CN113436265A - 红外热像仪与可见光相机的双目标定装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外热像仪与可见光相机的双目标定装置及其使用方法，双目标定装置包括：标定板和N个发热体，在所述标定板上形成有按矩形阵列排布的N个第一通孔，在所述标定板的前表面上设置有一网格，所述网格内直线的交点为所述第一通孔，每个第一通孔内有一个所述发热体。将标定板交点与温度特征点完全重合，实现了红外热像仪和可见光相机的双目联合参数标定，为多光谱相机三维重建和图像融合建立基础；相比基于圆孔标定板作为特征的二维标定模板标定，消除了圆心提取的“原理性误差”；设计合理、容易实施、能够同时标定可见光相机与红外热像仪两种相机，其应用范围广，易于推广实施，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于相机标定技术领域，具体来说涉及一种红外热像仪与可见光相机的双目标定装置及其使用方法。
背景技术
多光谱是利用不同光谱段获得同一目标图像，通过不同谱段图像的组合，获取目标的物理特性。在空间摄影测量领域中，多光谱相机有着不可替代的作用。例如，由可见光相机和红外热像仪组成的多光谱相机，可以同时获取目标的可见光图像和温度图像。
在应用多光谱相机对目标进行精确定位之前，先要在实验室精确标定出多光谱相机的几何参数。现有的标定方法大多都只适用于双可见光相机标定，极少数的红外热像仪与可见光相机标定方法也都过于复杂或制造成本过高，很难应用于实际。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种红外热像仪与可见光相机的双目标定装置，该红外热像仪与可见光相机的双目标定装置利用一套简单的标定装置与方法同时确定红外与可见光相机的参数，制造成本低，方法简单有效。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种红外热像仪与可见光相机的双目标定装置，包括：标定板和N个发热体，在所述标定板上形成有按矩形阵列排布的N个第一通孔，在所述标定板的前表面上设置有一网格，所述网格内直线的交点为所述第一通孔，每个第一通孔内有一个所述发热体。
在上述技术方案中，所述第一通孔的直径为0.5～5mm。
在上述技术方案中，所述网格绘制在所述标定板的前表面上。
在上述技术方案中，所述网格内格子填充有黑色和白色，且黑色的格子和白色的格子间隔设置。
在上述技术方案中，所述标定板的材质为非金属。
在上述技术方案中，所述发热体的前端面与所述标定板的前表面之间的距离为0～1mm。
在上述技术方案中，还包括：设置在所述标定板后方的隔热板，其中，所述隔热板与所述标定板平行，所述隔热板在与每个所述第一通孔相对的位置形成有一第二通孔，每个第一通孔以及该第一通孔相对的第二通孔形成一通道，所述发热体从每个所述通道的后端插入，以使每个第一通孔内有一个发热体。
在上述技术方案中，所述发热体为圆柱体形且与所述通道的内壁相适。
在上述技术方案中，所述第二通孔的直径与第一通孔的直径相同。
在上述技术方案中，还包括：控制器，所述控制器通过一导线与N个所述发热体电连接，用于控制所述发热体发热。
在上述技术方案中，N个发热体安装在一架体上，所述架体位于所述隔热板的后方。
上述双目标定装置的使用方法，包括以下步骤：
1)准备2个相机：可见光相机与红外热像仪，将两个相机固定在一起，相对位姿保持不变，首先发热体加热，与标定板形成温差，然后由可见光相机与红外热像仪同时拍摄双目标定装置的标定板的前表面，在拍摄过程中不断变换可见光相机与红外热像仪的拍摄距离和拍摄角度，拍摄距离要让标定板同时在两个相机中都完全可见；
可见光相机拍摄到的可见光图像是网格，红外热像仪拍摄到的红外图像是黑色的标定板上有由N个白色的亮点组成的阵列，红外图像中的N个白色的亮点的空间位置与可见光图像中网格的格子交点相一致；
