CN107783310A - 一种柱透镜成像系统的标定方法及装置 - Google Patents

一种柱透镜成像系统的标定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种柱透镜成像系统的标定方法及装置，涉及成像设备领域，能够解决定量映射关系的参数复杂、解算效率低、标定步骤繁杂的问题而发明。主要方法包括：确定柱透镜成像系统的物空间坐标系；获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标和像空间坐标系；获取物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，第一像点坐标为标定点在第一线阵相机中的像点坐标，第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标；采用组合参数矩阵，建立物点坐标和第一像点坐标的第一映射关系，以及物点坐标和第二像点坐标的第二映射关系；根据最小二乘法，计算第一映射关系和第二映射关系的物像标定矩阵。本申请主要应用于柱透镜成像系统标定过程中。

Description

一种柱透镜成像系统的标定方法及装置
技术领域
本申请涉及成像设备领域，尤其涉及一种柱透镜成像系统的标定方法及装置。
背景技术
柱透镜成像系统主要包括柱透镜和光电传感器。柱透镜成像系统应用于高速点目标跟踪、测量等领域。柱透镜成像系统的采样频率可以达到50kHZ以上，比圆透镜面阵相机系统的采样频率高，能够满足军事领域对点目标的高速跟踪要求。使用柱透镜成像系统进行高速精确测量，实时测得轨道超平、正矢等参数变化。柱透镜成像系统主要组成部件包括柱透镜和光电传感器。柱透镜成像系统中的光电传感器一般采用线阵CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件)或线阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)传感器。光电传感器的传感元件排列方向记为X轴。
物空间，是指未经柱透镜成像系统变换的光束所在的集合空间。像空间，是指经过光学系统变换后的光束所在的几何空间。如果利用柱透镜成像系统开展相关计算和测量工作，需要建立像空间与物空间的定量映射关系。柱透镜成像系统的定量映射关系是通过标定的方式确定的。
为实现柱透镜成像系统的参数标定，一种方法是按照几何光学模型，确定物像关系，用多组已知坐标的标定点，解算定量映射关系。这种方法涉及参数多，即使在不考虑畸变的情况下，也超过20个参数，标定操作和计算过程复杂，定量映射关系的解算效率低。
发明内容
本申请提供了一种柱透镜成像系统的标定方法及装置，以解决定量映射关系的解算效率低的问题。
第一方面，本申请提供了一种柱透镜成像系统的标定方法，该方法包括：
确定所述柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系；
获取所述柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，所述标定点的数量至少为7个；
获取所述物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，所述第一像点坐标为所述标定点在第一线阵相机中的像点坐标，所述第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，所述第一线阵相机与所述第二线阵相机平行；
采用组合参数矩阵，建立所述物点坐标和所述第一像点坐标的第一映射关系，以及所述物点坐标和所述第二像点坐标的第二映射关系；
根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵。
第二方面，本申请还提供了一种柱透镜成像系统的标定装置，所述装置包括：
确定单元，用于确定所述柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系；
获取单元，用于获取所述柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，所述标定点的数量至少为7个；
所述获取单元，还用于获取所述物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，所述第一像点坐标为所述标定点在第一线阵相机中的像点坐标，所述第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，所述第一线阵相机与所述第二线阵相机平行；
建立单元，用于采用组合参数矩阵，建立所述物点坐标和所述第一像点坐标的第一映射关系，以及所述物点坐标和所述第二像点坐标的第二映射关系；
计算单元，用于根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵。
