄像头标定装置、标定方法及流水线标定实现方法。

背景技术

求解相机内部参数的过程称为摄像头标定。摄像头的标定的精度决定着摄像头在应用中的效果。在无人机对目标物体进行测量，规避障碍物，跟踪目标时，对摄像头标定的要求十分高。在无人机的搭载摄像头装配过程中，由于受批次工艺影响，存在装配误差，需要对摄像头进行快速、高精度的标定。

基于平面标定板进行标定的张正友标定法因其简便性得到了广泛的应用(ZhangZ.A Flexible New Technique for Camera Calibration[J].IEEE Transactions onPattern Analysis&Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334)。这种方法需要拍摄三张以上不同角度的照片，并需要在照片上需要人工指定几个点的对应。因此需要移动标定板或者摄像头。在无人机摄像头流水化装配生产线上，

这种标定方法显得繁琐，并且难以实现自动化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无人机摄像头标定装置、标定方法及流水线标定实现方法，方法更加简便，易于实现，尤其是在应用到无人机流水化生产线上，能够降低对生产线自动化的要求，同时更加快速实现标定。

本发明采用的技术方案如下：一种无人机摄像头标定装置，包括无人机固定平台及平面标定板；所述无人机固定平台用于对无人机进行固定，并且使无人机摄像头CMOS平面与无人机固定平台平行时，无人机摄像头正对所述平面标定板；所述平面标定板为水平横线和垂直竖线组成的网格平面标定板。

安装无人机固定平台，并将平面标定板固定安装，使平面标定板与固定平台纵向轴线垂直，将无人机固定在无人机固定平台上，即使无人机摄像头CMOS平面与无人机固定平台平行时，平面标定板与无人机摄像头CMOS平面的法线呈平行，拍摄一张平面标定板图像。

作为优选，所述无人机固定平台上设置有卡槽，用于固定无人机，使每次无人机固定的相对位置相同。

作为优选，所述网格平面标定板为国际象棋棋盘状分布的平面标定板。

作为优选，所述网格平面标定板为国际象棋黑白相间网格棋盘状分布的平面标定板。

一种基于上述无人机摄像头标定装置的无人机摄像头标定方法，包括：常规标定及常规标定修正；

所述常规标定为利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

常规标定修正为：将无人机固定在无人机固定平台上后，其摄像头对平面标定板进行拍照，对拍摄的标定图像进行处理，利用平面标定板中间畸变较小部分的标定图像，通过网格块边缘在图像上的长度的变化，分析出网格板的几何变换角度，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正。

由于摄像头在装配过程中会存在一定的倾斜角度，因此摄像头的CMOS平面和平面标定板的法线存在夹角，通过此步可以求出法线间的夹角。对拍摄的标定板图像进行处理，利用平面标定板中间畸变较小部分的标定图像，通过网格块边缘在图像上的长度的变化，分析出网格板的几何变换角度。

由于装配过程存在的工艺问题，摄像头的CMOS平面可能会发生一定角度的倾斜。如图2所示，当CMOS平面由于倾斜，绕Z轴旋转了α角度。原本拍摄出的标定板图像应如图3左侧所示效果，而因为CMOS平面的倾斜，标定板图像将变为图3右侧所示一边长，一边短的效果。若将倾斜角度α求出，则可以求出小角度旋转矩阵R，就可以对摄像头内外参数以及畸变系数进行修正。

作为优选，其中，利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数的具体方法为：用无人机摄像头对平面标定板进行不同角度，不同距离的拍摄，然后利用常规的张正友标定法对摄像头进行标定，获得摄像头内参、外参以及畸变系数。

如图4所示，O为摄像机镜头，O₁为平面AB的中点，O₂为平面A'B'的中点。平面AB为平面标定板上的一个方形网格块边缘，长度为2a。当标定板倾斜α角度后，CD为倾斜标定板上方形网格块边缘。A'B'和C'D'分别为AB和CD在CMOS平面上的对应成像。而B'D'为两次成像的边缘差距，其长度是可测量的，并记为x'，BD的长度记为x，OO₁长度记为l，OO₂长度记为l'，由此几何关系可得到：

那么倾斜角度α则表示为：

作为优选，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正的具体方法为：

未考虑几何变换角度的像点物理坐标经过α角度的旋转，就可以得到经过角度修正后考虑畸变的像点物理坐标，将两个物理坐标关系用矩阵相乘的形式可表达为

而理想小孔模型下像点的物理坐标和世界坐标之间的转换关系为

其中，α为几何变换角度；[x_I,y_I,1]^T为未考虑几何变换角度的像点物理坐标；[x_d,y_d,1]^T为考虑畸变的情况下像点的物理坐标；[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标；R为小角度旋转矩阵；[x_W,y_W,1]^T为世界坐标；[x_I,y_I,1]^T经小角度旋转后得到[x_d,y_d,1]^T，故R可表达为：

