CN111754584A - 一种远距离大视场相机参数标定系统和方法 - Google Patents

一种远距离大视场相机参数标定系统和方法 Download PDF

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CN111754584A CN202010494104.8A CN202010494104A CN111754584A CN 111754584 A CN111754584 A CN 111754584A CN 202010494104 A CN202010494104 A CN 202010494104A CN 111754584 A CN111754584 A CN 111754584A
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邹宇
杨永波
赵芳
孙敏
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    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures

Abstract

本发明公开了一种远距离大视场相机参数标定系统，包括测量站，测量站包括左相机测量站和右相机测量站，左相机测量站和右相机测量站均相机、外置双轴倾角传感器、二维姿态调节件、激光测距仪、传感器连接件、俯仰调节件、水平转台、基座连接器和三脚架，本发明还公开了一种远距离大视场相机参数标定方法。本发明既不用制作高精密的标定板，又可以避免常规融合IMU信息的双相机测量站标定受磁场干扰的影响，继而实现低成本、高精度且快速获取双相机测量站各个相机的内部参数和外部参数。

Description

一种远距离大视场相机参数标定系统和方法
技术领域
本发明属于图像测距技术领域，具体涉及一种远距离大视场相机参数标定系统，还涉及一种远距离大视场相机参数标定方法。
背景技术
近年来，随着计算机科学和相机工业技术的飞速发展，双目立体视觉测量技术已被广泛运用于航空测绘、机械制造、工业无损检测、生物、土木工程等领域。双目立体视觉测量技术是一种基于视差重建原理并利用双站上的相机从不同角度拍摄变形前后被测物的图像，通过数字图像相关方法获取被测物在三维空间中的几何信息的方法。它能够对平面和曲面物体进行三维形貌及变形测量，具有无损、精度高、非接触、系统构建简单、成本低等优点。
为了完成三维形貌及变形测量，首先需要对相机参数进行标定，标定结果的精准性直接影响最终测量输出结果的准确性。因此，相机标定在双目立体视觉测量中处于非常关键的地位。相机参数的标定其实就是确定相机的内部参数和外部参数的过程，其中内部参数包括主点坐标、等效焦距、镜头二阶径向畸变系数、比例系数等。而相机外部参数包括相机之间的空间姿态信息，也就是平移向量和旋转向量。
现有标定方法分为两种：传统标定方法和自标定方法和融合IMU的标定方法。传统标定方法借助高精密的棋盘格标定平板可以达到很高标定精度，但是该方法成本高、标定过程不灵活，只适用于在室内米级以下的小视场条件下的视场标定；自标定方法灵活高，不需要使用标定物，但标定精度较低，仅适用于精度要求不高、100m以下视场条件下的视场标定；而融合IMU的标定方法，由于IMU易受周围电磁场影响，导致偏航角测角精度低，标定结果不理想，同时，相机与IMU 的坐标系变换的标定工作量大，费时费力。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种远距离大视场相机参数标定系统，还提供一种远距离大视场相机参数标定方法，解决了传统标定方法标定不灵活，仅适用于室内小视场的缺陷，还解决了自标定方法无法实现100m～500m视场条件下高精度标定的缺陷。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种远距离大视场相机参数标定系统，包括测量站，测量站包括左相机测量站和右相机测量站，
左相机测量站包括左站相机、左站外置双轴倾角传感器、左站二维姿态调节件、左站激光测距仪、左站传感器连接件、左站俯仰调节件、左站水平转台、左站基座连接器和左站三脚架，
