CN109146978B - 一种高速相机成像畸变校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速相机成像畸变校准装置及方法，包括标定板、测距激光雷达、高速相机和成像畸变校准单元；成像畸变校准时，所述标定板处于所述高速相机和所述测距激光雷达的视场内；所述测距激光雷达测量所述标定板上的人工标定点的位置坐标，所述高速相机将拍摄的包括人工标定点的标定板图像；所述成像畸变校准单元以所述测距激光雷达测量的人工标定点的坐标为基准，对高速相机拍摄的标定板图像上人工标定点的坐标进行校准，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；所述成像畸变校准单元根据所述内参数对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。

Description

一种高速相机成像畸变校准装置及方法

技术领域

本发明涉及摄影技术领域，尤其涉及一种高速相机成像畸变校准装置及方法。

背景技术

高速摄影是爆轰物理、冲击波物理、加速器物理和等离子体试验等研究中重要的测试手段，高速相机采用光学成像的方式对试验过程进行实时拍摄跟踪，获得相应的参数。高速相机不仅可以记录高速运动过程，而且可以进行视觉测量，是目前唯一可以同时获取目标图像和高精度轨迹的爆破参数测量设备。目前，广泛应用于研究爆破过程试验的高速相机普遍面临着曝光时间不准确及失帧的问题。在时间上，曝光时间误差、失帧的存在会对爆破过程中碎片的速度、加速度及运行轨迹产生误判，对一次爆破和二次爆破之间的时间估计不准确；在空间上，高速相机所拍摄的图像如果存在畸变，则会导致碎片运动轨迹的误判，从而极大地影响对爆破威力的研究，已给武器性能评价及设计优化带来了困扰，影响了该类武器系统的研制进度。经分析，造成这种误差的主要原因是靶场缺乏对高速相机曝光时间不准、失帧以及目标成像畸变进行精确测量校准的技术手段，使得该类设备长期得不到有效的计量保障。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高速相机成像畸变校准装置及方法，用以解决现有高速相机测量误差大，导致测得的试验参数不准确的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种高速相机成像畸变校准装置，包括标定板、测距激光雷达、高速相机和成像畸变校准单元；

所述标定板为四边形网格状平板；所述网格状平板上设有多个人工标定点，用于对高速相机成像进行校准；

所述测距激光雷达测量所述标定板上的人工标定点的位置坐标，并将坐标信息传送到成像畸变校准单元；

所述高速相机将拍摄的包括人工标定点的标定板图像，并将图像数据传送到成像畸变校准单元；

所述成像畸变校准单元以所述测距激光雷达测量的人工标定点的坐标为基准，对高速相机拍摄的标定板图像上人工标定点的坐标进行校准，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；所述成像畸变校准单元根据所述内参数对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。

进一步地，所述人工标定点均匀分布在标定板上，至少包括设置在标定板的中心点和四个角点上的5个人工标定点；所述网格状平板选用光学吸收较高的材料，所述人工标定点选用高反射率的材料；

所述人工标定点的最小尺寸大于激光雷达的成像分辨率；

所述标定板配置有起支撑作用的标定杆，所述标定杆的高度H＝hL/f，其中h为标定杆在相机视场上的成像长度，f为所述高速相机焦距，L为相机到标定杆的物距；所述标定杆上设置一系列均匀分布的刻度。

进一步地，所述测距激光雷达为皮秒级激光脉冲雷达，包括激光发射器、激光接收器、计时电路和坐标解算单元；

所述激光发射器发射脉宽为皮秒级的激光脉冲到所述标定板，依次照射标定板上的人工标定点；所述标定板为光学吸收较高的材料，吸收激光脉冲，所述人工标定点为高反射率的材料，反射激光脉冲；