本申请提供的一种柱透镜成像系统的标定方法与装置，采用矩阵描述柱透镜成像系统物像关系，矩阵各元素为成像系统内外参数组合，极大减少了待标定参数和计算复杂性；确定若干标定点，对矩阵参数用最小二乘法进行标定计算。稳定性好，无需解算成像系统内外部参数即可实现标定。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种柱透镜成像的标定方法流程图；
图2为本申请提供的一种获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标的方法流程图；
图3为本申请提供的一种柱透镜成像系统的标定装置组成框图；
图4为本申请提供的另一种柱透镜成像系统的标定装置组成框图。
具体实施方式
所谓标定，就是要建立物空间坐标系和线空间坐标系之间的映射关系。物空间坐标系，是被测物空间坐标系。像空间坐标系，是图像坐标系。理论单说，物空间坐标系和像空间坐标系，这两个坐标系的原点可以任意设定，只要是确定的，就存在确定的映射关系。当然坐标原点不同，相同位置的具体坐标值不相同，标定出的映射参数也不相同。
对于普通的圆透镜成像系统，会有一个圆透镜配一个面阵相机，物空间的一个点，在相机图像中也是一个点，图像中的像点坐标就是它在图像中的行列坐标。
在柱透镜成像系统中，有两个主方向相互垂直的柱透镜，每个柱透镜配置一个线阵相机，其中，柱透镜的主方向和对应的线阵相机传感元件排列方向是相互垂直的，两个柱透镜的光轴方向是相互平行的。柱透镜中的线阵相机和柱透镜，习惯上用左右进行区分。在柱透镜成像系统中，物空间的一个点，经过左透镜后成像为一条光条纹，这条光条纹与左线阵相机相交，得到第一个像点，类似的，物空间的该点，经过右透镜后光条纹与右线阵相机相交，得到第二个像点。
参见图1，为本申请提供的一种柱透镜成像的标定方法流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤101，确定柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系。
为了定位物空间和像空间中点的位置，需要建立对应的坐标系，即物空间坐标系和像空间坐标系。建立坐标系需要确定坐标系的维度、轴向和原点位置。由于我们生活在三维的空间中，三维的直角坐标系能够准确度的确定任意点的具体位置，所以物空间坐标系和像空间坐标系的维度都是三维的。
在本申请中，物空间坐标系O-XYZ，X轴为水平方向，Y轴为铅直方向，Z轴为成像模组的光轴方向，原点O可按照测量要求确定。像空间坐标系I-UVW，W轴为成像模组光轴方向，U、V分别为两线阵相机感光元件排列方向。
坐标原点，也就是柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系中的原点，是柱透镜成像系统的标定基准。同时还需确定柱透镜成像系统的物空间的空间坐标系。
步骤102，获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标。
标定点的数量至少为7个，标定点的物距已知。选取7个标点的，就能够对柱透镜成像系统进行标定，如果选取的标定点的数量大于7个，是为了能够在数据存在微小干扰和误差情况下取得较优解。物点坐标是指标定点在物空间坐标系中的坐标。
步骤103，获取物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标。
第一像点坐标为标定点在第一线阵相机中的像点坐标，第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，第一线阵相机与第二线阵相机平行。第一像点坐标和第二像点坐标用线阵相机中的像点位置表示。
步骤104，采用组合参数矩阵，建立物点坐标和第一像点坐标的第一映射关系，以及物点坐标和第二像点坐标的第二映射关系。
建立所述第一映射关系：其中，ZCR为所述第一线阵相机的第一系统参数，nR为所述第一像点坐标，为所述第一映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵。
建立所述第二映射关系：其中，ZCL为所述第二线阵相机的第二系统参数，nL为所述第二像点坐标，为所述第二映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵。
根据基本矩阵变换规则，对第一映射关系和第二映射关系进行齐次化，消除第一映射关系和第二映射关系的齐次项，对每一标定点Bi，第一映射关系可等效表示为：
XBisR11+YBisR12+ZBisR13+sR14-nRiXBisR21-nRiYBisR22-nRisR24＝nRiZBi；
第二映射关系可等效表示为：
XBisL11+YBisL12+ZBisL13+sL14-nLiXBisL21-nLiYBisL22-nLisL24＝nLiZBi。
将步骤102和步骤103，获取的物点坐标和其对应的像点坐标，带入第一映射关系和第二映射关系的等效表达式中，形成多个矩阵关系式。
步骤105，根据最小二乘法，计算第一映射关系和第二映射关系的物像标定矩阵。
