CN107976146B - 一种线阵ccd相机的自标定方法及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵CCD相机的自标定方法及测量方法，涉及摄像测量技术领域。自标定方法包括：沿光幕靶坐标系Y轴设置标志杆及标志点M，标志点M位于负Y轴，且处于线阵CCD相机测量时的视场外；线阵CCD相机围绕光心从第一俯仰角位置旋转至第二俯仰角位置过程中，以预定的旋转角度间隔采集标志点M在线阵CCD相机中的成像；从每一幅采集的图像中获取标志点M的坐标，并计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离；以像元坐标为变量，构建归一化偏移距离与变量之间的畸变模型，根据畸变模型求解线阵CCD相机的离散像元坐标对应的归一化偏移距离和偏移角。本发明避免繁琐计算和误差，标定过程快速准确。

Description

一种线阵CCD相机的自标定方法及测量方法

技术领域

本发明涉及摄像测量技术领域，具体是涉及一种线阵CCD相机的自标定方法及测量方法。

背景技术

随着国防工业的不断发展，各种武器装备层出不穷，对靶场测试系统的要求不断提高。以纸质靶为代表的传统靶板，由于其在实时性、准确度、自动化程度、重复利用率等方面存在着局限性，已经不能满足现代化武器装备测试的需求。基于CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件)相机的光幕靶交汇测量技术是一种非接触式的二维光电测量技术，由于对实验场景的要求比较简单，无需特定的背景，可以适应不同尺寸的弹丸以及不同测试距离的要求，因此成为了现代武器系统测试的主流。

基于线阵CCD的交汇测量系统主要由两台经纬仪、两台线阵CCD相机和两台激光发生器组成。其中，两台线阵CCD相机分别固定在两台经纬仪上，作为光幕靶的图像采集装置；两台高精度经纬仪负责控制两台相机的姿态位置；两台激光发生器负责构建光幕靶。交汇测量的原理如图1所示，相机1的光心为O₁，相机2的光心为O₂，两台相机光心的连线O₁O₂称为基线，基线长度为d，两台相机的光轴OO₁和OO₂与基线O₁O₂的夹角(即线阵CCD相机进行测量时的俯仰角γ)均为45°，从而使两相机的光轴正交，交点为光幕靶的中心，以该点为原点O，以平行于基线的直线为X轴，以垂直于基线的直线为Y轴，构成光幕靶坐标系。弹丸穿过光幕靶时所经过的点设为A，A点会在两相机的像面上成像，根据几何关系，通过公式(1)和(2)以及O₁A与OO₁之间的夹角α、O₂A与OO₁之间的夹角β可计算得到A点在光幕靶坐标系中的坐标(x，y)。

α和β可以根据A点在相机像面上的像点与像面中心点相距的像元数Q₁和Q₂、两相机的焦距f₁和f₂、以及两相机的像元间距Δ₁和Δ₂通过公式(3)和(4)计算得出：

由此可见，弹丸位置的测量精度是交汇测量系统的重要指标，受到相机的内部参数和外部参数的影响。相机的内部参数与相机自身特性相关，例如相机的焦距、像素大小等；相机的外部参数是在世界坐标系中的参数，例如相机的位置、旋转方向等。为了保证交汇测量系统的测量精度，需要对相机进行标定。传统的标定方式需要对相机的内部参数和外部参数分别进行标定，然后在后续的弹丸位置计算过程中代入这些参数，从而保证弹丸位置的测量精度。这种方式需要人为布置标定物，标定过程复杂繁琐。在每次的像元位置计算中需要代入各项标定参数，增加系统的计算量。另外，由于求解出的各项参数会不可避免的带有误差，在求解像元位置时，多项参数的迭代有可能会放大像元误差，不利于提高交汇测量系统的标定精度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种线阵CCD相机的自标定方法及测量方法，通过建立像元坐标与偏移角之间的对应关系实现对相机的标定，无需分别标定相机的内部参数和外部参数，避免繁琐计算和各项参数带来的误差，标定过程快速准确。

本发明提供一种线阵CCD相机的自标定方法，应用于交汇测量系统，线阵CCD相机固定在经纬仪上，并可绕线阵CCD相机的光心在同一平面内旋转以调整俯仰角的大小，所述自标定方法包括：