左站基座连接器设置在左站三脚架上，左站水平转台的固定部与左站基座连接器连接，左站水平转台的水平转动部上设置左站俯仰调节件的固定部，左站俯仰调节件的俯仰调节部上设置左站相机和左站外置双轴倾角传感器，左站俯仰调节件的俯仰调节部上还设置有左站传感器连接件，左站二维姿态调节件的固定部与左站传感器连接件连接，左站二维姿态调节件的二维调节部与左站激光测距仪连接；
右相机测量站包括右站相机、右站外置双轴倾角传感器、右站二维姿态调节件、右站激光测距仪、右站传感器连接件、右站俯仰调节件、右站水平转台、右站基座连接器和右站三脚架，
右站基座连接器设置在右站三脚架上，右站水平转台的固定部与右站基座连接器连接，右站水平转台的水平转动部上设置右站俯仰调节件的固定部，右站俯仰调节件的俯仰调节部上设置右站相机和右站外置双轴倾角传感器，右站俯仰调节件的俯仰调节部上还设置有右站传感器连接件，右站二维姿态调节件的固定部与右站传感器连接件连接，右站二维姿态调节件的二维调节部与右站激光测距仪连接。
一种远距离大视场相机参数标定方法，包括以下步骤：
步骤1：利用张正友标定法分别获取左站相机的第一内部参数K1和右站相机的第二内部参数K2，
步骤2：将左站相机和右站相机相隔一定距离且等高度架设；
步骤3：通过左站外置双轴倾角传感器获得第一俯仰角和第一横滚角，通过右站外置双轴倾角传感器获得第二俯仰角和第二横滚角；
通过左站水平转台的内置双轴倾角传感器获得左站相机的第一偏航角，通过右站水平转台的内置双轴倾角传感器获得右站相机的第二偏航角；
步骤4：调整左站水平转台和右站水平转台处于水平状态；
步骤5：旋转左站水平转台和右站水平转台，使左站相机和右站相机保持严格对视；
步骤6：左站相机和右站相机对准被测物，记录此时的第一偏航角γ1、第一俯仰角α1、第一横滚角β1、第二偏航角γ2、第二俯仰角α2和第二横滚角β2；
步骤7：确定左站相机和右站相机的空间旋转矩阵R；
步骤8：将带有一个特征点的标定靶在左站相机和右站相机的公共视场空间自由移动，通过左站相机和右站相机获得N对左站标定靶图像和右站标定靶图像；
步骤9：左站标定靶图像和右站标定靶图像的特征点像素坐标分别表示为
Figure BDA0002522125870000031
和
Figure BDA0002522125870000032
i表示对数的序号，i∈{1～N}；
步骤10：分别求取左站标定靶图像和右站标定靶图像中的特征点像点的质心，进而求取左站相机图像的归一化变换矩阵D和右站相机图像归一化变换矩阵 D′；根据左站相机图像的归一化变换矩阵D可得到左站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA0002522125870000033
和右站站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA0002522125870000034
步骤11：求解匹配原始数据
Figure BDA0002522125870000035
的基础矩阵F；
步骤12：计算本质矩阵E；
步骤13：对步骤12获取的本质矩阵E进行奇异值分解为步骤7获得的空间旋转矩阵R和平移向量T′，进而获得平移向量T′＝(TX,TY,TZ)T；
步骤14：计算比例因子s＝L，其中L为基线长度，计算平移向量t＝LT′。
如上所述的步骤7中空间旋转矩阵R通过以下公式获得：
Figure BDA0002522125870000036
Figure BDA0002522125870000037
Figure BDA0002522125870000041
Figure BDA0002522125870000042
如上所述的步骤11包括以下步骤：
记
Figure BDA0002522125870000043
为匹配
Figure BDA0002522125870000044
的基础矩阵，
Figure BDA0002522125870000045
记
Figure BDA0002522125870000046
记
Figure BDA0002522125870000047
基础矩阵
Figure BDA0002522125870000048
满足秩为2的约束，
Figure BDA0002522125870000049
其中，‖·‖2和‖·‖F分别表示向量的L2的范数和基础矩阵
Figure BDA00025221258700000410
的范数，
利用奇异值分解方法求得f的最小二乘解；
基础矩阵
Figure BDA00025221258700000411
为矩阵A的最小奇异值对应的奇异矢量；
