CN106595700A

CN106595700A - 基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法

Info

Publication number: CN106595700A
Application number: CN201510666604.4A
Authority: CN
Inventors: 王唯; 唐志华
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明提供一种基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法，包括：以全站仪为原点建立靶道坐标系，其中全站仪瞄准方向为X轴正方向；利用标定板上的特征点建立标定坐标系；选取标定支架上的三个不共线的标记点并记录三点在标定坐标系下的坐标；每一靶道相机对移动至其前的标定板成像，获得坐标图像，同时全站仪测量标定支架上的三个标记点在靶道坐标系上的坐标；建立每一靶道相机获取的坐标图像中像素坐标系到标定坐标的旋转、平移关系；基于三个标记点在标定坐标系下的固定坐标，建立标定坐标系到靶道坐系的旋转、平移关系。

Description

基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法

技术领域

本发明涉及一种测试测量技术，特别是一种靶道空间基准三点标定方法。

背景技术

靶道对研究弹丸飞行运动规律具有较大的促进作用，靶道照相系统是捕获飞行弹丸位置、姿态的重要仪器设备。为了提高靶道成像系统的测量精度，需要对靶道成像系统进行精细的标定工作。

国内最早提出的标定方法是利用空间分划体的正交立面校正相机位置，利用悬线和等高液面进一步确定空间分划体的空间姿态。这种方法要求相机光轴正交于分划体中心，较难实现。进一步提出的修正方法，允许相机光轴与分划体中心的偏离，利用分划体上特征点的像素坐标与实际空间位置坐标，通过待定系数的方法确定图像与标定坐标的转换关系，增强可操作性的同时改善了标定精度。近年来随着相关技术的进一步发展，悬线、水平液面定姿系统被激光准直系统代替，胶片式模拟相机被高分辨率数字相机代替，提高系统精度的同时也对标定方法带来了一些挑战。这其中包括：激光准直系统比较笨重，使用、维护都很困难；标定车所在轨道弯曲、与靶道射向不一致容易造成的在某些位置标定物无法就位进而影响标定；数字相机CCD阵列对图像的采样过程引入了新的待定变量，如CCD阵列的正交性、CCD感光颗粒的规则性；还有从一开始就被忽略的相机镜头畸变问题。

针对数字相机CCD阵列参数的识别，镜头畸变的校正，计算机视觉领域的研究更为完善，提出了很多校正方法，为本发明提供了较多的理论和技术参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种靶道空间基准三点标定方法，该方法一方面完善现有标定方法、提高标定精度，另一方面降低标定工作量，提高标定效率。

一种基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法，采用全站仪、标定板、标定支架和靶道相机组成的系统实现，所述靶道相机设置于靶道一侧，所述标定板设置于标定支架上，所述方法包括：

以全站仪为原点建立靶道坐标系，其中全站仪瞄准方向为X轴正方向；

利用标定板上的特征点建立标定坐标系；

选取标定支架上的三个不共线的标记点并记录三点在标定坐标系下的坐标；

每一靶道相机对移动至其前的标定板成像，获得坐标图像，同时全站仪测量标定支架上的三个标记点在靶道坐标系上的坐标；

建立每一靶道相机获取的坐标图像中像素坐标系到标定坐标的旋转、平移关系；

基于三个标记点在标定坐标系下的固定坐标，建立标定坐标系到靶道坐标系的旋转、平移关系。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明适用于常规靶道成像系统空间基准的标定，采用三点测距方法代替了激光准直系统，放松了相机和标定物之间的相对位置约束关系，避免了标定车所在轨道弯曲、不平行引起的标定物难以就位、无法实现标定的实际困难，整个系统组成简单，各个部件移动运输方便，标定精度较高，易于工程实现。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明靶道空间基准三点标定系统的结构示意图。

图2是本发明靶道空间基准三点标定方法的流程图。

图3是本发明带有修正过程的标定方法流程图。

图4是本发明标定过程中修正相机镜头畸变的图像之一。

图5是击发实验中相机捕获的图像之一。

图6是靶道坐标中弹丸弹头在X-Y坐标面内的投影。

图7是靶道坐标中弹丸弹头在X-Z坐标面内的投影。

具体实施方式

结合图1，本发明方法采用下述系统来实现：一种靶道空间基准三点标定系统，包括全站仪、标定板、标定支架、计算机以及照相机，其中全站仪和照相机分别通过线缆同计算机相联，实现数据的传递和存储。所述全站仪是指土木工程中常用的确定多点在空间中位置坐标的通用仪器；标定板是指光学实验中常见的绘有特定图案的标志物；标定支架上固定有不共线的三个测量点；计算机是指具有存储、计算和显示能力的通用设备；相机包括对应的镜头，是待标定对象。工作时，相机将拍摄到的标定板的图像通过数据线传送的计算机存储，全站仪将测量到的标定支架上三点的坐标通过数据线传送到计算机存储，根据获得的图像和坐标数据计算机通过计算确定相机在靶道坐标下的位置。