沿光幕靶坐标系的Y轴设置标志杆，标志杆上设有标志点M，标志点M位于负Y轴，且处于线阵CCD相机测量时的视场外；

线阵CCD相机围绕光心从第一俯仰角位置旋转至第二俯仰角位置过程中，以预定的旋转角度间隔采集标志点M在线阵CCD相机中的成像；

从每一幅采集的图像中获取标志点M的坐标，并计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离；

以像元坐标为变量，构建归一化偏移距离与所述变量之间的畸变模型，根据畸变模型求解线阵CCD相机的离散像元坐标对应的归一化偏移距离和偏移角。

在上述技术方案的基础上，标志点M在第一俯仰角和第二俯仰角的成像分别靠近视场的两边界，视场的两边界为视场上边界和视场下边界。

在上述技术方案的基础上，标志点M的坐标为标志点M的成像的中心坐标。

在上述技术方案的基础上，从第i幅采集的图像中获取标志点M的坐标包括：

对图像按照设定的灰度阈值进行阈值分割，将低于阈值的像元的灰度值赋值为0；

求解标志点M的坐标x_i的公式为：

其中，X_p为图像中任一点p的坐标，I_p为点p的灰度值。

在上述技术方案的基础上，从第i幅采集的图像中计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离D_i的公式为：

D_i＝tan(|γ_i-φ_i|)，

其中，γ_i为线阵CCD相机的俯仰角，φ_i为标志点M和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

在上述技术方案的基础上，通过对所有采集的标志点M的坐标和对应的归一化偏移距离进行曲线拟合，求得归一化偏移距离与所述变量之间的畸变模型。

在上述技术方案的基础上，所述畸变模型为：

D＝k₀x³+k₁x²+k₂x+k₃，

其中，k₀、k₁、k₂和k₃均为系数，x为所述变量，D为归一化偏移距离。

在上述技术方案的基础上，根据所述畸变模型求得线阵CCD相机的离散像元坐标x_j所对应的归一化偏移距离D_j，所述偏移角θ_j的计算公式为：

θ_j＝arctanD_j，

其中，θ_j＝|γ-φ_j|，γ为线阵CCD相机进行交汇测量时的俯仰角，φ_j为像元坐标x_j所在点和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

在上述技术方案的基础上，线阵CCD相机的像元坐标x_j根据交汇测量系统的标定精度确定。

本发明还提供一种基于上述自标定方法的弹丸位置测量方法，所述测量方法包括：

在每一个线阵CCD相机中，求出弹丸在光幕靶坐标系中的A点的像元坐标x_A，根据像元坐标x_A查找对应的偏移角，用找到的偏移角θ_A计算求得弹丸的坐标。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)通过建立像元坐标与偏移角之间的对应关系实现对相机的标定，无需分别标定相机的内部参数和外部参数，避免繁琐计算和各项参数带来的误差，标定过程快速准确。

(2)自标定完成后，在实际测量弹丸位置时，只需要求出弹丸的坐标，然后查找到弹丸的坐标所对应的偏移角，即可直接计算得到弹丸在光幕靶坐标系中的坐标，提高弹丸位置的计算效率。

附图说明

图1是交汇测量的原理图；

图2是本发明实施例线阵CCD相机的自标定方法流程图；

图3是本发明实施例线阵CCD相机的自标定方法中标志点M的位置；

图4是本发明实施例线阵CCD相机的自标定方法中相机绕光心旋转的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图2所示，本发明提供一种线阵CCD相机的自标定方法，应用于交汇测量系统，两台线阵CCD相机的自标定过程相同，两台线阵CCD相机均固定在经纬仪上，基线距离d，标志点M与两个光心的连线O₁M、O₂M与基线的夹角已知，经纬仪的转动精度足够高，且两台相机均可绕光心在同一平面内旋转以调整俯仰角的大小，自标定方法包括：

S1.沿光幕靶坐标系的Y轴设置标志杆，标志杆上设有标志点M，参见图3所示，标志点M位于负Y轴并与Y轴重合，标志点M距离基线的距离已知，标志点M处于两相机交汇测量时的视场外。以防在正常工作状态下产生误测量点。