在所述步骤1)中，使标定板占据每个相机所拍摄照片的30％以上面积。
在所述步骤1)中，标定板的拍摄角度包括：正视、仰斜视、俯斜视、左斜视和右斜视，拍摄倾斜角度以30度到60度，每次变换拍摄角度后均保持静止并用可见光相机和红外热像仪同时拍摄10～20张照片。
2)通过手工标注或Harris角点检测算法从每一幅可见光图像中提取出网格中交点的所有点坐标，通过手工标注或焦点中心检测算法从红外图像中提取出所有发热体的点坐标；
3)通过霍夫线变换分别检测每幅红外图像和可见光图像中所有点坐标可连成的直线，根据霍夫线变换累加器的值，清零霍夫线变换累加器中与网格横向点数不同的值，排除后的霍夫线变换累加器中若存在相邻多个值都相同，只取其中一个其余也清零，对霍夫线变换累加器中剩余非零值点霍夫逆变换成直线，对所述直线按照纵坐标截距从大到小排序，并依次以一定线宽扫描直线所覆盖的点，线宽可与霍夫线变换像素扫描步长相同，对每条直线扫描到的所有点都按照横坐标的大小顺序依次加入到该图像的点坐标矩阵；
4)结合点坐标矩阵并利用张正友标定算法，分别求取可见光相机和红外热像仪的内参数和外参数，从而两相机分别实现单目标定。
在所述步骤4)中，内参数包括每个相机的镜头焦距、主点坐标与径向畸变，外参数为每一幅红外图像/可见光图像中的相机与标定板的相对旋转平移矩阵。
本发明双目标定装置的有益效果为：将标定板交点与温度特征点(发热体的点坐标)完全重合，实现了红外热像仪和可见光相机的联合参数标定，为多光谱相机三维重建和图像融合建立基础；相比基于圆孔标定板作为特征的二维标定模板标定，消除了圆心提取的“原理性误差”；设计合理、容易实施、能够同时标定可见光相机与红外热像仪两种相机，其应用范围广，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的双目标定装置的分解图；
图2为本发明的双目标定装置的标定流程图。
图3为标定板的正视图。
图4为标定板在红外热像仪中的温差图。
其中，1：标定板，2：隔热板，3：第二通孔，4：发热体，5：导线，6：第一通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的双目标定装置。
实施例1
如图1、3所示，包括：标定板1、N个发热体4、控制器(图中未示出)和设置在标定板1后方的隔热板2。在标定板1上形成有按矩形阵列排布的N个第一通孔6，第一通孔6的直径为0.5～5mm，第一通孔6的直径应该尽量小，以提高标定精度。在标定板1的前表面上绘制有一网格，网格内直线的交点为第一通孔6，也即交点与第一通孔6重合，每个第一通孔6内有一个发热体4。
网格内格子填充有黑色和白色，且黑色的格子和白色的格子间隔设置。发热体4发热采用电加热，控制器通过一导线5与N个发热体4电连接，发热体4发热时间一般控制在接通电源的10s以内，以免发热体4的温度辐射到第一通孔6周围的标定板上。发热体4与其周围标定板的温差应大于红外热像仪的温度分辨率，另外，为了减少后续发热体4的温度辐射速度，标定板1的材质为非金属类导热能力较差的材料，例如泡沫。
发热体4的前端面与标定板1的前表面之间的距离为0～1mm。
隔热板2与标定板1平行并相贴，隔热板2在与每个第一通孔6相对的位置形成有一第二通孔3，第二通孔3的直径为与第一通孔6的直径相同(0.5mm～5mm)。每个第一通孔6以及该第一通孔6相对的第二通孔3形成一通道，发热体4从每个通道的后端插入，以使每个第一通孔6内有一个发热体4。发热体4为圆柱体形且与通道的内壁相适。
N个发热体4的后端固装在一架体上，架体位于隔热板2的后方。
上述双目标定装置工作原理如图2所示，详细说明如下：
准备2个相机：可见光相机与红外热像仪，两个相机固定在一起，相对位姿保持不变，进行标定时，首先发热体加热，与标定板形成温差如图4所示，然后由可见光相机与红外热像仪同时拍摄双目标定装置，可见光相机拍摄到的可见光图像是由黑色的格子和白色的格子组成的棋盘格，红外热像仪拍摄到的红外图像是黑色的标定板上有由N个白色的亮点组成的阵列，红外图像中的N个白色的亮点即为标定板发热体4产生的热源，其空间位置与可见光图像黑色的格子和白色的格子交点相一致。