最小二乘法，是一种数学优化技术，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求解未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间的误差的平方和最小。物像标定矩阵，是物点坐标和像点坐标的关系矩阵。计算出物像关系矩阵，也就完成了对柱透镜成像系统的标定，对应物空间中的任意一点，根据其在左右线阵相机的显示的读数，以及位移传感器给出的物距，可以计算出被测量点的物空间坐标。
本申请的理论基础为：物点坐标(X,Y,Z)经过成像系统变换，映射为像点坐标。对于柱透镜成像系统，物空间中一个标定点的物点坐标(X,Y,Z)被映射为两线阵相机的像点坐标(nR，nL)。在不考虑镜头畸变的情况下，物点坐标到像点坐标的变化，是线性变换，该线性变换可以用包含成像系统内外部参数的解析式函数表示，也可以用矩阵表示，两者等效。在实际应用中物点坐标中的Z轴坐标是已知的，在不考虑镜头畸变的情况下，物点坐标到像点坐标的线性变换过程是可逆的。假设线性变换用矩阵表示，确定物像标定矩阵后，映射关系即可确定，标定完成。
本申请提供的一种柱透镜成像系统的标定方法，采用矩阵描述柱透镜成像系统物像关系，矩阵各元素为成像系统内外参数组合，极大减少了待标定参数和计算复杂性；确定若干标定点，对矩阵参数用最小二乘法进行标定计算。稳定性好，无需解算成像系统内外部参数即可实现标定。
参见图2，为本申请提供的一种获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标的方法流程图。如图2所示，获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，包括：
步骤201，在预置物距的截面上，选取预置数量的标定点。
在柱透镜成像系统中，截面上的每个点的物距都等于预置物距。在截面上选取能够在柱透镜成像系统成像的预置数量的物点坐标，预置数量至少为3个。对于记录标定点的物点坐标和对应的第一像点坐标和第二像点坐标，可以每确定一个标定点记录一次，也可以在确定所有的标定点之后统一记录，在本申请实施例中对标定点的第一像点坐标和第二像点坐标的记录时机不做限定。
步骤202，统计标定点的个数。
步骤203，如果个数不小于7，则停止获取标定点。
标定点的个数为7，是计算物像标定矩阵所需的最少个数。如果达到标定点的最少个数，就可以停止获取物点坐标，以最少的标定点，标定柱透镜成像系统。
步骤204，如果个数小于7，则获取物距偏移量。
如果标定点的个数小于7，则还需要获取标定点的物点坐标，获取物距偏移量，在该物距偏移量的基础上，再获取其他标定点。
步骤205，根据物距偏移量，重新计算预置物距，以便于选取足够数量的标定点。
在步骤201中预置物距的基础上，增加或减少物距偏移量，重新计算预置物距，然后重复步骤201至204，直到选取个数不小于7的物点坐标。
作为图1和2方法的具体实现，参见图3，为本申请提供的一种柱透镜成像系统的标定装置组成框图，装置包括：
确定单元31，用于确定柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系；
获取单元32，用于获取柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，标定点的数量至少为7个；
获取单元32，还用于获取物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，第一像点坐标为标定点在第一线阵相机中的像点坐标，第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，第一线阵相机与第二线阵相机平行；
建立单元33，用于采用组合参数矩阵，建立物点坐标和第一像点坐标的第一映射关系，以及物点坐标和第二像点坐标的第二映射关系；
计算单元34，用于根据最小二乘法，计算第一映射关系和第二映射关系的物像标定矩阵。
进一步地，如图4所示，获取单元32，包括：
选取模块321，用于在预置物距的截面上，选取预置数量的标定点，预置数量至少为3个；
统计模块322，用于统计标定点的个数；
停止模块323，用于如果个数不小于7，则停止获取标定点；
获取模块324，用于如果个数小于7，则获取物距偏移量；
计算模块325，用于根据物距偏移量，重新计算预置物距，以便于选取足够数量的标定点。
进一步地，建立单元33，用于：
建立第一映射关系：其中，ZCR为第一线阵相机的第一系统参数，nR为第一像点坐标，为第一映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为物点坐标的转置矩阵；
建立第二映射关系：其中，ZCL为第二线阵相机的第二系统参数，nL为第二像点坐标，为第二映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为物点坐标的转置矩阵。
进一步地，如图4所示，该装置还包括：