M描述空间点到图像点的中心透视投影关系，为投影矩阵；[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标，表达为畸变修正方程为：

其中k₁，k₂为径向畸变系数，r²＝x_d ²+y_d ²。

一种基于上述无人机摄像头标定方法的流水线标定实现方法，具体方法步骤为：

一、常规标定：利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

二、将无人机固定平台搭载在流水线传送带上，并在无人机固定平台纵向轴线垂直处安装平面标定板；

三、处理拍摄网格并修正参数：

a、打开传送带，每架无人机经过无人机固定平台时，传送带停顿一个固定时间，无人机固定平台将无人机固定，经过固定的无人机的纵向轴线与平面标定板法线平行，并对平面标定板进行拍照；

b、将拍照图片传回计算机端，并分析其几何变换角度；

c、利用几何变换角度对摄像头镜头外参数和畸变系数进行修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用几何关系的推导以及利用几何变换角优化摄像头内参和外参的方法，不但标定装置结构简单，而且能有效准确的实现无人机摄像头的标定，能够将原来需要拍摄三张不同角度的照片减少为拍摄一张，实现了单张照片、快速简便的摄像头标定；不仅适用于无人机摄像头，其他摄像头的标定都可以使用本发明方法及装置。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的装置结构示意图。

图2为摄像头CMOS平面倾斜效果示意图。

图3为摄像头倾斜拍摄效果示意图。

图4为倾斜角度求解示意图。

图5为本发明标定方法的实现流程图。

图6为本发明其中一实施例的无人机生产流水线应用实例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例1

如图1所示，一种无人机摄像头标定装置，包括无人机固定平台及平面标定板；所述无人机固定平台用于对无人机进行固定，并且使无人机摄像头CMOS平面与无人机固定平台平行时，无人机摄像头正对所述平面标定板；所述平面标定板为水平横线和垂直竖线组成的网格平面标定板。

具体实施例2

如图1所示，在具体实施例1的基础上，所述无人机固定平台上设置有卡槽，用于固定无人机，使每次无人机固定的相对位置相同。

具体实施例3

在具体实施例1或2的基础上，所述网格平面标定板为国际象棋棋盘状分布的平面标定板。

具体实施例4

如图1所示，在具体实施例1到3之一的基础上，所述网格平面标定板为国际象棋黑白相间网格棋盘状分布的平面标定板。

具体实施例5

如图5所示，在具体实施例1到4之一的基础上，一种基于上述无人机摄像头标定装置的无人机摄像头标定方法，包括：常规标定及常规标定修正；

所述常规标定为利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

常规标定修正为：将无人机固定在无人机固定平台上后，其摄像头对平面标定板进行拍照，对拍摄的标定图像进行处理，利用平面标定板中间畸变较小部分的标定图像，通过网格块边缘在图像上的长度的变化，分析出网格板的几何变换角度，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正。

具体实施例6

在具体实施例5的基础上，其中，利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数的具体方法为：用无人机摄像头对平面标定板进行不同角度，不同距离的拍摄，然后利用常规的张正友标定法对摄像头进行标定，获得摄像头内参、外参以及畸变系数。

具体实施例7

在具体实施例5或6的基础上，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正的具体方法为：

未考虑几何变换角度的像点物理坐标经过α角度的旋转，就可以得到经过角度修正后考虑畸变的像点物理坐标，将两个物理坐标关系用矩阵相乘的形式可表达为

而理想小孔模型下像点的物理坐标和世界坐标之间的转换关系为

其中，α为几何变换角度；[x_I,y_I,1]^T为未考虑几何变换角度的像点物理坐标；[x_d,y_d,1]^T为考虑畸变的情况下像点的物理坐标；[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标；R为小角度旋转矩阵；[x_W,y_W,1]^T为世界坐标；[x_I,y_I,1]^T经小角度旋转后得到[x_d,y_d,1]^T，故R可表达为：

M描述空间点到图像点的中心透视投影关系，为投影矩阵；[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标，表达为畸变修正方程为：