所述激光接收器接收所述人工标定点反射的激光脉冲；

所述计时电路测量激光发射脉冲和接收脉冲的时间延时；

所述坐标解算单元根据计时电路输出的时间延时解算人工标定点的位置坐标。

进一步地，所述激光发射脉冲的脉宽为10ps。

进一步地，所述计时电路采用抽头延时线进行时间数字转换，所述抽头延时线共包含128级延时线，通过延迟锁相环控制。

进一步地，所述抽头延时线的最小延时为5ps。

一种高速相机成像畸变校准方法，包括以下步骤：

步骤S1、将高速相机、测距激光雷达和标定板设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；

步骤S2、对所述标定板上的人工标定点D_i逐个进行测量，得到人工标定点D_i的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5；

步骤S3、利用高速相机对标定板进行拍摄，在相机视场测得人工标定点D_i的坐标(x_i，y_i，z_i)i＝1,…,5，通过坐标转换使坐标点(x_wi，y_wi，z_wi)与坐标点(x_i，y_i，z_i)在同一坐标系下；

步骤S4、根据测距激光雷达和相机视场测得人工标定点D_i的坐标，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；

步骤S5、根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)，计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)，实现图像的畸变校准。

进一步地，步骤2包括以下子步骤：

步骤S201、使用测距激光雷达测量任意两个人工标定点距离；

首先控制测距激光雷达照射到人工标定点D₁，测量测距激光雷达到D₁点的距离，记为d₁；

然后转动激光扫描头，使得激光测距仪照射到人工标定点D₂点，扫描过的角度为θ₁₂，测量激光测距雷达到D₂点的距离，记为d₂；

根据余弦定理，D₁点和D₂点之间的距离可以由式

计算得到；

依次步骤，测量得到任意两个标定点的距离为

i,j＝1,…,5且i≠j；所述任一标定点D_i点为坐标为(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5，由于标定板为四边形网格状平板，所有人工标定点在一个平面上，任意两个标定点的距离为平面上的距离，使标定点的Z轴坐标z_wi相等，则，任意两个标定点的距离

i,j＝1,…,5且i≠j；

步骤S202、确标定定板中心的人工标定点的D₁坐标；

所述标定板在设置时，通过位置测量装置对标定板中心的人工标定点D₁坐标进行测量，得到D₁点坐标值(x_w1，y_w1，z_w1)。

步骤S203、确定其他人工标定点的坐标；

解上述距离方程构成的完备方程组

得到D₂,…,D₅点在标定板上的坐标(x_wi，y_wi)，i＝1,…,5，由于步骤S202中确定的D1点的坐标，所有标定点的Z轴坐标z_wi相等，因此，得到D₂,…,D₅,点的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5。

进一步地，步骤4包括以下子步骤：

步骤S401、将测距激光雷达测得的人工标定点D_i坐标(x_wi，y_wi，z_wi)和相机视场测得人工标定点D_i坐标(x_i，y_i，z_i)带入关系式

其中R为3×3正交旋转矩阵，T为三维平移矩阵，是与高速相机姿态相关的外参数，分别表示成：

求解参数

和

的T_x,T_y分量；

步骤S402、求解焦距f，畸变系数k以及平移矩阵T的分量T_z；

取k初始值为0，使用Levenberg-Marquardt算法，得到焦距f，畸变系数k，平移矩阵T的分量T_z的精确解。

进一步地，根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)，依据公式

计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)，实现图像的畸变校准，其中z为高速相机的Z轴坐标。

本发明有益效果如下：

采用高精度的皮秒激光测距技术与相机参数标定算法相结合，确定相机焦距和畸变系数，优化畸变矩阵，形成精确的由相机图像到空间位置的三维还原算法，从而实现相机成像畸变的空间校准。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为高速相机成像畸变校准装置示意图；

图2为高速相机成像畸变校准流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例提供了一种高速相机成像畸变校准装置，如图1所示，包括标定板、测距激光雷达、高速相机和成像畸变校准单元。

