CN107806888B - 一种基于红外led灯的摄影/像机全自动快速标定方法 - Google Patents

一种基于红外led灯的摄影/像机全自动快速标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，该方法包括以下步骤：S1、建立红外LED灯标定场；S2、采集标定场图像；S3、自动读取标定场图像；S4、自动提取标定场图像上的红外LED灯标志点；S5、对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号；S6、自动解算摄影/像机的标定参数。本发明的方法毋需人工手动干预，可以实现摄影/像机全自动快速标定，标定一台摄影/像机只需数分钟即可完成，简单易行，减少了普通标定方法中手动量测图像坐标的步骤，且不要求操作人员有摄影测量和计算机视觉方面的专业知识，可实现工厂流水作业，对大批量摄影/像机的标定有非常高的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法
技术领域
本发明涉及摄影测量和计算机视觉几何定位技术领域，尤其涉及一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法。
背景技术
摄影测量和计算机视觉都是通过处理摄影(像)机获取的图像，而获得被摄物体的几何和纹理信息。在开展相关工作之前，对摄影(像)机进行标定是第一步基础工作，标定结果主要提供摄影(像)机的内方位元素、光学畸变参数和其他重要参数的检查与校正。国内外许多摄影测量和计算机视觉领域的学者们提出了各种各样行之有效的标定方法，如自标定方法、建筑物灭点标定方法、基于高精度平面网格板的标定方法，这些方法一般都很难获得最优的标定精度。室内高精度三维控制场标定方法是目前摄影(像)机标定方法中较为常用且成熟的一种方法，其标定精度相对较高，在摄影测量领域有非常广泛的应用。室内三维控制场由均匀分布在立体空间内、有已知三维空间坐标的明显标志点构成，可以用于摄影(像)机标定和近景摄影测量的有关研究，包括对新理论、新仪器和新方法的检验，也可对实际工作的摄影方式进行优化，检验控制点数量、质量和分布对精度的影响等。利用室内高精度三维控制场获得的摄影(像)机标定精度能够满足绝大部分摄影测量和计算机视觉的要求。
建立室内高精度三维控制场的首要工作是设计清晰的控制点标志，常用的标志图形如图1所示。图1(a)中的控制点标志由两个同心圆组成，将内部圆均分四等份，一、三象限涂为白色，二、四象限涂为黑色，外部是一个圈黑的圆环。图1(b)中的控制点标志也有两个同心圆组成，内部圆为白色，外部圆为黑色，在白色圆中添加十字丝。图1(c)中的控制点标志由“田”方框组成，将对角两正方向涂为黑色。
控制点标志建设好之后，将标志点贴附在边长为50-80毫米的矩形亚克力板上，并将亚克力板固定于碳纤维杆子上，杆子上部用万向节连接固定于天花板上，下部接上重锤并置于重油罐中，使碳纤维杆能自然悬垂，同时可以抵抗轻微的震动或风的影响。利用高精度全站仪观测得到控制点标志的三维坐标，便可用于摄影(像)机的标定。
利用室内三维控制场进行摄影(像)机标定时，首先用摄影(像)机获取控制场的图像(如图2所示)，然后量测控制场图像中标志点所对应的图像点坐标。然而，从图2可以看出，标志点对应的像点在图像上的排列并无规律，很多标志点的图像是完全一样的，还有部分标志点图像有重叠。因此，要实现摄影(像)机全自动快速标定就会遇到一定的困难：1)虽然可以预先设计标志点的图像模板，但仍然需要手工干预才能获得所有标志点的图像坐标，因而难以实现全自动化；2)获取的图像坐标需要人工给定编号，以满足与物方坐标一一对应；3)部分标志点在图像上重叠，容易引起图像点编号错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以实现全自动的摄影/像机快速标定的缺陷，提供一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，该方法包括以下步骤：
