CN111220120A - 一种动平台双目测距自校准方法及装置 - Google Patents

一种动平台双目测距自校准方法及装置 Download PDF

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CN111220120A CN201911216271.XA CN201911216271A CN111220120A CN 111220120 A CN111220120 A CN 111220120A CN 201911216271 A CN201911216271 A CN 201911216271A CN 111220120 A CN111220120 A CN 111220120A
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Abstract

本发明提供了一种动平台双目测距自校准方法及装置。所述方法包括：获取两个图像采集设备采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及两个图像采集设备的位姿信息；根据两个坐标和两个位姿信息建立的透射投影方程组，确定待测目标的目标位置；建立最小化重投影误差的目标函数；优化两个图像采集设备的位姿信息和目标位置逐步减小目标函数；当最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出姿态角补偿值以及校准后的目标位置；在采集到待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据姿态角补偿值和校准后的目标位置，计算两个图像采集设备在下一采集时刻的初值；重复执行上述步骤，直至完成待测目标的测距。本发明可以提高测距系统的测量精度。

Description

一种动平台双目测距自校准方法及装置
技术领域
本发明涉及视觉三角测量校准技术领域，特别是一种动平台双目测距自校准方法及装置。
背景技术
针对实时性要求较高、待测目标距离较远且可能为动目标的应用场景，传统的固定平台双目测距方法已经不再适用。
动平台双目测距方法由于安装有导航设备可以实时获取两个相机自身的位姿从而获得相机的内外参数，所以不再需要像固定平台双目测距系统那样通过标定的方法获取相机的内外参数(测量过程中两个相机的相对位姿不能改变)，可以在测量过程中时刻改变两个相机的相对位姿，这样就可以适用于针对实时性要求较高、待测目标距离较远且可能为动目标的应用场景。
然而，将两个单目相机分别和导航设备(卫导和惯组)固连，在测量过程中，系统必然会引入安装误差、导航设备的测量误差等一系列系统误差使得惯组输出的姿态和实际姿态存在着一定的误差从而影响测距精度。一般情况下，为了补偿安装误差，会在专用的转台上进行标定，但是过程繁琐，且无法准确标出其他的系统误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中为了补偿安装误差，会在专用的转台上进行标定，但是过程繁琐，且无法准确标出其他的系统误差的不足，提供了一种动平台双目测距自校准方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种动平台双目测距自校准方法，包括：
获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
重复执行所述根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置，至所述根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值的步骤，直至完成所述待测目标的测距。
优选地，所述根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置的步骤，包括：
根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息，建立所述透射投影方程组；
将两个所述位姿信息转换至世界坐标系下；
根据所述透射投影方程组，获取所述待测目标在所述世界坐标系下的目标位置。
优选地，所述将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数的步骤，包括：
将所述目标位置分别通过两个所述图像采集设备的透射投影方程，重新投影至二维图像平面，得到两个所述图像采集设备分别对应的目标坐标；
通过检测算法得到两个所述目标坐标间的重投影误差；
采用待优化变量建立最小化重投影误差的所述目标函数。
优选地，所述当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置的步骤，包括：
当所述目标函数的重投影误差小于预设的误差阈值时，停止迭代，得到优化后的两个所述图像采集设备的姿态角、多次迭代累积的姿态角补偿值、及所述校准后的目标位置。
优选地，所述完成所述待测目标的测距的步骤，包括：
在所述待测目标为静止目标，且在某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或接收到发送停止测距指令时，完成测距；
在所述待测目标为动态目标，且所述待测目标离开视场或接收到发送停止测距指令时，完成测距。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种动平台双目测距自校准装置，包括：
坐标位姿获取模块，用于获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
目标位置确定模块，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
目标函数建立模块，用于将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
