CN113654572B - 一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法。所述集成式图像采集设备包括高精度整平基座、固定环、三脚架、长焦定焦镜头、高分辨率相机、高精度数控云台、控制终端。位姿参数标定方法包括：布设室外检校场，利用全站仪建立测量坐标系，并测定每块二维标定板的K个角点的测量坐标系坐标；在室外检校场标定高分辨率相机的畸变参数和内方位元素；计算高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标，并计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离；构建高精度数控云台水平和竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标。

Description

一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法

技术领域

本发明属于数字近景摄影测量领域，尤其涉及一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法。

背景技术

集成式图像采集设备通常用于建筑物混凝土墙面外观图像采集，获取的图像用于提取和分析混凝土表面各类缺陷。集成式图像采集设备由不具有测量功能的设备组合而成，通常由高分辨率相机、长焦定焦镜头、高精度数控云台、高精度整平基座、固定环及三脚架等部分组成。

集成式图像采集设备的图像采集过程通常为：首先，利用全站仪建立测量坐标系，并测定各拍摄站点坐标及目标表面部分目标点坐标，利用目标表面点坐标生成目标三维模型，摄影点坐标及目标三维模型进行拍摄方案规划。其次，根据设定的采集方案在各拍摄站点架设设备，按方案设定的采集覆盖区域及相邻图像重叠度由高精度旋转云台控制图像采集设备在水平和竖直方向旋转并拍摄目标表面。最后，再对各拍摄站点拍摄的图片进行数据处理，利用目标表面特征点坐标拟合的几何图形方程将原始图像纠正为正射图像，进而进行缺陷特征检测以及图像拼接生成目标表面全景图。

相对于专业摄影测量设备，集成式图像采集设备数据获取及处理的难点及存在的问题主要在于：

集成式图像采集设备的组成部件一般相对灵活，各种集成式装备均由功能相似、但系统参数不同或未知的部件组合而成，系统参数如摄影中心位置、系统中心位置等均为未知，没有相对统一、完善的系统参数检定方法；

在图像采集过程和数据处理过程中，均需利用设备位置和姿态参数进行计算。但此类参数一般无法直接获取，多数工程应用中均采用了经验参数或近似计算的方式完成数据处理。比如，近似认为摄影中心与设备旋转中心重合，近似认为理论旋转角度(即以摄影中心为旋转中心的旋转角度)与设备实际旋转角度(即以云台旋转中心为中心的旋转角度)相同。但在精度需求相对较高的工程中，集成式设备的位姿参数会直接影响到规划拍摄方案和获取正射图像的正确性。如需提高设备的测量精度，必须对系统进行检定，在数据处理过程中进行补偿计算，但目前还没有完善的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种针对集成式图像采集设备的位姿参数标定方法，以解决上述背景技术中存在的难点及问题，计算出的姿态及位置参数可用于集成式图像采集设备数据采集方案的精确制定及生成正射图像。

本发明的技术方案提供一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法。

所述集成式图像采集设备包括：高精度整平基座、固定环、三脚架、长焦定焦镜头、高分辨率相机、高精度数控云台、控制终端；

所述控制终端分别与所述的高分辨率相机、高精度数控云台通过有线方式依次连接；

所述高分辨率相机与所述长焦定焦镜头连接，

所述长焦定焦镜头通过所述固定环安装在所述高精度数控云台；

所述高精度数控云台下方安装所述高精度整平基座；

所述高精度整平基座连接在所述三脚架上；

所述控制终端控制所述高分辨率相机采集图像，并将采集的图像传输至控制终端；

所述控制终端控制所述高精度数控云台旋转；

所述位姿参数标定方法包括以下步骤：

步骤1，室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪，利用全站仪建立测量坐标系，并在一测站上测定每块二维标定板的K个角点的测量坐标系坐标；

步骤2，选定任意一块二维标定板分别按照相机畸变参数标定方法得到相机畸变参数、相机内方位元素标定方法得到相机内方位元素，获取的相机畸变参数用于对图像采集设备采集的所有图像进行畸变纠正，获取的相机内方位元素用于对图像采集设备采集的图像正射纠正过程；