对基础矩阵
Figure BDA00025221258700000412
进行奇异值分解，得到
Figure BDA00025221258700000413
其中对角矩阵∧＝ diag(λ1,λ2,λ3),λ1,λ2和λ3为
Figure BDA00025221258700000414
的奇异值，且λ1≥λ2≥λ3，U和V是正交矩阵；
令
Figure BDA00025221258700000415
即可得到使
Figure BDA00025221258700000416
的Frobenius 范数最小的
Figure BDA00025221258700000417
计算基础矩阵
Figure BDA00025221258700000418
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明可适用于野外复杂环境下的远距离下100m～500m视场的标定，它具有精度高、灵活性好、易操作等优点。
2、既不用制作高精密的标定板，又可以避免常规融合IMU信息的双相机测量站标定受磁场干扰的影响，继而实现低成本、高精度且快速获取双相机测量站各个相机的内部参数和外部参数。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为机坐标系空间转换示意图；
图3为带有特征点的标定物；
图4为本发明的总体结构示意图。
图中：
1a-左站相机；1b-右站相机；
2a-左站外置双轴倾角传感器；2b-右站外置双轴倾角传感器，用以测量相机的俯仰角(精度优于1.5″)和横滚角(精度优于1.5″)；
3a-左站二维姿态调节件；3b-右站二维姿态调节件，用以调节测距模块的姿态，便于对准被测物；
4a-左站激光测距仪；4b-右站激光测距仪，测距模块是基于二次混频相移测量原理实现高精度测距，测距精度优于50mm@500m，用于测量双站相机间的基线长度；
5a-左站传感器连接件；5b-右站传感器连接件，用于固连相机、二维姿态调节件和俯仰调节件；
6a-左站俯仰调节件；6b-右站俯仰调节件，用以调节相机的俯仰角，以使相机视窗对准被测物；
7a-左站水平转台；7b-右站水平转台，水平转台是基于小直径光栅盘测角原理实现偏航角测量，测角精度优于1.5″；水平转台内置双轴倾角传感器，用于显示水平转台是否处于水平状态；
8a-左站基座连接器；8b-右站基座连接器，连接固定水平转台与三脚架，可以通过基座连接器的脚螺旋使水平转台处于水平转台；
9a-左站三脚架；9b-左站三脚架。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种远距离大视场相机参数标定系统，包括左相机测量站和右相机测量站，
左相机测量站包括左站相机1a、左站外置双轴倾角传感器2a、左站二维姿态调节件3a、左站激光测距仪4a、左站传感器连接件5a、左站俯仰调节件6a、左站水平转台7a、左站基座连接器8a和左站三脚架9a，
左站基座连接器8a设置在左站三脚架9a上，左站水平转台7a的固定部与左站基座连接器8a连接，左站水平转台7a的水平转动部上设置左站俯仰调节件 6a的固定部，左站俯仰调节件6a的俯仰调节部上设置左站相机1a和左站外置双轴倾角传感器2a，左站俯仰调节件6a的俯仰调节部上还设置有左站传感器连接件5a，左站二维姿态调节件3a的固定部与左站传感器连接件5a连接，左站二维姿态调节件3a的二维调节部与左站激光测距仪4a连接。
左站外置双轴倾角传感器2a，采用测角精度精度优于1.5″的高精度倾角传感器，用于实时测量左站相机1a的俯仰角和横滚角，同也可以用于辅助左站相机1a调水平。
左站二维姿态调节件3a，用于调节左站激光测距仪4a的姿态，便于左站激光测距仪4a对准被测物。
激光测距仪4a，采用二次混频相移测量原理实现高精度测距，测距精度优于50mm@500m，用于测量左站相机1a和右站相机1b间的基线长度。
左站传感器连接件5a，用于将左站二维姿态调节件3a与左站俯仰调节件6a 的俯仰调节部。
左站俯仰调节件6a，用以调节左站相机1a的俯仰角，以使左站相机1a视窗对准被测物。
左站水平转台7a，采用小直径光栅盘测角原理实现偏航角测量，测角精度优于1.5″；所述左站水平转台7a内置双轴倾角传感器，用于显示左站水平转台7a的水平转动部是否处于水平状态。
左站基座连接器8a，用于固连左站水平转台7a和左站三脚架9a，同也用于辅助调整所述左站水平转台7a和左站相机1a的水平状态。