S1、建立红外LED灯标定场：按室内高精度三维控制场建立方法选择场地、设立标杆，选取红外LED灯作为控制标志点，将红外LED灯分别安装在各个标杆上，并量测每一个红外LED灯的物方坐标；
S2、采集标定场图像：将摄影/像机放置于红外LED灯标定场前方的位置，并将红外滤光片放置于镜头前，采集标定场图像；
S3、自动读取标定场图像：将摄影/像机与计算机相互连接，计算机自动读取摄影/像机内存中的标定场图像；
S4、自动提取标定场图像上的红外LED灯标志点：给定亮度阈值，保留标定场图像中大于亮度阈值的图像点，并通过联通区域查找，记录聚集在一起的图像点，再针对每处聚集的图像点，取其重心位置作为红外LED灯标志点对应的图像点坐标；
S5、对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号：针对提取的红外LED灯图像点坐标，按从下到上、从左到右的顺序编号，并将其与物方坐标一一对应；
S6、自动解算摄影/像机的标定参数：利用提取的红外LED灯图像点坐标及其对应的物方坐标，自动求解摄影/像机内方位元素和镜头畸变参数。
进一步地，本发明的步骤S1中建立红外LED灯标定场的方法具体为：
S11、选取尺寸大小为200-400nm的红外LED灯作为控制点标志；
S12、在三维立体空间中布设若干个竖立标杆，在摄影方向上将标杆分为3排，各排的标杆数量分别为4、3和4，在每根标杆上均匀布设9-11个红外LED灯；
S13、红外LED灯标定场施工建设，按照设计图，选择大小合适的室内建立红外LED灯标定场，安装标杆和红外LED灯；
S14、通过全站仪进行红外LED灯物方坐标量测，根据建设标定场对物方坐标量测的精度要求选择不同的观测方法，对量测结果按标杆的顺序，以及每根标杆上的红外LED灯标志点从下到上的顺序进行编号，将编号及其对应的三维物方坐标一并存储到计算程序中。
进一步地，本发明的步骤S14中选择的观测方法包括前方交会观测和免棱镜观测。
进一步地，本发明的步骤S3中通过串口连接的方式将摄影/像机相互连接。
进一步地，本发明的步骤S4中提取图像上的红外LED灯标志点的方法具体为：
S41、给定亮度阈值，保留标定场图像中大于亮度阈值的图像点；
S42、在标定场图像上进行联通区域查找，记录聚集在一起的图像点；
S43、对每处聚集的图像点取其重心位置作为红外LED灯标志点的图像坐标。
进一步地，本发明的步骤S5中对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号的方法具体为：
S51、对红外LED灯图像点坐标按左右方向排序，取最左边若干图像点进行直线拟合；
S52、如果直线倾斜角在5°以内，且直线上各点到拟合直线的距离不超过5个像素，则将满足此条件的图像点作为第1列，并从下到上编号；
S53、重复以上步骤，直到所有列图像点均被提取出来；在此过程中，如不能满足步骤S52中的条件，则旋转摄影/像机后重新采集红外LED灯标定场图像。
进一步地，本发明的步骤S6中自动解算摄影/像机的标定参数的方法具体为：
对红外LED灯图像点坐标引入畸变改正参数：
Figure GDA0002673549120000041
将畸变量表示为：
Figure GDA0002673549120000042
其中，(x,y)为红外LED灯标志点的像点坐标；(X,Y,Z)为红外LED灯标志点的物方坐标；(XS,YS,ZS)为摄影/像机外方位线元素；(ai,bi,ci)(i＝1,2,3)为摄影/像机外方位角元素构成的方向余弦；(f,x0,y0)为摄影/像机内方位元素；(k1,k2,p1,p2)为摄影/像机镜头畸变参数；
Figure GDA0002673549120000043
将畸变量带入畸变改正参数中，对内方位元素、外方位元素和畸变参数分别求偏导，并建立误差方程式，再按最小二乘平差方法求解出摄影/像机标定参数。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，毋需人工手动干预，可以实现摄影(像)机全自动快速标定，标定一台摄影(像)机只需数分钟即可完成，简单易行，减少了普通标定方法中手动量测图像坐标的步骤；该方法不要求操作人员有摄影测量和计算机视觉方面的专业知识，可实现工厂流水作业，对大批量摄影(像)机的标定有非常高的实用价值和广阔的应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为室内高精度三维控制场常用的控制点标志。