目标函数优化模块，用于利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
补偿值位置输出模块，用于当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
初值计算模块，用于在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
测距完成模块，用于重复执行所述目标位置确定模块，至所述初值计算模块，直至完成所述待测目标的测距。
优选地，所述目标位置确定模块包括：
投影方程组建立子模块，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息，建立所述透射投影方程组；
位姿信息转换子模块，用于将两个所述位姿信息转换至世界坐标系下；
目标位置获取子模块，用于根据所述透射投影方程组，获取所述待测目标在所述世界坐标系下的目标位置。
优选地，所述目标函数建立模块包括：
目标坐标获取子模块，用于将所述目标位置分别通过两个所述图像采集设备的透射投影方程，重新投影至二维图像平面，得到两个所述图像采集设备分别对应的目标坐标；
投影误差获取子模块，用于通过检测算法得到两个所述目标坐标间的重投影误差；
目标函数建立子模块，用于采用待优化变量建立最小化重投影误差的所述目标函数。
优选地，所述补偿值位置输出模块包括：
姿态补偿值位置获取子模块，用于当所述目标函数的重投影误差小于预设的误差阈值时，停止迭代，得到优化后的两个所述图像采集设备的姿态角、多次迭代累积的姿态角补偿值、及所述校准后的目标位置。
优选地，所述测距完成模块包括：
第一测距完成子模块，用于在所述待测目标为静止目标，且在某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或接收到发送停止测距指令时，完成测距；
第二测距完成子模块，用于在所述待测目标为动态目标，且所述待测目标离开视场或接收到发送停止测距指令时，完成测距。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法可以不需要进行繁琐的系统误差标定，实现了动平台双目测距系统的自校准，实时有效抑制了系统误差，方便工程实现，有利于提高动平台双目测距系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种动平台双目测距自校准方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的相机成像模型的示意图；
图3为本发明实施例提供的重投影误差的示意图；
图4为本发明实施例提供的动平台测距自校准算法的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种动平台双目测距自校准装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的实施例保护的范围。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种动平台双目测距自校准方法的步骤流程图，如图1所示，该动平台双目测距自校准方法具体可以包括如下步骤：
步骤101：获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
步骤102：根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
步骤103：将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
步骤104：利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
步骤105：当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
步骤106：在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
步骤107：重复执行步骤101，至步骤102，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值的步骤，直至完成所述待测目标的测距。
在本发明实施例中，图像采集设备可以相机为例进行说明，当然不仅限于此，图像采集设备还可以为其它设备，具体地可以根据业务需求而定，本发明实施例对此不加以限制。
首先将两个具有相同内参的单目相机分开放置，为了保证测量精度，两相机之间放置距离尽可能远一些。分别将单目相机和导航设备(卫导和惯组)通过工装固连，惯组的滚转轴和相机的光轴平行。通过分别调整两个相机的位置和姿态使得两个相机从不同角度同时获取目标的图像信息，并记录下此时惯组和卫导输出的相机的姿态和位置信息。
选取地心地固坐标系作为世界坐标系。将采集得到的两个相机的位姿信息统一转换到世界坐标系下。假设导航设备采集得到的两个相机位置参数为
Figure BDA0002299605470000061
姿态参数为ξi(ψi,θi,γi)(i＝1,2)，其中λi表示经度，
Figure BDA0002299605470000062
表示纬度，hi表示高度，ψi表示方位角，θi表示俯仰角，γi表示滚转角。那么其世界坐标系下坐标ti(Xi,Yi,Zi)可以通过下述公式(1)计算得到：
Figure BDA0002299605470000071
上述公式(1)中，Re为地球半径，Rf为地球扁率。
然后根据小孔成像模型，如图2所示，建立以下两个相机关于目标的投射投影方程。
Figure BDA0002299605470000072
上述公式(2)中，Ri为旋转矩阵，只与相机的外参(位姿)有关：
Figure BDA0002299605470000073
Figure BDA0002299605470000074
上述公式(3)和(4)中，