左站三脚架9a，用于支撑上部结构。
相机测量站，右相机测量站和左相机测量站独立且结构配置完全相同。
右相机测量站包括右站相机1b、右站外置双轴倾角传感器2b、右站二维姿态调节件3b、右站激光测距仪4b、右站传感器连接件5b、右站俯仰调节件6b、右站水平转台7b、右站基座连接器8b和右站三脚架9b，
右站基座连接器8b设置在右站三脚架9b上，右站水平转台7b的固定部与右站基座连接器8b连接，右站水平转台7b的水平转动部上设置右站俯仰调节件 6b的固定部，右站俯仰调节件6b的俯仰调节部上设置右站相机1b和右站外置双轴倾角传感器2b，右站俯仰调节件6b的俯仰调节部上还设置有右站传感器连接件5b，右站二维姿态调节件3b的固定部与右站传感器连接件5b连接，右站二维姿态调节件3b的二维调节部与右站激光测距仪4b连接。
右站相机1b、右站外置双轴倾角传感器2b、右站二维姿态调节件3b、右站激光测距仪4b、右站传感器连接件5b、右站俯仰调节件6b、右站水平转台7b、右站基座连接器8b和右站三脚架9b的配置和功能分别均与左站相机1a、左站外置双轴倾角传感器2a、左站二维姿态调节件3a、左站激光测距仪4a、左站传感器连接件5a、左站俯仰调节件6a、左站水平转台7a、左站基座连接器8a和左站三脚架9a一致，再次不在赘述。
一种远距离大视场相机参数标定方法，包括：
步骤1：相机内参标定，利用张正友标定法分别获取左站相机1a的第一内部参数K1和右站相机1b的第二内部参数K2，
左站相机1a的第一内部参数K1包括第一主点坐标
Figure BDA0002522125870000071
第一等效焦距、第一镜头二阶径向畸变系数
Figure BDA0002522125870000072
和
Figure BDA0002522125870000073
以及第一比例系数；
右站相机1b的第二内部参数K2包括第二主点坐标
Figure BDA0002522125870000074
第二等效焦距、第二镜头二阶径向畸变系数
Figure BDA0002522125870000075
和
Figure BDA0002522125870000076
以及第二比例系数；
第一等效焦距包括左站相机1a的图像坐标系x方向上的等效焦距
Figure BDA0002522125870000077
和y方向上的等效焦距
Figure BDA0002522125870000078
第二等效焦距包括右站相机1b的图像坐标系x方向上的等效焦距
Figure BDA0002522125870000079
和y方向上的等效焦距
Figure BDA00025221258700000710
其中上标l表示左站，上标r表示左站。
步骤2：将左站相机1a和右站相机1b相隔一定距离且等高度架设。
步骤3：通过左站相机1a获得第一图像数据，通过右站相机1b获得第二图像数据；
通过左站外置双轴倾角传感器2a获得第一俯仰角和第一横滚角，通过右站外置双轴倾角传感器2b获得第二俯仰角和第二横滚角；
通过左站水平转台7a的内置双轴倾角传感器获得左站相机1a的第一偏航角，通过右站水平转台7b的内置双轴倾角传感器获得右站相机1b的第二偏航角；
步骤4：分别调节左站基座连接器8a和右站基座连接器8b的脚螺旋，直至左站水平转台7a和右站水平转台7b的内置双轴倾角传感器分别显示左站水平转台7a和右站水平转台7b均处于水平状态。
步骤5：旋转左站水平转台7a和右站水平转台7b，使左站相机1a和右站相机1b保持严格对视，严格对视的判别以在左站相机1a和右站相机1b的画面中心分别与提前预设的标记完全重合为准。
步骤6：在完成左站相机1a和右站相机1b严格对视后，分别旋转左站水平转台7a和右站水平转台7b，分别旋转左站俯仰调节件6a和右站俯仰调节件6b，使得左站相机1a和右站相机1b对准被测物，记录此时的第一偏航角γ1、第一俯仰角α1、第一横滚角β1、第二偏航角γ2、第二俯仰角α2和第二横滚角β2。
步骤7：确定左站相机1a和右站相机1b的空间旋转矩阵R。利用获取的第一偏航角γ1、第一俯仰角α1、第一横滚角β1、第二偏航角γ2、第二俯仰角α2和第二横滚角β2来计算左站相机1a和右站相机1b的空间旋转矩阵R(如图2)，其按下式计算：
Figure BDA0002522125870000081
其中,Rz(γ)，Ry(β)和Rx(α)是γ,β,α对应的空间旋转矩阵，它们可以被表达为：