图2为摄影(像)相采集的室内高精度三维控制场图像。
图3为本发明实施例的方法流程图。
图4为本发明实施例的控制场内杆子平面分布图。
图5为本发明实施例的摄影(像)相采集的红外LED灯标定场图像。
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。
如图3所示，本发明实施例的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，该方法包括以下步骤：
S1、建立红外LED灯标定场：按室内高精度三维控制场建立方法选择场地、设立标杆，选取红外LED灯作为控制标志点，将红外LED灯分别安装在各个标杆上，并量测每一个红外LED灯的物方坐标；
S2、采集标定场图像：将摄影/像机放置于红外LED灯标定场前方的位置，并将红外滤光片放置于镜头前，采集标定场图像；
S3、自动读取标定场图像：将摄影/像机与计算机相互连接，计算机自动读取摄影/像机内存中的标定场图像；
S4、自动提取标定场图像上的红外LED灯标志点：给定亮度阈值，保留标定场图像中大于亮度阈值的图像点，并通过联通区域查找，记录聚集在一起的图像点，再针对每处聚集的图像点，取其重心位置作为红外LED灯标志点对应的图像点坐标；
S5、对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号：针对提取的红外LED灯图像点坐标，按从下到上、从左到右的顺序编号，并将其与物方坐标一一对应；
S6、自动解算摄影/像机的标定参数：利用提取的红外LED灯图像点坐标及其对应的物方坐标，自动求解摄影/像机内方位元素和镜头畸变参数。
在本发明的另一个具体实施例中：
本发明实施例所提供方法的流程如图3所示，包括：(1)建立红外LED灯标定场；(2)采集标定场图像；(3)自动读取标定场图像；(4)自动提取图像上的红外LED灯标志点；(5)自动编号图像上的红外LED灯标志点；(6)自动解算摄影(像)机标定参数。
(1)建立红外LED灯标定场
建立红外LED灯标定场包括红外LED灯选取、红外LED灯分布设计、红外LED灯标定场施工建设和红外LED灯物方坐标量测四个方面。
1)红外LED灯选取
将红外LED灯作为控制点标志，首先要控制其尺寸大小，目前国内红外LED灯可以做到200-400nm左右，可以满足作为控制点标志的要求。其次，要求红外LED灯散热效率高，有好的静电防护能力，可调节电压，寿命长。
2)红外LED灯分布设计
红外LED灯控制点标志应分布于立体三维空间中，本发明选用场地大小为长5m×宽5m×高3m的一个立体空间，在该场地内布设若干竖立杆子，在摄影方向上杆子设计3排，各排数量为4-3-4共11根。杆子的平面位置布设如图4所示，在每个杆子上布设9-11个红外LED灯。这样设计的目的是为了保证红外LED灯在图像上成像后分布均匀。
3)红外LED灯标定场施工建设
按照设计图，选择大小合适的室内建立红外LED灯标定场，安装红外LED灯的杆子可采用碳纤维或合金材料，保证不易变形。杆子上部用万向节连接，万向节上部用螺丝固定于天花板上，并控制螺丝的松紧度，使得整根杆子可以适当摆动但又不至于发生平移。杆子下部连接重锤，并将其置于重油罐中，以使杆子能自然悬垂，同时又可以抵抗轻微的震动或凤的影响。杆子建好后，在每根杆子上安装红外LED灯，最下部灯距地面约10cm，然后按照35cm间距均匀分布。
4)红外LED灯物方坐标量测
红外LED灯物方坐标量测采用全站仪完成，根据建设标定场对物方坐标量测的精度要求，可以选择不同的观测方法。精度要求较高时可采用前方交会观测，精度要求较低时可直接采用免棱镜观测。对量测结果按图4中所示的杆子顺序，每根杆子上的红外LED灯标志点从下到上进行编号，将编号及其对应的三维物方坐标一并存储到计算程序中。