Figure BDA0002299605470000075
为尺度因子，f为相机的焦距，dx、dy为像元尺寸，u0、v0为相机光心的像素坐标，Mi为3×4的透视投影矩阵，P(x,y,z)为待测目标在地心地固坐标系下的三维坐标。
联立两个相机的投射投影方程，得到透射投影方程组，如下述公式(5)所示：
Figure BDA0002299605470000081
通过最小二乘算法可以求得超定方程组唯一解，如下述公式(6)所示：
其中，
Figure BDA0002299605470000082
P为待测目标在地心地固坐标系下的坐标。
由于系统误差的存在，将解算得到的目标位置分别通过两个相机的透射投影方程重新投影回二维图像平面得到的坐标和从图像上直接通过检测算法得到的目标坐标不可能严格重合，它们间的欧式距离即表示重投影误差，如附图3所示。
以解算得到的目标位置以及采集得到的相机位姿为初值，建立最小化重投影误差的目标函数，如下述公式(7)所示：
Figure BDA0002299605470000083
其中，zij＝[uij,vij]T表示第j个目标在第i个相机图像上的坐标，ξi(ψi,θi,γi)表示第i个相机的姿态，Pj(xj,yj,zj)表示第j个目标的位置，h(·)表示重投影过程。
采用列文伯格-马夸尔特算法来解决上式中的非线性最小二乘问题，定义自变量为所有待优化的变量，即x＝[ξ1,ξ2,P1,...,Pn]T，那么上式进一步变为：
Figure BDA0002299605470000084
以导航设备输出的相机姿态和解算出来的目标位置为初值，不断寻找下降方向δx来找到上式的最优解。
通过求解增量正规方程(JTJ+ωI)δxk＝JTe得到增量δxk，其中ω为拉格朗日乘子，J为雅克比矩阵，是目标函数对x＝[ξ1,ξ2,P1,...,Pn]T的导数矩阵。
通过下式更新待优化变量x：x＝x+δxk
具体的非线性优化过程通过Lourakis MIA.Lourakis等人发表在Foundation ofResearch&Technoloy，2005上的公开出版物“A Brief Description of the Levenberg-Marquardt Algorithm Implemented by levmar”中提出的算法进行，此处不再赘述。
当目标函数误差小于预设的误差阈值，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置。其中，假设迭代进行了n次，那么累积姿态角补偿值为：
Figure BDA0002299605470000091
假设t时刻得到的相机i的累积姿态角补偿值为
Figure BDA0002299605470000092
那么t+1时刻自校准算法的初值是由导航设备输出相机i的姿态角上补偿上t时刻解算得到的
Figure BDA0002299605470000093
得到的，如附图4所示。即：
Figure BDA0002299605470000094
对于静止目标测距，当某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或者人为发送停止测距指令，则完成测距，即可停止自校准；对于动态目标测距，当目标运动离开视场或者人为发送停止测距指令，则完成测距，即可停止自校准。
本发明实施例提供的动平台双目测距自校准方法，可以不需要进行繁琐的系统误差标定，实现了动平台双目测距系统的自校准，实时有效抑制了系统误差，方便工程实现，有利于提高动平台双目测距系统的测量精度。
实施例二
参照图5，示出了本发明实施例提供的一种动平台双目测距自校准装置的结构示意图，如图5所示，该动平台双目测距自校准装置具体可以包括如下模块：
坐标位姿获取模块501，用于获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
目标位置确定模块502，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
目标函数建立模块503，用于将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
目标函数优化模块504，用于利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
补偿值位置输出模块505，用于当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
初值计算模块506，用于在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
测距完成模块507，用于重复执行所述目标位置确定模块502，至所述初值计算模块506，直至完成所述待测目标的测距。
优选地，所述目标位置确定模块502包括：
投影方程组建立子模块，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息，建立所述透射投影方程组；
位姿信息转换子模块，用于将两个所述位姿信息转换至世界坐标系下；
目标位置获取子模块，用于根据所述透射投影方程组，获取所述待测目标在所述世界坐标系下的目标位置。
优选地，所述目标函数建立模块503包括：
目标坐标获取子模块，用于将所述目标位置分别通过两个所述图像采集设备的透射投影方程，重新投影至二维图像平面，得到两个所述图像采集设备分别对应的目标坐标；
投影误差获取子模块，用于通过检测算法得到两个所述目标坐标间的重投影误差；
目标函数建立子模块，用于采用待优化变量建立最小化重投影误差的所述目标函数。
优选地，所述补偿值位置输出模块505包括：
姿态补偿值位置获取子模块，用于当所述目标函数的重投影误差小于预设的误差阈值时，停止迭代，得到优化后的两个所述图像采集设备的姿态角、多次迭代累积的姿态角补偿值、及所述校准后的目标位置。
优选地，所述测距完成模块507包括：