Figure BDA0002522125870000082
Figure BDA0002522125870000091
Figure BDA0002522125870000092
步骤8：将带有一个特征点的标定靶(如图3)在左站相机1a和右站相机 1b的公共视场空间自由移动，直至左站相机1a和右站相机1b分别采集1000对均匀分布于整个视场中的左站标定靶图像和右站标定靶图像，左站相机1a和右站相机1b对同一位置的标定靶拍摄获得图像为一对左站标定靶图像和右站标定靶图像。
步骤9：为了防止标定靶加工误差的引入而产生标定误差，本发明利用角点检测法和亚像素定位法来计算步骤8中1000对左站标定靶图像和右站标定靶图像的特征点像素坐标，并将1000对左站标定靶图像和右站标定靶图像的特征点像素坐标分别表示为
Figure BDA0002522125870000093
和
Figure BDA0002522125870000094
其中
Figure BDA0002522125870000095
是左站相机1a采集的第i 幅左站标定靶图像的特征点第一齐次坐标；
Figure BDA0002522125870000096
是右站相机1b 采集的第i幅右站标定靶图像的特征点第二齐次坐标；i表示对数的序号，i∈ {1～N},在本实施例中N为1000。
步骤10：归一化变换特征点的像素坐标。为了提高计算结果的稳定性和精度，需要对所有特征点的像素坐标进行均匀缩放归一化变换处理，即归一化变换处理后使得图像坐标原点位于特征点像点集的质心，特征点像点分布在以质心为圆心，以
Figure BDA0002522125870000097
为半径的圆内。令
Figure BDA0002522125870000098
为所有左站标定靶图像中的特征点像点的质心，即
Figure BDA0002522125870000099
Figure BDA00025221258700000910
其中，N为左站标定靶图像和右站标定靶图像的总对数，本实施例中为1000。
令：
Figure BDA0002522125870000101
则左站相机图像的归一化变换矩阵D为：
Figure BDA0002522125870000102
同样地，可以得到右站相机图像归一化变换矩阵D′为：
Figure BDA0002522125870000103
根据左站相机图像的归一化变换矩阵D可得到左站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA0002522125870000104
和右站站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA0002522125870000105
Figure BDA0002522125870000106
Figure BDA0002522125870000107
步骤11：求解匹配原始数据
Figure BDA0002522125870000108
的基础矩阵F。对极几何关系，左站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA0002522125870000109
和右站站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure BDA00025221258700001010
存在一一对应的关系：
Figure BDA00025221258700001011
即：
Figure BDA00025221258700001012
其中，
Figure BDA00025221258700001013
为
Figure BDA00025221258700001014
转置矩阵，
Figure BDA00025221258700001015
为匹配
Figure BDA00025221258700001016
的基础矩阵，
Figure BDA00025221258700001017
其中，F12为基础矩阵
Figure BDA00025221258700001018
的第1行第2列的元素，同理F11，F13，F21，F22，F23，F31， F32，F33。
为使基础矩阵
Figure BDA00025221258700001019
满足秩为2的约束，令其行列式为0，即：