使可见光相机与红外热像仪同时拍摄标定板且在拍摄过程中不断变换可见光相机与红外热像仪的拍摄距离和拍摄角度，拍摄距离要让标定板同时在两个相机中都完全可见，并且使标定板占据每个相机所拍摄照片的30％以上面积，标定板的拍摄角度包括：正视、仰斜视、俯斜视、左斜视和右斜视，拍摄倾斜角度以30度到60度为宜，每次变换拍摄角度后均保持静止并用可见光相机和红外热像仪各同时拍摄10～20张照片。
通过手工标注或Harris角点检测算法[1]从每一幅可见光图像中提取出黑色的格子和白色的格子交点的所有点坐标，例如图3中所有第一通孔6的中心点P(2,1)、P(7,9)在可见光图像中的像素坐标；通过手工标注或焦点中心检测算法[2]从红外图像中提取出所有发热体的坐标，例如：图4中发热体4的中心点如P(2,1)、P(7,9)在红外图像中的像素坐标。通过霍夫线变换[3]分别检测每幅红外图像和可见光图像中所有点坐标可连成的直线，霍夫线变换累加器像素扫描步长应适当加大，保证一条直线上所有点都能落入同一累加器中，步长依据图像畸变情况与分辨率进行设定，畸变、分辨率越大则步长越大，根据霍夫线变换累加器的值即直线包含的点的数量，清零霍夫线变换累加器中与棋盘格横向点数不同的值(横向为点多的方向，在本例中横向为9个点，纵向为7个点)，排除后的霍夫线变换累加器中若存在相邻多个值都相同，只取其中一个其余也清零，对霍夫线变换累加器中剩余非零值点霍夫逆变换成直线，对上述直线按照纵坐标截距从大到小排序，并依次以一定线宽扫描直线所覆盖的点，线宽可与霍夫线变换像素扫描步长相同，对每条直线扫描到的所有点都按照横坐标的大小顺序依次加入到该图像的点坐标矩阵。
结合点坐标矩阵并利用张正友标定算法[4]，分别求取可见光相机和红外热像仪的内参数和外参数，内参数包括每个相机的镜头焦距、主点坐标与径向畸变，外参数为每一幅红外图像/可见光图像中的相机与标定板的相对旋转平移矩阵，从而两相机分别实现单目标定。
在每一组图像中，可见光相机和红外热像仪相对于标定板的旋转矩阵分别记为R1、R2，平移矩阵分别记为T1、T2，那么以可见光相机坐标系为世界坐标系，两相机相对旋转矩阵R、平移矩阵T可表示为：R＝R2R1 T，T＝T2-RT1。对于每一组图片都可得到一组旋转、平移矩阵，使用最小二乘法可以对这些结果进行优化，得到最终的相机外参数，从而实现双目立体标定。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
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Claims (10)
1.一种红外热像仪与可见光相机的双目标定装置，其特征在于，包括：标定板(1)和N个发热体(4)，在所述标定板(1)上形成有按矩形阵列排布的N个第一通孔(6)，在所述标定板(1)的前表面上设置有一网格，所述网格内直线的交点为所述第一通孔(6)，每个第一通孔(6)内有一个所述发热体(4)。
2.根据权利要求1所述的双目标定装置，其特征在于，所述第一通孔(6)的直径为0.5～5mm；
所述网格绘制在所述标定板(1)的前表面上。
3.根据权利要求2所述的双目标定装置，其特征在于，所述网格内格子填充有黑色和白色，且黑色的格子和白色的格子间隔设置。
4.根据权利要求3所述的双目标定装置，其特征在于，所述标定板(1)的材质为非金属；
所述发热体(4)的前端面与所述标定板(1)的前表面之间的距离为0～1mm。
5.根据权利要求4所述的双目标定装置，其特征在于，还包括：设置在所述标定板(1)后方的隔热板(2)，其中，所述隔热板(2)与所述标定板(1)平行，所述隔热板(2)在与每个所述第一通孔(6)相对的位置形成有一第二通孔(3)，每个第一通孔(6)以及该第一通孔(6)相对的第二通孔(3)形成一通道，所述发热体(4)从每个所述通道的后端插入，以使每个第一通孔(6)内有一个发热体(4)；