所述标定板处于高速相机和测距激光雷达的视场内，为网格状，设有至少5个人工标定点，其中包括标定板的中心D1，标定板的四个角点。可以通过增加标定点的数目，例如，采用田字格的方式增加四个边线中点，来降低标定不确定度与误差，并配置有起支撑作用的标定杆，所述标定杆的高度满足完全填充高速相机视场；所述标定板在设置时，通过位置测量装置对标定板中心的人工标定点D₁坐标进行测量，其中心点的坐标通过两个参数确定，第一个是中心点在标定板上的额定位坐标，由标定板的几何中心确定并由标定板的制作过程保证；另一方面，由标定板的放置位置坐标确定。

高速相机将拍摄的包括人工标定点的标定板图像传送到成像畸变校准单元；

所述测距激光雷达依次测量所述各人工标定点的距离，然后根据各个标定点的位置关系，确定各个标定点的坐标，并将坐标信息传送到成像畸变校准单元；

所述成像畸变校准单元以所述测距激光雷达测量的人工标定点的坐标为基准，对高速相机标定板图像上人工标定点的坐标进行校准，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；所述成像畸变校准单元根据所述内参数对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。

特殊地，所述标定杆的高度H＝hL/f，其中h为标定杆在相机视场上的成像长度，f为相机焦距，L为相机到标定杆的物距，校准时，所述h完全填充相机视场，标定杆在相机CCD上的成像结果为贯穿相机成像芯片的一条线；所述标定杆上设置一系列均匀分布的刻度(直尺形式的刻度)；所述标定板上人工标定点选用高反射率的材料；而对非人工标定点选用光学吸收较高的材料，增加二者之间的对比度，有利于高速相机拍摄到清晰、成像质量高的图像，人工标定点与标定杆上的刻度重合，或者使人工标定点均匀分布起到坐标作用，所述人工标定点的最小尺寸大于激光雷达的成像分辨率。

特殊地，所述测距激光雷达测量的人工标定点的坐标为畸变校准的基准坐标，要求测距激光雷达具有高的测量精度；

在本发明中，从时钟来源，激光脉宽，计时精度三个方面对测距激光雷达入手提高测距激光雷达的精度。

1)采用高精度晶体振荡器作为时钟来源，频率稳定度可达1％量级；

2)采用皮秒级激光脉冲，激光的脉宽为10ps；

3)采用基于CMOS采用抽头延时线的时间数字转换(TDC)电路作为计时电路，并结合异步读出电路实现高的时间分辨率，所述计时电路共包含128级延时线，通过延迟锁相环(Delay—locked Loop，简称DLL)控制，可以实现高达5ps的计时精度。

由以上分析可得，

测距激光雷达测量误差为：(10²+5²)^1/2ps×3×10⁸m/s＝3.35mm。

本发明采用延迟锁相环代替了PLL电路，PLL电路内的振荡器部分，取而代之的是一根延迟量可控制的延迟线。与PLL相比，DLL没有抖动累加、具有更小的锁定时间并且环路滤波器易集成，利用DLL可以使测量过程中的各种不确定量减小到最低，消除计算中的误差。

本发明实施例还提供了一种高速相机成像畸变校准方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1、将高速相机、测距激光雷达和标定板设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；

步骤S2、对所述标定板上的人工标定点D_i逐个进行测量，得到人工标定点D_i的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5；

步骤2包括以下子步骤：

步骤S201、使用测距激光雷达测量任意两个人工标定点距离；

首先控制测距激光雷达照射到人工标定点D₁，测量测距激光雷达到D₁点的距离，记为d₁；

然后转动激光扫描头，使得激光测距雷达照射到人工标定点D₂点，扫描过的角度为θ₁₂，测量激光测距雷达到D₂点的距离，记为d₂；

根据余弦定理，D₁点和D₂点之间的距离可以由式

计算得到；

依次步骤，测量得到任意两个标定点的距离为

i,j＝1,…,5且i≠j；所述任一标定点D_i点为坐标为(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5，由于标定板为四边形网格状平板，所有人工标定点在一个平面上，任意两个标定点的距离为平面上的距离，使标定点的Z轴坐标z_wi相等，则，任意两个标定点的距离