S2.线阵CCD相机围绕光心从第一俯仰角位置旋转至第二俯仰角位置过程中，以预定的旋转角度间隔采集标志点M在线阵CCD相机中的成像。

参见图4所示，标志点M在第一俯仰角和第二俯仰角的成像分别靠近视场的两边界，视场的两边界为视场上边界和视场下边界。具体的，线阵CCD相机1绕光心旋转至俯仰角γ_i位置，使得标志点M的成像靠近相机1视场中靠近视场上边界的区域，记录下此时转台的俯仰角γ_i，并对标志点M进行图像采集。

S3.从每一幅采集的图像中获取标志点M的坐标，并计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离。

线阵相机只能获得一维信息的图像，也就是说，物体在相机中的成像位置只有一个方向上的坐标。由于标志点M在线阵相机中的像具有一定的宽度，为一条具有一定宽度的竖线，为了提高标定的精度，本实施例中标志点M的坐标为标志点M的成像的中心坐标。从第i幅采集的图像中获取标志点M的坐标包括：

对图像按照设定的灰度阈值进行阈值分割，将低于阈值的像元的灰度值赋值为0；

求解标志点M的坐标x_i的公式为：

其中，X_p为图像中任一点p的坐标，I_p为点p的灰度值。

从第i幅采集的图像中计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离D_i的公式为：

D_i＝tan(|γ_i-φ_i|) (6)，

其中，γ_i为线阵CCD相机的俯仰角，φ_i为标志点M和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

在本实施例中先执行步骤S2，然后执行S3，即先采集所有图像，然后对所有采集的图像进行图像处理和计算。在其他的实施例中，也可以从第一俯仰角开始，每采集一个图像后，就进行图像处理和计算，然后调整相机1的转台的俯仰角，使得俯仰角增加一个角度间隔，然后重复采集图像和图像处理和计算，直到第二俯仰角。

具体的，参见图4所示，线阵CCD相机1绕光心旋转至第一俯仰角γ₁位置，使得标志点M的成像靠近相机1视场中靠近视场上边界的区域，记录下此时转台的俯仰角γ₁，并对标志点M进行图像采集。根据采集到的图像，求解图像中的标志点M的坐标x_i，根据公式(6)计算归一化偏移距离D_i。记(x_i，D_i)为一组采样点，调整相机1的转台的俯仰角，使标志点M逐渐向相机1视场下边界移动，直至接近相机1视场下边界时停止，期间进行数据采样。通常情况下等角度间隔，取n＝20组以上采样点，n为采样点的数量。

S4.以像元坐标为变量，以下将该变量称为像元坐标变量，构建归一化偏移距离与像元坐标变量之间的畸变模型，根据畸变模型求解线阵CCD相机的离散像元坐标对应的归一化偏移距离和偏移角。在构建的畸变模型中，像元坐标变量为连续值，而线阵CCD相机的像元坐标为离散值。

通过对所有采集的标志点M的坐标和对应的归一化偏移距离进行曲线拟合，求得归一化偏移距离与像元坐标变量之间的畸变模型。

畸变模型为：

D＝k₀x³+k₁x²+k₂x+k₃ (7)，

其中，k₀、k₁、k₂和k₃均为系数，x为像元坐标变量，D为归一化偏移距离。

根据畸变模型求得线阵CCD相机的离散像元坐标x_j所对应的归一化偏移距离D_j，偏移角θ_j的计算公式为：

θ_j＝arctanD_j (8)，

其中，θ_j＝|γ-φ_j| (9)，

γ为线阵CCD相机进行交汇测量时的俯仰角，φ_j为离散像元坐标x_j所在的点和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

线阵CCD相机的像元坐标x_j的间隔根据交汇测量系统的标定精度确定。具体的，像元坐标x的间隔可能为1，2，3......等，也可以为1.1，1.2，1.3......等。

利用公式(7)求解出对应的D_j，然后根据公式(8)即可建立最终的离散像元坐标x_j与偏移角度θ_j之间的查找表，相机1的标定过程结束。相机2的标定过程与相机1相同，两相机可以同时进行自标定。通过建立离散像元坐标x_j与偏移角θ_j之间的对应关系实现对相机的标定，无需分别标定相机的内部参数和外部参数，避免繁琐计算和各项参数带来的误差，标定过程快速准确。