(2)采集标定场图像
将摄影(像)机放置于红外LED灯标定场前合适的位置，并采集标定场图像。由于标定场中的标志点由红外LED灯组成，为了避免周围环境中的可见光对图像的影响，本发明将红外滤光片放置于镜头前，以便获得不受可见光影响的图像，如图5所示。
(3)自动读取标定场图像
用串口将摄影(像)机与计算机相连，通过串口自动读取摄影(像)机内存中的标定场图像。
(4)自动提取图像上的红外LED灯标志点
本发明采集图像时，将红外滤光片放置于镜头前，得到的图像不受可见光影响。因此，红外LED灯在图像上为非常明亮的光斑，利用计算机可以自动提取出每个红外LED灯对应的图像点坐标。本发明自动提取图像上的红外LDE灯标志点分三步进行：1)给定亮度阈值，将大于阈值的像素点保留；2)在图像上进行联通区域查找，记录聚集在一起的图像点；3)对每处聚集的图像点取其重心位置作为标志点最终图像坐标。
(5)自动编号图像上的红外LED灯标志点
对提取出的图像点坐标，按预定的顺序编号，要求从下到上，从左到右，以便和其物方坐标一一对应。本发明自动编号图像上红外LED标志点的实现步骤为：1)首先对图像坐标按左右方向排序，取最左边若干图像点进行直线拟合；2)如果直线倾斜角在5°以内，且直线上各点到拟合直线的距离不超过5个像素，则将满足此条件的图像点作为第1列，并从下到上编号；3)重复以上步骤，直到所有列图像点均被提取出来。在此过程中，如不能满足步骤2)中的条件，则旋转摄影(像)机后重新采集红外LED灯标定场图像。
(6)自动解算摄影(像)机标定参数
完成图像上红外LED标志点的自动提取和编号之后，能够保证像点坐标和物点坐标一一对应。在此基础上，即可进行摄影(像)机标定参数的自动解算。其中，摄影(像)机标定模型以摄影测量共线条件方程为基础，对图像坐标引入畸变改正参数，如式(1)：
Figure GDA0002673549120000081
将畸变量表示为：
Figure GDA0002673549120000082
式中(x,y)为红外LED灯标志点的像点坐标；(X,Y,Z)为红外LED灯标志点的物方坐标；(XS,YS,ZS)为摄影(像)机外方位线元素；(ai,bi,ci)(i＝1,2,3)为摄影(像)机外方位角元素构成的方向余弦；(f,x0,y0)为摄影(像)机内方位元素；(k1,k2,p1,p2)为摄影(像)机镜头畸变参数；
Figure GDA0002673549120000083
将式(2)代入式(1)中，对内方位元素、外方位元素和畸变参数分别求偏导，并建立误差方程式，再按最小二乘平差方法求解出摄影(像)机标定参数。
为了验证本发明方法的正确性和可行性，本实施例选用两台订制的摄影(像)机镜头模块进行了标定试验。镜头型号为JM JK REV1.0，镜头视场角50°，最大像幅1600像素×1200像素，像素大小1.75μm×1.75μm。由于本摄像机用于视频图像采集，为了保证数据的实时通讯，将图像重采样为640像素×480像素。同时，为了便于对比分析，本实施例也用室内高精度三维控制场进行了标定，标定结果一并列于表1。
表1摄影(像)机标定参数(单位：像素)
Figure GDA0002673549120000091
从表1可以看出，利用本发明所述摄影(像)机标定方法可以得到和传统室内高精度三维控制场一致的结果。两种标定方法获得的相机参数非常接近：三个内方位元素(f,x0,y0)中，最大差值1个像素左右；畸变参数(k1,k2,p1,p2)数量级较小，但整体趋势是一致的；像点残差中误差也基本一致，均可达到0.3像素。这说明本发明方法是正确、可行的，能够实现摄影(像)相全自动快速标定。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、建立红外LED灯标定场：按室内高精度三维控制场建立方法选择场地、设立标杆，选取红外LED灯作为控制标志点，将红外LED灯分别安装在各个标杆上，并量测每一个红外LED灯的物方坐标；
S2、采集标定场图像：将摄影/像机放置于红外LED灯标定场前方的位置，并将红外滤光片放置于镜头前，采集标定场图像；