步骤3，控制终端利用高分辨率相机在不同水平角和竖直角情况下拍摄二维标定板，利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标，利用各摄影中心的测量坐标系坐标拟合高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标，进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离；

步骤4，引入所述高分辨率相机的CMOS尺寸、高分辨率相机主距、步骤3所述高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离，构建所述高精度数控云台水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，构建所述高精度数控云台竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标；

作为优选，步骤1所述室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪为：

在室外空旷场地安置所述图像采集设备，以所述图像采集设备为圆心，半径为平均拍摄距离的圆周位置上，每隔角度θ布设一块二维标定板，共N＝360°/θ块标定板，在所述图像采集设备L范围内位置放置全站仪；

步骤1所述利用全站仪建立测量坐标系为：

利用全站仪建立测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W，测量坐标系的各坐标轴与云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y相应坐标轴平行；

步骤1所述在一测站上测定每块二维标定板的K个角点的测量坐标系坐标为：

利用全站仪在一测站上测定每块二维标定板上至少K个角点的测量坐标系坐标。

作为优选，步骤2所述根据选定的二维标定板进行调焦为：

使标定板清晰成像，并锁定调焦环，后续标定及图像采集过程中均不能再调节调焦环；

步骤2所述相机内方位元素具体为：高分辨率相机主距及像主点的图像坐标系坐标。

作为优选，步骤3所述利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标为：

所述控制终端控制高精度数控云台旋转，将长焦定焦镜头分别对准所述N块二维标定板的方向对二维标定板进行拍照，利用各二维标定板上测定的至少K个角点的测量坐标系坐标，在N个方向上分别利用空间后方交会原理计算N个摄影中心的测量坐标系坐标

表示第i个摄影中心的测量坐标系坐标；

其中，表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算云台旋转中心M的测量坐标系坐标为：

利用求出的N个摄影中心的测量坐标系坐标进行圆球面拟合，具体如下：

进一步通过最小二乘法计算球心坐标为R为圆球半径，所述球心坐标即为高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标/>

其中，表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离的距离为：

利用高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标和N个摄影中心的测量坐标系坐标，计算高精度数控云台旋转中心和各摄影中心距离m_Δi：

其中，表示高精度数控云台旋转中心和第i个摄影中心距离；

表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离m_Δ为：

作为优选，步骤4所述水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度γ_H之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_H＝a_Hm_Δ–a_HL_H+b_HL_H，t_H＝a_Hb_HL_H–m_Δ+L_H，L_H表示目标点到摄影中心的水平距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系Z轴坐标。

a_H＝cotβ_H，b_H＝tan(α_H–β_H)，β_H表示高分辨率相机水平视场角的二分之一；

β_H＝arctan(w/f)，w表示高分辨率相机CMOS宽度的二分之一，f表示高分辨率相机主距。

步骤4所述竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度α_V与高精度数控云台的旋转角度γ_V之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_V＝m_Δ–L_V+a_Vb_VL_V，t_V＝–a_Vm_Δ+a_VL_V–b_VL_V，L_V为目标点到摄影中心的空间距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，表示目标点P_V的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标；

a_V＝tanβ_V，b_V＝tan(α_V–β_V)，β_V表示高分辨率相机垂直视场角的二分之一；

β_V＝arctan(h/f)，h表示高分辨率相机CMOS高度的二分之一，f表示高分辨率相机主距。

步骤4所述计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标为：

其中，C′表示摄影中心在高精度数控云台旋转水平角γ_H和竖直角γ_V后的位置，表示C′的测量坐标系X轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标；

m_Δ表示高精度数控云台旋转中心和摄影中心的距离；

[T_X T_Z T_Y]^T表示云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间的平移参数，T_X表示云台坐标系原点在测量坐标系X轴方向的平移参数，T_Y表示云台坐标系原点在测量坐标系Y轴方向的平移参数，T_Z表示云台坐标系原点在测量坐标系Z轴方向的平移参数；

[T_X T_Z T_Y]^T的计算方式为：

高精度数控云台旋转中心M在云台坐标系下坐标为(0,0,0)，在测量坐标系下坐标由步骤3确定，由于测量坐标系和云台坐标系的三个坐标轴分别平行，因此云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间为平移关系，平移参数[T_X T_Z T_Y]^T可表示为：