第一测距完成子模块，用于在所述待测目标为静止目标，且在某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或接收到发送停止测距指令时，完成测距；
第二测距完成子模块，用于在所述待测目标为动态目标，且所述待测目标离开视场或接收到发送停止测距指令时，完成测距。
本发明实施例提供的动平台双目测距自校准装置，可以不需要进行繁琐的系统误差标定，实现了动平台双目测距系统的自校准，实时有效抑制了系统误差，方便工程实现，有利于提高动平台双目测距系统的测量精度。
以上所述仅为本发明的实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的实施例，凡在本发明的实施例的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动平台双目测距自校准方法，其特征在于，包括：
获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
重复执行所述根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置，至所述根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值的步骤，直至完成所述待测目标的测距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置的步骤，包括：
根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息，建立所述透射投影方程组；
将两个所述位姿信息转换至世界坐标系下；
根据所述透射投影方程组，获取所述待测目标在所述世界坐标系下的目标位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数的步骤，包括：
将所述目标位置分别通过两个所述图像采集设备的透射投影方程，重新投影至二维图像平面，得到两个所述图像采集设备分别对应的目标坐标；
通过检测算法得到两个所述目标坐标间的重投影误差；
采用待优化变量建立最小化重投影误差的所述目标函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置的步骤，包括：
当所述目标函数的重投影误差小于预设的误差阈值时，停止迭代，得到优化后的两个所述图像采集设备的姿态角、多次迭代累积的姿态角补偿值、及所述校准后的目标位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述完成所述待测目标的测距的步骤，包括：
在所述待测目标为静止目标，且在某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或接收到发送停止测距指令时，完成测距；
在所述待测目标为动态目标，且所述待测目标离开视场或接收到发送停止测距指令时，完成测距。
6.一种动平台双目测距自校准装置，其特征在于，包括：
坐标位姿获取模块，用于获取两个图像采集设备在采集时刻采集的待测目标对应的目标图像中的坐标，及采集目标图像时，两个所述图像采集设备的位姿信息；
目标位置确定模块，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息建立的透射投影方程组，确定所述待测目标的目标位置；
目标函数建立模块，用于将所述目标位置和两个所述位姿信息作为初值，建立最小化重投影误差的目标函数；
目标函数优化模块，用于利用捆集调整算法优化两个所述图像采集设备的位姿信息和所述目标位置逐步减小目标函数；
补偿值位置输出模块，用于当所述最小化重投影误差小于预设的误差阈值时，则停止迭代，输出累积的姿态角补偿值以及校准后的目标位置；
初值计算模块，用于在采集到所述待侧目标在下一采集时刻的下一目标图像时，根据所述姿态角补偿值和所述校准后的目标位置，计算两个所述图像采集设备在所述下一采集时刻的初值；
测距完成模块，用于重复执行所述目标位置确定模块，至所述初值计算模块，直至完成所述待测目标的测距。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述目标位置确定模块包括：
投影方程组建立子模块，用于根据采集到的两个所述坐标和两个所述位姿信息，建立所述透射投影方程组；
位姿信息转换子模块，用于将两个所述位姿信息转换至世界坐标系下；
目标位置获取子模块，用于根据所述透射投影方程组，获取所述待测目标在所述世界坐标系下的目标位置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述目标函数建立模块包括：
目标坐标获取子模块，用于将所述目标位置分别通过两个所述图像采集设备的透射投影方程，重新投影至二维图像平面，得到两个所述图像采集设备分别对应的目标坐标；
投影误差获取子模块，用于通过检测算法得到两个所述目标坐标间的重投影误差；
目标函数建立子模块，用于采用待优化变量建立最小化重投影误差的所述目标函数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述补偿值位置输出模块包括：
姿态补偿值位置获取子模块，用于当所述目标函数的重投影误差小于预设的误差阈值时，停止迭代，得到优化后的两个所述图像采集设备的姿态角、多次迭代累积的姿态角补偿值、及所述校准后的目标位置。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测距完成模块包括：
第一测距完成子模块，用于在所述待测目标为静止目标，且在某时刻该校准算法的非线性优化过程迭代次数小于预设的次数阈值或接收到发送停止测距指令时，完成测距；
第二测距完成子模块，用于在所述待测目标为动态目标，且所述待测目标离开视场或接收到发送停止测距指令时，完成测距。
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