其中k₁，k₂为径向畸变系数，r²＝x_d ²+y_d ²。

具体实施例8

在具体实施例5到7之一的基础上，一种基于上述无人机摄像头标定方法的流水线标定实现方法，具体方法步骤为：

一、常规标定：利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

二、将无人机固定平台搭载在流水线传送带上，并在无人机固定平台纵向轴线垂直处安装平面标定板；

三、处理拍摄网格并修正参数：

a、打开传送带，每架无人机经过无人机固定平台时，传送带停顿一个固定时间，无人机固定平台将无人机固定，经过固定的无人机的纵向轴线与平面标定板法线平行，并对平面标定板进行拍照；

b、将拍照图片传回计算机端，并分析其几何变换角度；

c、利用几何变换角度对摄像头镜头外参数和畸变系数进行修正。

本发明方案通过几何变换角来对无人机摄像头进行标定，装置结构简单，方法便捷。在装置方面仅需一个固定平台以及棋盘标定板即可；在方法方面，传统的张正友标定法需要三张以上不同的照片来实现标定。而本专利方法可以通过分析一张照片的几何变换角，对无人机摄像头的内参、外参以及畸变系数进行修正，实现了仅需一张照片就能实现无人机摄像头的标定。

总的来说，本发明方案更加简便，易于实现，尤其是在应用到无人机流水化生产线上，可以降低对生产线自动化的要求，同时更加快速实现标定，具有重要的使用价值和意义。

Claims (6)

1.一种基于无人机摄像头标定装置的无人机摄像头标定方法，包括：常规标定及常规标定修正；

所述无人机摄像头标定装置包括无人机固定平台及平面标定板；所述无人机固定平台用于对无人机进行固定，并且使无人机摄像头CMOS平面与无人机固定平台平行时，无人机摄像头正对所述平面标定板；所述平面标定板为水平横线和垂直竖线组成的网格平面标定板；

所述常规标定为利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

常规标定修正为：将无人机固定在无人机固定平台上后，其摄像头对平面标定板进行拍照，对拍摄的标定图像进行处理，利用平面标定板中间畸变较小部分的标定图像，通过网格块边缘在图像上的长度的变化，分析出网格板的几何变换角度，根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正；

根据几何变换角度进而求出小角度旋转矩阵R，实现对常规标定获得的内参、外参及畸形系数的修正的具体方法为：

未考虑几何变换角度的像点物理坐标经过α角度的旋转，就可以得到经过角度修正后考虑畸变的像点物理坐标，将两个物理坐标关系用矩阵相乘的形式可表达为：

而理想小孔模型下像点的物理坐标和世界坐标之间的转换关系为：

其中，α为几何变换角度；[x_I,y_I,1]^T为未考虑几何变换角度的像点物理坐标；[x_d,y_d,1]^T为考虑畸变的情况下像点的物理坐标；

[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标；R为小角度旋转矩阵；[x_W,y_W,1]^T为世界坐标；[x_I,y_I,1]^T经小角度旋转后得到[x_d,y_d,1]^T，故R可表达为：

M描述空间点到图像点的中心透视投影关系，为投影矩阵；

[x_p,y_p,1]^T为理想小孔模型下像点的物理坐标，表达为畸变修正方程为：

其中k₁，k₂为径向畸变系数，r²＝x_d ²+y_d ²。

2.根据权利要求1所述的无人机摄像头标定方法，其中，利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数的具体方法为：用无人机摄像头对平面标定板进行不同角度，不同距离的拍摄，然后利用常规的张正友标定法对摄像头进行标定，获得摄像头内参、外参以及畸变系数。

3.根据权利要求1所述的无人机摄像头标定方法，其特征在于：所述无人机固定平台上设置有卡槽，用于固定无人机，使每次无人机固定的相对位置相同。

4.根据权利要求1所述的无人机摄像头标定方法，其特征在于：所述网格平面标定板为国际象棋棋盘状分布的平面标定板。

5.根据权利要求1或4所述的无人机摄像头标定方法，其特征在于：所述网格平面标定板为国际象棋黑白相间网格棋盘状分布的平面标定板。

6.一种基于权利要求1到2之一所述无人机摄像头标定方法的流水线标定实现方法，具体方法步骤为：

一、常规标定：利用常规标定法对同批次同类型的摄像头中其中一个摄像头进行标定，获得该同批次同类型摄像头的内参、外参及畸形系数；

二、将无人机固定平台搭载在流水线传送带上，并在无人机固定平台纵向轴线垂直处安装平面标定板；

三、处理拍摄网格并修正参数：

a、打开传送带，每架无人机经过无人机固定平台时，传送带停顿一个固定时间，无人机固定平台将无人机固定，经过固定的无人机的纵向轴线与平面标定板法线平行，并对平面标定板进行拍照；

b、将拍照图片传回计算机端，并分析其几何变换角度；

c、利用几何变换角度对摄像头镜头外参数和畸变系数进行修正。