本发明提出的一种集成式图像采集设备位姿参数标定方法，有益效果在于：解决了集成式图像采集设备无法精确标定各组成部件之间相对位置及姿态关系的问题；并且改善了现有摄影方案设计过程中设计设备旋转角度的便利性，根据理论旋转角度(以摄影中心为旋转中心的旋转角度)直接得到实际设备旋转角度；并且为后续图像的正射纠正提供了精确的摄影中心坐标。本发明技术方案适用于各类由高分辨率相机、长焦定焦镜头、数控云台以及相应连接组件集成的图像采集设备的位姿参数标定，特别适合应用于高精度摄影测量任务中集成式图像采集系统的参数标定。

附图说明

图1：为本发明实施例的集成式图像采集设备的组成示意图。

图2：为本发明实施例的坐标系及参数定义的说明。

图3：为本发明实施例的摄影成像关系俯视图图。

图4：为本发明实施例的二维标定板示意图。

图5：为本发明实施例的坐标网格板示意图。

图6：为本发明实施例的摄影中心三维坐标拟合示意图。

图7：为本发明实施例的水平旋转情况下相机以摄影中心为旋转中心和以云台中心为旋转中心的成像位置关系及参数说明示意图。

图8：为本发明实施例的竖直旋转情况下相机以摄影中心为旋转中心和以云台中心为旋转中心的成像位置关系及参数说明示意图。

图9：为本发明方法流程图。

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，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所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。

下面以实施例结合附图1-9对本发明作进一步说明。

本发明第一实施例为：

本发明的技术方案提供一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法。

所述集成式图像采集设备包括：高精度整平基座、固定环、三脚架、长焦定焦镜头、高分辨率相机、高精度数控云台、控制终端；

所述控制终端分别与所述的高分辨率相机、高精度数控云台通过有线方式依次连接；

所述高分辨率相机与所述长焦定焦镜头连接，

所述长焦定焦镜头通过所述固定环安装在所述高精度数控云台；

所述高精度数控云台下方安装所述高精度整平基座；

所述高精度整平基座连接在所述三脚架上；

所述控制终端控制所述高分辨率相机采集图像，并将采集的图像传输至控制终端；

所述控制终端控制所述高精度数控云台旋转；

所述高精度整平基座型号为LEICA-GDF321；

所述固定环型号为CEDIS-R1；

所述三脚架型号为Tripod-330B；

所述长焦定焦镜头型号为Nikor 800mm f/5.6E FL ED VR；

所述高分辨率相机型号为Nikon D800E；

所述高精度数控云台型号为HJY-YT205W；

所述控制终端型号为DELL XPS13；

所述位姿参数标定方法包括以下步骤：

步骤1，室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪，利用全站仪建立测量坐标系，并在一测站上测定每块二维标定板的K＝3个角点的测量坐标系坐标；

步骤1所述室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪为：

在室外空旷场地安置所述图像采集设备，以所述图像采集设备为圆心，半径为平均拍摄距离的圆周位置上，每隔角度θ＝45°布设一块二维标定板，共N＝360°/θ＝8块标定板，在所述图像采集设备L＝5m范围内位置放置全站仪；

步骤1所述利用全站仪建立测量坐标系为：

利用全站仪建立测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W，测量坐标系的各坐标轴与云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y相应坐标轴平行；

步骤1所述在一测站上测定每块二维标定板的K＝3个角点的测量坐标系坐标为：

利用全站仪在一测站上测定每块二维标定板上至少K＝3个角点的测量坐标系坐标。

步骤2，选定任意一块二维标定板分别按照相机畸变参数标定方法得到相机畸变参数、相机内方位元素标定方法得到相机内方位元素，获取的相机畸变参数用于对图像采集设备采集的所有图像进行畸变纠正，获取的相机内方位元素用于对图像采集设备采集的图像正射纠正过程；

步骤2所述根据选定的二维标定板进行调焦为：

使标定板清晰成像，并锁定调焦环，后续标定及图像采集过程中均不能再调节调焦环；

步骤2所述相机内方位元素具体为：高分辨率相机主距及像主点的图像坐标系坐标。

步骤3，控制终端利用高分辨率相机在不同水平角和竖直角情况下拍摄二维标定板，利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标，利用各摄影中心的测量坐标系坐标拟合高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标，进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离；