消除单元35，用于根据最小二乘法，计算第一映射关系和第二映射关系的物像标定矩阵之前，消除第一映射关系和第二映射关系的齐次项。
本申请提供的一种柱透镜成像系统的标定装置，采用矩阵描述柱透镜成像系统物像关系，矩阵各元素为成像系统内外参数组合，极大减少了待标定参数和计算复杂性；确定若干标定点，对矩阵参数用最小二乘法进行标定计算。稳定性好，无需解算成像系统内外部参数即可实现标定。
具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的标定方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种柱透镜成像系统的标定方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系；
获取所述柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，所述标定点的数量至少为7个；
获取所述物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，所述第一像点坐标为所述标定点在第一线阵相机中的像点坐标，所述第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，所述第一线阵相机与所述第二线阵相机平行；
采用组合参数矩阵，建立所述物点坐标和所述第一像点坐标的第一映射关系，以及所述物点坐标和所述第二像点坐标的第二映射关系；
根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，包括：
在预置物距的截面上，选取预置数量的所述标定点，所述预置数量至少为3个；
统计所述标定点的个数；
如果所述个数不小于7，则停止获取所述标定点；
如果所述个数小于7，则获取物距偏移量；
根据所述物距偏移量，重新计算所述预置物距，以便于选取足够数量的所述物标定点。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用组合参数矩阵，建立所述物点坐标和所述第一像点坐标的第一映射关系，以及所述物点坐标和所述第二像点坐标的第二映射关系，包括：
建立所述第一映射关系：其中，ZCR为所述第一线阵相机的第一系统参数，nR为所述第一像点坐标，为所述第一映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵；
建立所述第二映射关系：其中，ZCL为所述第二线阵相机的第二系统参数，nL为所述第二像点坐标，为所述第二映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵之前，所述方法还包括：
消除所述第一映射关系和所述第二映射关系的齐次项。
5.一种柱透镜成像系统的标定装置，其特征在于，所述装置包括：
确定单元，用于确定所述柱透镜成像系统的物空间坐标系和像空间坐标系；
获取单元，用于获取所述柱透镜成像系统的标定点的物点坐标，所述标定点的数量至少为7个；
所述获取单元，还用于获取所述物点坐标的第一像点坐标和第二像点坐标，所述第一像点坐标为所述标定点在第一线阵相机中的像点坐标，所述第二像点坐标为标定点在第二线阵相机中的像点坐标，所述第一线阵相机与所述第二线阵相机平行；
建立单元，用于采用组合参数矩阵，建立所述物点坐标和所述第一像点坐标的第一映射关系，以及所述物点坐标和所述第二像点坐标的第二映射关系；
计算单元，用于根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获取单元，包括：
选取模块，用于在预置物距的截面上，选取预置数量的所述标定点，所述预置数量至少为3个；
统计模块，用于统计所述标定点的个数；
停止模块，用于如果所述个数不小于7，则停止获取所述标定点；
获取模块，用于如果所述个数小于7，则获取物距偏移量；
计算模块，用于根据所述物距偏移量，重新计算所述预置物距，以便于选取足够数量的所述标定点。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述建立单元，用于：
建立所述第一映射关系：其中，ZCR为所述第一线阵相机的第一系统参数，nR为所述第一像点坐标，为所述第一映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵；
建立所述第二映射关系：其中，ZCL为所述第二线阵相机的第二系统参数，nL为所述第二像点坐标，为所述第二映射参数，[XB,YB,ZB,1]T为所述物点坐标的转置矩阵。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
消除单元，用于所述根据最小二乘法，计算所述第一映射关系和所述第二映射关系的物像标定矩阵之前，消除所述第一映射关系和所述第二映射关系的齐次项。
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