i,j＝1,…,5且i≠j；

步骤S202、确标定定板中心的人工标定点的D₁坐标；

所述标定板在设置时，通过位置测量装置对标定板中心的人工标定点D₁坐标进行测量，得到D₁点坐标值(x_w1，y_w1，z_w1)。

步骤S203、确定其他人工标定点的坐标；

则上述距离方程构成了一个完备方程组，

得到D₂,…,D₅点在标定板上的坐标(x_wi，y_wi)，i＝1,…,5，由于步骤S202中确定的D1点的坐标，所有标定点的Z轴坐标z_wi相等，因此，得到D₂,…,D₅,点的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5。

步骤S3、利用高速相机对标定板进行拍摄，在相机视场测得人工标定点D_i的坐标(x_i，y_i，z_i)，i＝1,…,5，通过坐标转换使坐标点(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,…,5与坐标点(x_i，y_i，z_i)，i＝1,…,5在同一坐标系下；

步骤S4、根据测距激光雷达和相机视场测得人工标定点D_i的坐标，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；

步骤S401、将测距激光雷达测得的人工标定点D_i坐标(x_wi，y_wi，z_wi)和相机视场测得人工标定点D_i坐标(x_i，y_i，z_i)带入关系式

其中R为3×3正交旋转矩阵，T为三维平移矩阵，是与高速相机姿态相关的外参数，分别表示成：

求解参数

和

的T_x,T_y分量；

步骤S402、求解焦距f，畸变系数k以及平移矩阵T的分量T_z；

初始取k初始值为0，使用Levenberg-Marquardt算法，得到焦距f，畸变系数k，平移矩阵T的分量T_z的精确解。

步骤S5、根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)，计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)，实现图像的畸变校准。

具体为：根据公式

其中z为高速相机的Z轴坐标，

上述公式展开并消去z可得

将上式转化为矩阵形式：

令

则p点的实际坐标(x_w，y_w，z_w)为：[x_w y_w z_w]^T＝(A^TA)^-1A^TB，将待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)代入上式计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)。

综上所述，本发明实施例提供了一种高速相机成像畸变校准装置及方法，采用高精度的皮秒激光测距技术与相机参数标定算法相结合，确定相机焦距和畸变系数，优化畸变矩阵，形成精确的由相机图像到空间位置的三维还原算法，从而实现相机成像畸变的空间校准。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速相机成像畸变校准装置，其特征在于，包括标定板、测距激光雷达、高速相机和成像畸变校准单元；

所述标定板为四边形网格状平板；所述网格状平板上设有多个人工标定点，用于对高速相机成像进行校准；

所述测距激光雷达测量所述标定板上的人工标定点的位置坐标，并将坐标信息传送到成像畸变校准单元；

所述高速相机拍摄包括人工标定点的标定板图像，并将图像数据传送到成像畸变校准单元；

所述成像畸变校准单元以所述测距激光雷达测量的人工标定点的坐标为基准，对高速相机拍摄的标定板图像上人工标定点的坐标进行校准，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；所述成像畸变校准单元根据所述内参数对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。

2.根据权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述人工标定点均匀分布在标定板上，至少包括设置在标定板的中心点和四个角点上的5个人工标定点；所述网格状平板选用光学吸收较高的材料，所述人工标定点选用高反射率的材料；

所述人工标定点的最小尺寸大于激光雷达的成像分辨率；

所述标定板配置有起支撑作用的标定杆，所述标定杆的高度H＝hL/f，其中h为标定杆在相机视场上的成像长度，f为所述高速相机焦距，L为相机到标定杆的物距；所述标定杆上设置一系列均匀分布的刻度。