步骤3所述利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标为：

所述控制终端控制高精度数控云台旋转，将长焦定焦镜头分别对准所述N块二维标定板的方向对二维标定板进行拍照，利用各二维标定板上测定的至少K＝3个角点的测量坐标系坐标，在N＝8个方向上分别利用空间后方交会原理计算N＝8个摄影中心的测量坐标系坐标

表示第i个摄影中心的测量坐标系坐标；

其中，表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算云台旋转中心M的测量坐标系坐标为：

利用求出的N＝8个摄影中心的测量坐标系坐标进行圆球面拟合，具体如下：

进一步通过最小二乘法计算球心坐标为R为圆球半径，所述球心坐标即为高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标/>

其中，表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离的距离为：

利用高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标和N＝8个摄影中心的测量坐标系坐标，计算高精度数控云台旋转中心和各摄影中心距离m_Δi：

其中，表示高精度数控云台旋转中心和第i个摄影中心距离；

表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离m_Δ为：

步骤4，引入所述高分辨率相机的CMOS尺寸、高分辨率相机主距、步骤3所述高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离，构建所述高精度数控云台水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，构建所述高精度数控云台竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标；

步骤4所述水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度γ_H之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_H＝a_Hm_Δ–a_HL_H+b_HL_H，t_H＝a_Hb_HL_H–m_Δ+L_H，L_H表示目标点到摄影中心的水平距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系Z轴坐标。

a_H＝cotβ_H，b_H＝tan(α_H–β_H)，β_H表示高分辨率相机水平视场角的二分之一；

β_H＝arctan(w/f)，w表示高分辨率相机CMOS宽度的二分之一，f表示高分辨率相机主距。

步骤4所述竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度α_V与高精度数控云台的旋转角度γ_V之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_V＝m_Δ–L_V+a_Vb_VL_V，t_V＝–a_Vm_Δ+a_VL_V–b_VL_V，L_V为目标点到摄影中心的空间距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，表示目标点P_V的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标；

a_V＝tanβ_V，b_V＝tan(α_V–β_V)，β_V表示高分辨率相机垂直视场角的二分之一；

β_V＝arctan(h/f)，h表示高分辨率相机CMOS高度的二分之一，f表示高分辨率相机主距。

步骤4所述计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标为：

其中，C′表示摄影中心在高精度数控云台旋转水平角γ_H和竖直角γ_V后的位置，表示C′的测量坐标系X轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标；

m_Δ表示高精度数控云台旋转中心和摄影中心的距离；

[T_X T_Z T_Y]^T表示云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间的平移参数，T_X表示云台坐标系原点在测量坐标系X轴方向的平移参数，T_Y表示云台坐标系原点在测量坐标系Y轴方向的平移参数，T_Z表示云台坐标系原点在测量坐标系Z轴方向的平移参数；

[T_X T_Z T_Y]^T的计算方式为：

高精度数控云台旋转中心M在云台坐标系下坐标为(0,0,0)，在测量坐标系下坐标由步骤3确定，由于测量坐标系和云台坐标系的三个坐标轴分别平行，因此云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间为平移关系，平移参数[T_X T_Z T_Y]^T可表示为：

本发明第二实施例为：

如图1所示，现有技术中集成式图像采集设备通常由高分辨率相机(如单反相机、无反相机、工业相机等)、长焦定焦镜头、高精度数控云台、高精度整平基座、固定环、三脚架、控制终端、数据线、电缆线及移动电源等部分组成；高分辨率相机连接长焦定焦镜头，长焦定焦镜头通过固定环安装在高精度数控云台，高精度数控云台下方安装高精度整平基座，高精度整平基座连接在三脚架上；控制终端通过数据线控制高分辨率相机采集图像，并将图像传输至控制终端，控制终端通过数据线控制高精度数控云台旋转，移动电源通过电缆线向控制终端、高分辨率相机及高精度数控云台供电。所述图像采集设备水平方向旋转轴(即竖轴)为高精度数控云台的竖轴，竖直方向旋转轴(即横轴)为高精度数控云台的横轴，图像采集设备的横轴和竖轴垂直相交；固定长焦定焦镜头的固定环为精加工定制部件，可控制图像采集设备的横轴和竖轴均通过高分辨率相机的主光轴，即图像采集设备的旋转中心位于其横轴、竖轴与高分辨率相机主光轴的交点。本发明针对集成式图像采集设备提出一种位姿参数标定方法，用于建立摄影方案设计时设备竖直角和水平角与实际操作时设备的竖直角和水平角之间的转换关系，并测定实际摄影中心位置，供后续图像纠正使用。