Figure BDA00025221258700001020
由于基础矩阵
Figure BDA00025221258700001021
的比例未知，因此，为消除基础矩阵
Figure BDA00025221258700001022
的歧义，令其满足下式:
Figure BDA0002522125870000111
其中，‖·‖2和‖·‖F分别表示向量的L2的范数和基础矩阵
Figure BDA0002522125870000112
的范数，
f＝(F11,F21,F31,F12,F22,F32,F13,F23,F33)T
给定一个包含N个点对应点集合，
Figure BDA0002522125870000113
展开可得：
Figure BDA0002522125870000114
由于
Figure BDA0002522125870000115
是齐次矩阵，因此系数矩阵A的秩为8，则f存在非零唯一解，可通过线性算法求解。由于对应点的坐标存在误差，假设系数矩阵A是一个满秩矩阵，则8点算法可以利用奇异值分解(SVD)的方法求得f的最小二乘解，获得基础矩阵
Figure BDA0002522125870000116
为矩阵A的最小奇异值对应的奇异矢量。同时，基础矩阵
Figure BDA0002522125870000117
应满足
Figure BDA0002522125870000118
的约束条件，但由于存在噪声，约束条件弱化为
Figure BDA0002522125870000119
这就导致基础矩阵的秩可能不为2，即部分对极线没有通过对极点，因此应采取步骤强制将基础矩阵
Figure BDA00025221258700001110
的秩变为2。具体如下：
(1)对基础矩阵
Figure BDA00025221258700001111
进行奇异值分解，得到
Figure BDA00025221258700001112
其中对角矩阵Λ＝diag(λ1,λ2,λ3),λ1,λ2和λ3为
Figure BDA00025221258700001113
的奇异值，且λ1≥λ2≥λ3，U和V 是正交矩阵；
(2)令λ3＝0，
Figure BDA00025221258700001114
即可得到使
Figure BDA00025221258700001115
的 Frobenius范数最小的
Figure BDA00025221258700001116
(3)反归一化：令
Figure BDA00025221258700001117
则本步骤获得基础矩阵F是对应于原始数据
Figure BDA00025221258700001118
的基础矩阵。
步骤12：计算本质矩阵E，利用步骤1中获取的左站相机1a的第一内部参数K1和右站相机1b的第二内部参数K2,通过下式计算本质矩阵E：
Figure BDA0002522125870000121
步骤13：计算平移向量T′，对步骤12获取的本质矩阵E进行奇异值分解(SVD) 可得到空间旋转矩阵R和平移向量T′＝(TX,TY,TZ)T，并结合步骤7获取的空间旋转矩阵R，通过下式计算平移向量T′:
E＝[T′]×R,
其中[T′]×表示T′的斜对称矩阵，向量T′的模
Figure BDA0002522125870000122
步骤14：计算平移向量t，由于步骤13中求解得出一个没有比例因子的平移向量 T′＝(TX,TY,TZ)T，因而必须确定比例因子s＝‖t/T′‖才能确定最终的平移向量 t。本发明将左站相机1a的相机坐标系作为世界坐标系，左站相机1a和右站相机1b的基线长度L可通过测距模块(左站激光测距仪4a和右站激光测距仪4b) 获得，则可通过下式计算比例因子：
Figure BDA0002522125870000123
则平移向量t为
t＝LT′
步骤15：由于噪声的影响，导致从空间点投射出的虚拟点与图像中真实点的位置不一致，从而使上述过程得到的左站相机1a的第一内部参数K1、右站相机1b的第二内部参数K2和外部参数(外部参数包括空间旋转矩阵R和平移向量T′) 并不是最优解。本发明通过利用多参数最小二乘法对相机的内部参数和外部参数进行全局非线性优化，最小化虚拟点与真实点之间的几何距离，减少重投影误差，使图像中真实点和虚拟点之间单应关系达到最优。
利用左站相机和右站相机拍摄n对带有特征点的标定物不同位置、不同角度下的特征点图像，则可建立如下目标函数：