结合图2，一种基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法，采用上述系统实现，所述靶道相机设置于靶道一侧，所述标定板设置于标定支架上，包括以下步骤：

步骤S101，以全站仪为原点建立靶道坐标系，安置、固定并启动全站仪，调节全站仪的水平和方位并清零，这时即建立靶道坐标，其中靶道坐标原点为全站仪所在位置，全站仪当前瞄准方向即靶道坐标X轴正向，在竖直面内找到指向上方且与X轴正交的向量记为靶道坐标Y轴，靶道坐标Z轴的方向与X轴及Y轴满足右手螺旋法则；

步骤S102，利用标定板上的特征点建立标定坐标系；

步骤S103，选取标定支架上的三个不共线的标记点并记录三点在标定坐标系下的坐标；

步骤S104，固定靶道相机，移动标定板至适当位置，靶道相机对移动至其前的标定板成像，获得坐标图像，同时全站仪测量标定支架上的三个标记点在靶道坐标系上的坐标；

步骤S105，建立靶道相机获取的坐标图像中像素坐标系到标定坐标的旋转、平移关系；

步骤S106，基于三个标记点在标定坐标系下的固定坐标，建立标定坐标系到靶道坐标系的旋转、平移关系；

步骤S107，移动标定支架和标定板至下一靶道相机前，重复步骤S104至S106，直至所有靶道相机成像完毕。

结合图3，一种基于三点坐标测量和带有修正过程的靶道空间基准标定方法，包括以下步骤：

步骤S201，以全站仪为原点建立靶道坐标系，安置、固定并启动全站仪，调节全站仪的水平和方位并清零，这时即建立靶道坐标，其中靶道坐标原点为全站仪所在位置，全站仪当前瞄准方向即靶道坐标X轴正向，在竖直面内找到指向上方且与X轴正交的向量记为靶道坐标Y轴，靶道坐标Z轴的方向与X轴及Y轴满足右手螺旋法则；

步骤S202，利用标定板上的特征点建立标定坐标系；

步骤S203，选取标定支架上的三个不共线的标记点并记录三点在标定坐标系下的坐标；

步骤S204，移动标定支架和标定板，设置标定板出现于该靶道相机视野的不同位置并分别被相机成像，重复本步骤直至获得足够的图像使标定板均匀的出现在相机视野的不同位置，获取修正图像并存储；

步骤S205，固定靶道相机，移动标定板至适当位置，靶道相机对移动至其前的标定板成像，获得坐标图像，同时全站仪测量标定支架上的三个标记点在靶道坐标系上的坐标；

步骤S206，合并坐标图像和修正图像，提取标定板上特征点在所有图像上的像素坐标，在计算机上通过有关算法计算镜头的畸变参数、相机内部参数和外部参数，特别的找到并记录坐标图像所对应的相机参数(畸变如图4所示)；

步骤S207，建立靶道相机获取的坐标图像中像素坐标系到标定坐标的旋转、平移关系；

步骤S208，基于三个标记点在标定坐标系下的固定坐标，建立标定坐标系到靶道坐标系的旋转、平移关系；

步骤S209，移动标定支架和标定板至下一靶道相机前，重复步骤S204至S208，直至所有靶道相机成像完毕。

本发明采用下述方法进行各坐标系之间的转换。定义A、B、C为标定支架上任意不共线三点。

A-BC坐标到标定坐标的转换

定义A、B、C为空间中任意不共线三点，则A、B、C三点在标定坐标系中可以表示为：由A、B、C三点可以确定的向量V₁＝B₁-A₁和U₁＝C₁-A₁。由V₁和U₁可以确定一个以V₁为X轴，(V₁×U₁)×V₁为Y轴，V₁×U₁为Z轴的过渡坐标系A-BC。这时有：

是过渡坐标系A-BC转换到标定坐标的方向余弦矩阵。

A-BC坐标到靶道坐标系的转换

同理，若A、B、C三点在靶道坐标系中的坐标为则由A、B、C三点在靶道坐标系下的坐标可以确定的向量V₂＝B₂-A₂和U₂＝C₂-A₂。相应的有：

是由过渡坐标系A-BC转换到靶道坐标系的方向余弦矩阵。

标定坐标系到靶道坐标系的转换

根据公式和，以A-BC坐标为桥梁，得到标定坐标系到靶道坐标系的转换关系为：

其中表示对标定坐标系中点[x₁ y₁ z₁]^T的坐标旋转。表示对标定坐标系中点[x₁ y₁ z₁]^T的坐标平移。

算例

A、B、C三点在标定坐标中的坐标分别如申请书中表格1所示(A对应点1，B对应点2，C对应点3，下同)，在靶道坐标中的坐标分别如申请书中表格2所示。于是按照公式得到：