如图2所示，各坐标系及参数定义如下：

1)云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y的定义为：由云台建立，云台水平安置，坐标系原点O^Y设定为云台旋转中心M，云台水平角起始方向(水平零方向)设定为Z^Y轴正方向，X^Y轴与Z^Y轴垂直，面X^YO^YZ^Y为水平面，Y^Y轴竖直向上为正方向，坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y为右手坐标系。(云台坐标系会随安置时水平零方向所指方向改变而改变，但在同一图像采集工程项目中，云台水平零方向唯一，即使设备安置多次，水平零方向在不同测站上可通过测站定向操作保持一致。)

2)测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W的定义为：由全站仪建立，全站仪水平安置，坐标系原点O^W设定在仪器中心，X^W轴、Z^W轴和Y^W轴分别平行于云台坐标系的X^Y轴、Z^Y轴和Y^Y轴。

3)图像采集设备的竖直角(即云台竖直角)定义为：摄影设备主光轴与其所在竖直平面内的水平方向之间的夹角，主光轴在水平位置时为竖直角起始位置，竖直角取值范围为[-90°,90°]，仰角为正，俯角为负；图像采集设备的水平角(即云台水平角)定义为：摄影设备主光轴在X^YO^YZ^Y平面(即水平面)上的投影与Z^Y轴之间的夹角，Z^Y轴正方向为水平角起始位置，水平角取值范围为[-90°,90°]，偏向X^Y轴正向为正，偏向X^Y轴负向为负。

4)云台旋转中心M在云台坐标系下坐标为(0,0,0)，云台旋转中心M在测量坐标系下坐标可利用已知坐标点确定，由于测量坐标系和云台坐标系的三个坐标轴分别平行，因此可确定云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间的平移参数[T_XT_Z T_Y]^T；可利用平移参数对云台坐标系坐标和测量坐标系坐标进行坐标转换。

5)摄影中心C在云台坐标系下坐标摄影中心C在测量坐标系下的坐标为/>和/>可利用云台坐标系坐标和测量坐标系平移参数对进行坐标转换。

如图3所示，为摄影成像关系示意图(俯视图)，根据相机成像原理目标成像位置为图中原始成像位置，根据几何对称关系可利用图中等效成像位置进行后续参数推导。

本发明实施例提供的集成式图像采集位姿参数标定方法包括：室外标定场布设、镜头内方位元素及畸变参数标定、测定云台旋转中心位置及云台旋转中心与摄影中心距离、精确确定图像采集设备位姿参数。

步骤1，室外检校场布设：包括确定目标平均拍摄距离、二维标定板布设、建立测量坐标系、标定板角点三维坐标测定。

假设目标建筑外观采集过程中平均拍摄距离为30m，相机CMOS尺寸选择为36mm×24mm，镜头选择定焦800mm镜头，对应物方拍摄区域约为1.35m×0.9m，标定板尺寸选择800mm×600mm。在室外空旷场地安置图像采集设备，以图像采集设备为中心，半径30米圆周位置上，每45°布设1块二维标定板，共8块标定板，标定板示意图如图4所示，标定板位置与图像采集设备位置关系示意图(俯视图)如图5所示，各标定板在高程方向上的位置可有所不同。8块标定板中可选择某一块用于内方位元素和畸变参数标定，所有标定板还会用于计算摄影中心坐标。

各标定板在用于计算摄影中心坐标时需预先测定标定板上各9个(至少3个)角点三维坐标，标定场地内图像采集设备旁安置全站仪并建立测量坐标系，测量坐标系的各坐标轴与云台坐标系相应坐标轴平行，在同一测站上测定各标定板上选取的角点的测量坐标系坐标。