Figure BDA0002522125870000124
其中，j∈{1～n},，
Figure BDA0002522125870000125
表示右站第j幅图像中特征点的真实点像素坐标，
Figure BDA0002522125870000126
表示
Figure BDA0002522125870000127
的虚拟点像素坐标，R表示空间旋转矩阵，T表示平移向量，M表示第j幅图像的世界坐标系下的特征点。极大似然估计法是一种非线性的多参数最小二乘法问题，使用列文-伯格马夸尔特(LM)算法即可求解虚拟点与真实点之间的几何距离最小值，最终得到第一内部参数K1、右站相机1b的第二内部参数K2和外部参数(外部参数包括空间旋转矩阵R和平移向量T′)的最优解。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种远距离大视场相机参数标定系统，包括测量站，其特征在于，测量站包括左相机测量站和右相机测量站，
左相机测量站包括左站相机(1a)、左站外置双轴倾角传感器(2a)、左站二维姿态调节件(3a)、左站激光测距仪(4a)、左站传感器连接件(5a)、左站俯仰调节件(6a)、左站水平转台(7a)、左站基座连接器(8a)和左站三脚架(9a)，
左站基座连接器(8a)设置在左站三脚架(9a)上，左站水平转台(7a)的固定部与左站基座连接器(8a)连接，左站水平转台(7a)的水平转动部上设置左站俯仰调节件(6a)的固定部，左站俯仰调节件(6a)的俯仰调节部上设置左站相机(1a)和左站外置双轴倾角传感器(2a)，左站俯仰调节件(6a)的俯仰调节部上还设置有左站传感器连接件(5a)，左站二维姿态调节件(3a)的固定部与左站传感器连接件(5a)连接，左站二维姿态调节件(3a)的二维调节部与左站激光测距仪(4a)连接；
右相机测量站包括右站相机(1b)、右站外置双轴倾角传感器(2b)、右站二维姿态调节件(3b)、右站激光测距仪(4b)、右站传感器连接件(5b)、右站俯仰调节件(6b)、右站水平转台(7b)、右站基座连接器(8b)和右站三脚架(9b)，
右站基座连接器(8b)设置在右站三脚架(9b)上，右站水平转台(7b)的固定部与右站基座连接器(8b)连接，右站水平转台(7b)的水平转动部上设置右站俯仰调节件(6b)的固定部，右站俯仰调节件(6b)的俯仰调节部上设置右站相机(1b)和右站外置双轴倾角传感器(2b)，右站俯仰调节件(6b)的俯仰调节部上还设置有右站传感器连接件(5b)，右站二维姿态调节件(3b)的固定部与右站传感器连接件(5b)连接，右站二维姿态调节件(3b)的二维调节部与右站激光测距仪(4b)连接。
2.一种远距离大视场相机参数标定方法，利用权利要求1所述的一种远距离大视场相机参数系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用张正友标定法分别获取左站相机(1a)的第一内部参数K1和右站相机(1b)的第二内部参数K2，
步骤2：将左站相机(1a)和右站相机(1b)相隔一定距离且等高度架设；
步骤3：通过左站外置双轴倾角传感器(2a)获得第一俯仰角和第一横滚角，通过右站外置双轴倾角传感器(2b)获得第二俯仰角和第二横滚角；
通过左站水平转台(7a)的内置双轴倾角传感器获得左站相机(1a)的第一偏航角，通过右站水平转台(7b)的内置双轴倾角传感器获得右站相机(1b)的第二偏航角；
步骤4：调整左站水平转台(7a)和右站水平转台(7b)处于水平状态；
步骤5：旋转左站水平转台(7a)和右站水平转台(7b)，使左站相机(1a)和右站相机(1b)保持严格对视；
步骤6：左站相机(1a)和右站相机(1b)对准被测物，记录此时的第一偏航角γ1、第一俯仰角α1、第一横滚角β1、第二偏航角γ2、第二俯仰角α2和第二横滚角β2；
步骤7：确定左站相机(1a)和右站相机(1b)的空间旋转矩阵R；
步骤8：将带有一个特征点的标定靶在左站相机(1a)和右站相机(1b)的公共视场空间自由移动，通过左站相机(1a)和右站相机(1b)获得N对左站标定靶图像和右站标定靶图像；
步骤9：左站标定靶图像和右站标定靶图像的特征点像素坐标分别表示为
Figure FDA0002522125860000026
和
Figure FDA0002522125860000022
i表示对数的序号，i∈{1～N}；