按照公式得到：

计算得到标定坐标系到靶道坐标系的旋转矩阵和平移向量如申请书中表格7所示。

实施例一

下面以一台靶道相机为例对标定系统和标定过程详细说明。

本发明一种靶道空间基准三点标定系统，包括全站仪1、标定板2、标定支架3、计算机4和相机5。其中全站仪1的型号为Leica-Ts11，测距精度0.1毫米，标定板2采用透明玻璃板刻蚀边长20毫米棋盘格的方式制作，厚度3毫米，方格尺寸偏差不大于1微米，特征点为棋盘格交点，标定支架3作为标定板的支承部件需根据实际标定环境制作，为配合全站仪工作，标定支架3上有三个反射棱镜，为减小误差传递，三个棱镜间呈直角分布，计算机4为普通工控机，相机5采用Imperx公司的高分辨率黑白数字相机，型号为IGV-B4820。全站仪1的测量数据通过人机界面输入计算机4并存储，相机5通过千兆网线连接计算机4，通过计算机4控制相机5并接收图像数据。

本发明一种基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法，包括以下步骤：

步骤1，安置、固定并启动全站仪1，调节全站仪1的水平和方位并清零，这时即建立靶道坐标，其中靶道坐标原点为全站仪所在位置，全站仪当前瞄准方向即靶道坐标X轴正向，在竖直面内找到指向上方且X轴正交的向量记为靶道坐标Z轴，靶道坐标Y轴的方向与X轴及Z轴满足右手螺旋法则；

步骤2，将标定板2安装到标定支架3上，选定标定板2上的特征点建立标定坐标系，测量标定支架3上固定的三点在标定坐标系中的坐标并记录，如表格1所示；

步骤3，调节相机5的焦距与光圈，在其进入工作状态后固定焦距与光圈；

步骤4，移动标定板2使标定板2出现在相机5视野的不同位置，通过相机5对标定板2成像，重复本步骤直至获得足够的图像使标定板2均匀的出现在相机5视野的不同位置，收集并记录所有的图像至计算机4，称本步骤中获得的所有图像为图像集A，如图3所示；

步骤5，固定相机5，移动标定板2至适当位置，利用相机5对标定板2成像，存储至计算机4并记录为图像集B，通过全站仪1测量当前位置情况下标定支架3上三点的位置坐标并存储，如表格2所示；

步骤6，合并图像集A和B，提取标定板2上特征点在所有图像上的像素坐标，在计算机4上通过有关算法计算镜头的畸变参数(表格3和表格4)、相机内部参数和外部参数(表格5和表格6)，特别的找到并记录图像集B所对应的相机参数，据此建立像素坐标到标定坐标的旋转、平移关系，利用标定支架3上三点分别在标定坐标系到靶道坐标中的坐标，建立标定坐标系到靶道坐标的旋转、平移关系(表格7)，综合两者既获得像素坐标到靶道坐标的转换关系，进而完成标定。

表格1 标定架上三点在标定坐标下的坐标

表格2 标定架上三点在靶道坐标下的坐标

表格3 照相站相机1的镜头畸变系数

表格4 照相站相机2的镜头畸变系数

表格5 照相站相机1的内、外参矩阵

表格6 照相站相机2的内、外参矩阵

表格7 标定坐标到靶道坐标的变换矩阵

利用本标定方法标定的靶道中的击发实验

依照上述标定方法依次标定靶道内所有照相站，并整备其它相关设备进行实弹击发实验。被测弹丸为7.62制式弹丸，发射装置为对应口径的线膛弹道枪。开始实验后，照相站捕获弹丸阴影图像，如图5所示。为获得弹丸在靶道坐标中的坐标，首先提取图像上弹丸的特征点坐标，以弹头部为例；其次利用各站相机镜头的畸变模型和参数(如表格4)修正镜头畸变影像，将消除畸变后的像素坐标依次通过内参矩阵和外参矩阵变换到标定坐标，对应每一个照相站的每一幅图像分别得到弹头在对应标定坐标平面内的投影，利用每台相机光心在标定坐标系中的坐标以及上述弹头在标定面内的投影坐标联立方程，通过广义逆的形式求出弹头在标定坐标中的空间坐标点；最后利用各个照相站标定坐标到靶道坐标的转换关系(如表格7)获得弹头在靶道坐标下的坐标。

图6给出的是靶道坐标中弹丸弹头在X-Y坐标面内的投影。其中符号“+”表示数据处理后得到的弹丸弹头坐标，实线是抛物线拟合曲线，符号“○”表示实验数据与拟合数据之间的偏差。

图7给出的是靶道坐标中弹丸弹头在X-Z坐标面内的投影。其中符号“+”表示数据处理后得到的弹丸弹头坐标，实线是直线拟合曲线，符号“○”表示实验数据与拟合数据之间的偏差。

Claims

1.一种基于三点坐标测量的靶道空间基准标定方法，采用全站仪、标定板、标定支架和靶道相机组成的系统实现，所述靶道相机设置于靶道一侧，所述标定板设置于标定支架上，其特征在于，包括：

基于标定板上的特征点建立标定坐标系；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固定数目的靶道相机沿靶道周向设置同时对标定板成像。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在靶道相机对标定板成像获取坐标图像前，设置标定板出现于该靶道相机视野的不同位置并分别被相机成像，获取修正图像，根据所述多幅修正图像计算相机镜头的畸变参数、相机内部参数和外部参数，修正相机。