所述发热体(4)为圆柱体形且与所述通道的内壁相适。
6.根据权利要求5所述的双目标定装置，其特征在于，所述第二通孔(3)的直径与第一通孔(6)的直径相同。
7.根据权利要求6所述的双目标定装置，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器通过一导线(5)与N个所述发热体(4)电连接，用于控制所述发热体(4)发热；
N个发热体(4)安装在一架体上，所述架体位于所述隔热板(2)的后方。
8.如权利要求1～7中任意一项所述双目标定装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备2个相机：可见光相机与红外热像仪，将两个相机固定在一起，相对位姿保持不变，首先发热体(4)加热，与标定板(1)形成温差，然后由可见光相机与红外热像仪同时拍摄双目标定装置的标定板(1)的前表面，在拍摄过程中不断变换可见光相机与红外热像仪的拍摄距离和拍摄角度，拍摄距离要让标定板(1)同时在两个相机中都完全可见；
可见光相机拍摄到的可见光图像是网格，红外热像仪拍摄到的红外图像是黑色的标定板(1)上有由N个白色的亮点组成的阵列，红外图像中的N个白色的亮点的空间位置与可见光图像中网格的格子交点相一致；
2)通过手工标注或Harris角点检测算法从每一幅可见光图像中提取出网格中交点的所有点坐标，通过手工标注或焦点中心检测算法从红外图像中提取出所有发热体(4)的点坐标；
3)通过霍夫线变换分别检测每幅红外图像和可见光图像中所有点坐标可连成的直线，根据霍夫线变换累加器的值，清零霍夫线变换累加器中与网格横向点数不同的值，排除后的霍夫线变换累加器中若存在相邻多个值都相同，只取其中一个其余也清零，对霍夫线变换累加器中剩余非零值点霍夫逆变换成直线，对所述直线按照纵坐标截距从大到小排序，并依次以一定线宽扫描直线所覆盖的点，线宽可与霍夫线变换像素扫描步长相同，对每条直线扫描到的所有点都按照横坐标的大小顺序依次加入到该图像的点坐标矩阵；
4)结合点坐标矩阵并利用张正友标定算法，分别求取可见光相机和红外热像仪的内参数和外参数，从而两相机分别实现单目标定。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，在所述步骤1)中，使标定板(1)占据每个相机所拍摄照片的30％以上面积；
在所述步骤1)中，标定板(1)的拍摄角度包括：正视、仰斜视、俯斜视、左斜视和右斜视，拍摄倾斜角度为30～60度，每次变换拍摄角度后均保持静止并用可见光相机和红外热像仪同时拍摄10～20张照片。
10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，在所述步骤4)中，内参数包括每个相机的镜头焦距、主点坐标与径向畸变，外参数为每一幅红外图像/可见光图像中的相机与标定板(1)的相对旋转平移矩阵。
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| 马永军: "基于可见光和红外热像仪的双目视觉目标检测与定位", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 信息科技辑》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114913293A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-08-16 | 南方科技大学 | 三维热像模型生成方法、装置、系统及电子设备 |
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