步骤10：分别求取左站标定靶图像和右站标定靶图像中的特征点像点的质心，进而求取左站相机图像的归一化变换矩阵D和右站相机图像归一化变换矩阵D′；根据左站相机图像的归一化变换矩阵D可得到左站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure FDA0002522125860000023
和右站站相机的归一化后的特征点像素坐标
Figure FDA0002522125860000027
步骤11：求解匹配原始数据
Figure FDA0002522125860000025
的基础矩阵F；
步骤12：计算本质矩阵E；
步骤13：对步骤12获取的本质矩阵E进行奇异值分解为步骤7获得的空间旋转矩阵R和平移向量T′，进而获得平移向量T′＝(TX，TY，TZ)T；
步骤14：计算比例因子s＝L，其中L为基线长度，，计算平移向量t＝LT′。
3.根据权利要求2所述的一种远距离大视场相机参数标定方法，其特征在于，所述的步骤7中空间旋转矩阵R通过以下公式获得：
Figure FDA0002522125860000031
Figure FDA0002522125860000033
Figure FDA0002522125860000034
4.根据权利要求2所述的一种远距离大视场相机参数标定方法，其特征在于，所述的步骤11包括以下步骤：
记
Figure FDA0002522125860000035
为匹配
Figure FDA0002522125860000036
的基础矩阵，
Figure FDA0002522125860000037
记f＝(F11，F21，F31，F12，F22，F32，F13，F23，F33)T；
记
Figure FDA0002522125860000038
基础矩阵
Figure FDA0002522125860000039
满足秩为2的约束，
Figure FDA00025221258600000310
其中，||·||2和||·||F分别表示向量的L2的范数和基础矩阵
Figure FDA00025221258600000311
的范数，
利用奇异值分解方法求得f的最小二乘解；
基础矩阵
Figure FDA00025221258600000312
为矩阵A的最小奇异值对应的奇异矢量；
对基础矩阵
Figure FDA00025221258600000313
进行奇异值分解，得到
Figure FDA00025221258600000314
其中对角矩阵Λ＝diag(λ1，λ2，λ3)，λ1，λ2和λ3为
Figure FDA00025221258600000315
的奇异值，且λ1≥λ2≥λ3，U和V是正交矩阵；
令λ3＝0，
Figure FDA00025221258600000316
即可得到使
Figure FDA00025221258600000317
的Frobenius范数最小的
Figure FDA00025221258600000318
计算基础矩阵
Figure FDA0002522125860000041
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210006725A1 (en) * 2018-02-14 2021-01-07 University Of Massachusetts Image capturing system, method, and analysis of objects of interest
CN114739306A (zh) * 2022-03-21 2022-07-12 深圳大学 形变测量方法、装置、电子设备及存储介质

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210006725A1 (en) * 2018-02-14 2021-01-07 University Of Massachusetts Image capturing system, method, and analysis of objects of interest
CN114739306A (zh) * 2022-03-21 2022-07-12 深圳大学 形变测量方法、装置、电子设备及存储介质
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