3.根据权利要求2所述的校准装置，其特征在于，

所述测距激光雷达为皮秒级激光脉冲雷达，包括激光发射器、激光接收器、计时电路和坐标解算单元；

所述激光发射器发射脉宽为皮秒级的激光脉冲到所述标定板，依次照射标定板上的人工标定点；所述标定板为光学吸收较高的材料，吸收激光脉冲，所述人工标定点为高反射率的材料，反射激光脉冲；

所述激光接收器接收所述人工标定点反射的激光脉冲；

所述计时电路测量激光发射脉冲和接收脉冲的时间延时；

所述坐标解算单元根据计时电路输出的时间延时解算人工标定点的位置坐标。

4.根据权利要求3所述的校准装置，其特征在于，所述激光发射脉冲的脉宽为10ps。

5.根据权利要求3所述的校准装置，其特征在于，

所述计时电路采用抽头延时线进行时间数字转换，所述抽头延时线共包含128级延时线，通过延迟锁相环控制。

6.根据权利要求5所述的校准装置，其特征在于，所述抽头延时线的最小延时为5ps。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的校准装置进行高速相机成像畸变校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将高速相机、测距激光雷达和标定板设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；

步骤S2、对所述标定板上的人工标定点D_i逐个进行测量，得到人工标定点D_i的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,···,5；

步骤S3、利用高速相机对标定板进行拍摄，在相机视场测得人工标定点D_i的坐标(x_i，y_i，z_i)i＝1,···,5，通过坐标转换使坐标点(x_wi，y_wi，z_wi)与坐标点(x_i，y_i，z_i)在同一坐标系下；

步骤S4、根据测距激光雷达和相机视场测得人工标定点D_i的坐标，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；

步骤S4包括以下子步骤：

步骤S401、将测距激光雷达测得的人工标定点D_i坐标(x_wi，y_wi，z_wi)和相机视场测得人工标定点D_i坐标(x_i，y_i，z_i)带入关系式

其中R为3×3正交旋转矩阵，T为三维平移矩阵，是与高速相机姿态相关的外参数，分别表示成：

求解参数

和

的T_x,T_y分量；

步骤S402、求解焦距f，畸变系数k以及平移矩阵T的分量T_z；

取k初始值为0，使用Levenberg-Marquardt算法，得到焦距f，畸变系数k，平移矩阵T的分量T_z的精确解；步骤S5、根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)，计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)，实现图像的畸变校准。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：

步骤S201、使用测距激光雷达测量任意两个人工标定点距离；

首先控制测距激光雷达照射到人工标定点D₁，测量测距激光雷达到D₁点的距离，记为d₁；

然后转动激光扫描头，使得激光测距仪照射到人工标定点D₂点，扫描过的角度为θ₁₂，测量激光测距雷达到D₂点的距离，记为d₂；

根据余弦定理，D₁点和D₂点之间的距离可以由式

计算得到；

依次步骤，测量得到任意两个标定点的距离为

且i≠j；任一所述标定点D_i点为坐标为(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,···,5，由于标定板为四边形网格状平板，所有人工标定点在一个平面上，任意两个标定点的距离为平面上的距离，使标定点的Z轴坐标z_wi相等，则，任意两个标定点的距离

且i≠j；

步骤S202、确标定定板中心的人工标定点的D₁坐标；

所述标定板在设置时，通过位置测量装置对标定板中心的人工标定点D₁坐标进行测量，得到D₁点坐标值(x_w1，y_w1，z_w1)；

步骤S203、确定其他人工标定点的坐标；

解上述距离方程构成的完备方程组，

得到D₂,…,D₅点在标定板上的坐标(x_wi，y_wi)，i＝1,···,5，由于步骤S202中确定的D1点的坐标，所有标定点的Z轴坐标z_wi相等，因此，得到D₂,…,D₅,点的坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，i＝1,···,5。

9.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(x_w，y_w，z_w)，依据公式

计算得到理想像点p的坐标(X_b，Y_b)，实现图像的畸变校准，其中z为高速相机的Z轴坐标。

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