本发明实施例还提供一种基于上述自标定方法的弹丸位置测量方法，包括：在每一个线阵CCD相机中，求出弹丸在光幕靶坐标系中的A点的像元坐标x_A，根据像元坐标x_A查找对应的偏移角，用找到的偏移角θ_A计算求得弹丸的坐标。

具体的，参见图1所示，系统自标定完成后，在实际的弹丸位置测量时，只需要求出弹丸在光幕靶坐标系中的A点的像元坐标x_A，然后在离散像元坐标x_j与偏移角度θ_j之间的查找表中找到A点的像元坐标x_A所对应的偏移角θ_A，对于相机1，根据公式(9)可知：θ_A＝|γ-φ_A|＝α，因此无需先计算公式(3)和(4)，可以将偏移角θ_A直接代入公式(1)和(2)中即可求得弹丸在相机1中的坐标，同样的方法可求得弹丸在相机2中的坐标，提高弹丸位置的计算效率，确保弹丸位置的精度。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种线阵CCD相机的自标定方法，应用于交汇测量系统，两台线阵CCD相机固定在经纬仪上，且两台线阵CCD相机均绕其各自的光心在同一平面内旋转以调整俯仰角的大小，其特征在于，所述自标定方法包括：

沿光幕靶坐标系的Y轴设置标志杆，标志点M位于负Y轴并与Y轴重合，标志点M距离基线的距离已知，标志点M处于两台线阵CCD相机交汇测量时的视场外；

线阵CCD相机围绕光心从第一俯仰角位置旋转至第二俯仰角位置过程中，以预定的旋转角度间隔采集标志点M在线阵CCD相机中的成像；

从每一幅采集的图像中获取标志点M的坐标，并计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离；

以像元坐标为变量，构建归一化偏移距离与所述变量之间的畸变模型，根据畸变模型求解线阵CCD相机的离散像元坐标对应的归一化偏移距离和偏移角：

通过对所有采集的标志点M的坐标和对应的归一化偏移距离进行曲线拟合，求得归一化偏移距离与所述变量之间的畸变模型；

所述畸变模型为：

D＝k₀x³+k₁x²+k₂x+k₃，

其中，k₀、k₁、k₂和k₃均为系数，x为所述变量，D为归一化偏移距离；

根据所述畸变模型求得线阵CCD相机的离散像元坐标x_j所对应的归一化偏移距离D_j，所述偏移角θ_j的计算公式为：

θ_j＝arctan D_j，

其中，θ_j＝|γ-φ_j|，γ为线阵CCD相机进行交汇测量时的俯仰角，φ_j为像元坐标x_j所在点和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

2.如权利要求1所述的线阵CCD相机的自标定方法，其特征在于：标志点M在第一俯仰角和第二俯仰角的成像分别靠近视场的两边界，视场的两边界为视场上边界和视场下边界。

3.如权利要求1所述的线阵CCD相机的自标定方法，其特征在于：标志点M的坐标为标志点M的成像的中心坐标。

4.如权利要求3所述的线阵CCD相机的自标定方法，其特征在于，从第i幅采集的图像中获取标志点M的坐标包括：

对图像按照设定的灰度阈值进行阈值分割，将低于阈值的像元的灰度值赋值为0；

求解标志点M的坐标x_i的公式为：

其中，X_p为图像中任一点p的坐标，I_p为点p的灰度值。

5.如权利要求1所述的线阵CCD相机的自标定方法，其特征在于，从第i幅采集的图像中计算标志点M与线阵CCD相机的像面中心点之间的归一化偏移距离D_i的公式为：

D_i＝tan(||γ_i-φ_i|)，

其中，γ_i为线阵CCD相机的俯仰角，φ_i为标志点M和线阵CCD相机光心的连线与基线所成的夹角。

6.如权利要求1所述的线阵CCD相机的自标定方法，其特征在于：线阵CCD相机的像元坐标x_j根据交汇测量系统的标定精度确定。

7.一种基于如权利要求1-6任一项所述的自标定方法的弹丸位置测量方法，其特征在于，所述弹丸位置测量方法包括：

在每一个线阵CCD相机中，求出弹丸在光幕靶坐标系中的A点的像元坐标x_A，根据像元坐标x_A查找对应的偏移角，用找到的偏移角θ_A计算求得弹丸的坐标。