S3、自动读取标定场图像：将摄影/像机与计算机相互连接，计算机自动读取摄影/像机内存中的标定场图像；
S4、自动提取标定场图像上的红外LED灯标志点：给定亮度阈值，保留标定场图像中大于亮度阈值的图像点，并通过联通区域查找，记录聚集在一起的图像点，再针对每处聚集的图像点，取其重心位置作为红外LED灯标志点对应的图像点坐标；
S5、对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号：针对提取的红外LED灯图像点坐标，按从下到上、从左到右的顺序编号，并将其与物方坐标一一对应；
S6、自动解算摄影/像机的标定参数：利用提取的红外LED灯图像点坐标及其对应的物方坐标，自动求解摄影/像机内方位元素和镜头畸变参数；
步骤S6中自动解算摄影/像机的标定参数的方法具体为：
对红外LED灯图像点坐标引入畸变改正参数：
Figure FDA0002673549110000011
将畸变量表示为：
Figure FDA0002673549110000012
其中，(x,y)为红外LED灯标志点的像点坐标；(X,Y,Z)为红外LED灯标志点的物方坐标；(XS,YS,ZS)为摄影/像机外方位线元素；(ai,bi,ci)(i＝1,2,3)为摄影/像机外方位角元素构成的方向余弦；(f,x0,y0)为摄影/像机内方位元素；(k1,k2,p1,p2)为摄影/像机镜头畸变参数；
Figure FDA0002673549110000021
将畸变量带入畸变改正参数中，对内方位元素、外方位元素和畸变参数分别求偏导，并建立误差方程式，再按最小二乘平差方法求解出摄影/像机标定参数。
2.根据权利要求1所述的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，步骤S1中建立红外LED灯标定场的方法具体为：
S11、选取尺寸大小为200-400nm的红外LED灯作为控制点标志；
S12、在三维立体空间中布设若干个竖立标杆，在摄影方向上将标杆分为3排，各排的标杆数量分别为4、3和4，在每根标杆上均匀布设9-11个红外LED灯；
S13、红外LED灯标定场施工建设，按照设计图，选择大小合适的室内建立红外LED灯标定场，安装标杆和红外LED灯；
S14、通过全站仪进行红外LED灯物方坐标量测，根据建设标定场对物方坐标量测的精度要求选择不同的观测方法，对量测结果按标杆的顺序，以及每根标杆上的红外LED灯标志点从下到上的顺序进行编号，将编号及其对应的三维物方坐标一并存储到计算程序中。
3.根据权利要求1所述的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，步骤S14中选择的观测方法包括前方交会观测和免棱镜观测。
4.根据权利要求1所述的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，步骤S3中通过串口连接的方式将摄影/像机相互连接。
5.根据权利要求1所述的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，步骤S4中提取图像上的红外LED灯标志点的方法具体为：
S41、给定亮度阈值，保留标定场图像中大于亮度阈值的图像点；
S42、在标定场图像上进行联通区域查找，记录聚集在一起的图像点；
S43、对每处聚集的图像点取其重心位置作为红外LED灯标志点的图像坐标。
6.根据权利要求1所述的基于红外LED灯的摄影/像机全自动快速标定方法，其特征在于，步骤S5中对图像上的红外LED灯标志点进行自动编号的方法具体为：
S51、对红外LED灯图像点坐标按左右方向排序，取最左边若干图像点进行直线拟合；
S52、如果直线倾斜角在5°以内，且直线上各点到拟合直线的距离不超过5个像素，则将满足此条件的图像点作为第1列，并从下到上编号；
S53、重复以上步骤，直到所有列图像点均被提取出来；在此过程中，如不能满足步骤S52中的条件，则旋转摄影/像机后重新采集红外LED灯标定场图像。
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