步骤2，内方位元素及畸变参数标定：包括锁定镜头调焦环、利用二维标定板标定镜头内方位元素并计算畸变参数，获取的各项参数用于图像的畸变纠正和提供正射纠正过程中摄影设备的内方位元素。

选定某一块标定板进行畸变参数标定，将摄影设备在此标定板方向上进行调焦，使标定板清晰成像，并锁定调焦环，后续标定及实际图像采集过程中均不能再调节调焦环。按照相机畸变参数及内方位元素的标定流程完成整个标定过程，获取的畸变参数用于对后续采集到的所有图像进行畸变纠正，内方位元素用于后续正射纠正过程。

步骤3，测定云台旋转中心位置及云台旋转中心与摄影中心距离：包括利用图像采集设备在不同水平角和竖直角情况下拍摄二维标定板，利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备摄影中心位置，利用多个摄影中心位置拟合云台旋转中心位置，并计算云台旋转中心与摄影中心距离。

首先，计算云台旋转中心M的测量坐标系坐标分别将相机对准8块标定板的方向对标定板进行拍照，利用各标定板上测定的9个角点的三维坐标，在8个方向上分别利用空间后方交会原理计算摄影中心三维坐标/>i＝1,2,3,…,8。如图6所示，利用求出的8个摄影中心三维坐标进行圆球拟合，并计算球心坐标，该球心坐标即为云台旋转中心M的测量坐标系坐标/>

其次，计算摄影中心C与云台旋转中心M的距离m_Δ。计算m_Δ时，利用云台旋转中心的坐标和8个摄影中心的坐标/>计算云台旋转中心和摄影中心距离

则/>

步骤4，精确确定图像采集设备位姿参数：包括利用相机CMOS尺寸、相机检校成果、拍摄距离等已知信息计算以摄影中心和云台中心为旋转中心情况下，相机拍摄相同目标时设备旋转角度之间的转换关系及云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标。

步骤4.1，计算云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标

首先，计算摄影中心C在云台旋转水平角γ_H和竖直角γ_V后的位置C′在云台坐标系下的坐标

如图2所示，CM的长度m_Δ在步骤3.2中已经求出，根据云台坐标系中的几何关系摄影中心C在旋转水平角γ_H和竖直角γ_V后，C′坐标可表示为：

公式(1)仅适用图2所示情况，当γ_H和竖直角γ_V后取不同正负角度时，公式(1)需对的符号进行讨论。

其次，计算摄影中心C′在测量坐标系下的坐标利用云台坐标系与测量坐标系之间的平移参数将摄影中心C′在云台坐标系下的坐标/>转换为测量坐标系下坐标/>

最后，γ_H和γ_V为以云台旋转的水平角和竖直角，摄影方案设计中通常给出相机以摄影中心为中心进行旋转的水平角α_H和竖直角α_V，因此还需分别推导γ_H与α_H及γ_V与α_V之间的转换关系。

步骤4.2，利用摄影中心C与云台旋转中心M的距离m_Δ、相机CMOS尺寸、相机内方位元素及畸变参数标定结果、拍摄距离等已知信息，计算相机分别以摄影中心C和以云台旋转中心M为中心进行旋转情况下，图像上的相同位置拍摄到同一目标需旋转角度之间的关系。

首先，计算水平旋转情况下，相机以摄影中心C_H为中心的旋转角度α_H和云台的旋转角度γ_H之间的关系。

如图7所示，图7-a为水平旋转情况下相机以摄影中心为旋转中心和以云台中心为旋转中心的成像位置关系示意图，图7-b为计算参数说明。

C_H为摄影中心，M_H为云台旋转中心，P_H为目标点，C_HN_H为主光轴。相机CMOS宽度为2w，相机主距为f，β_H为相机水平视场角的二分之一，β_H可表示为：

β_H＝arctan(w/f) (2)

建立临时平面直角坐标系，原点O_H设定在摄影中心C_H处，C_HN_H为y轴(朝向目标方向为正方向)，垂直于C_HN_H方向为x轴(水平向右为正方向)，建立坐标系x_HO_Hy_H；P_H到摄影中心的水平距离为L_H，L_H可利用P_H点的测量坐标系坐标和摄影中心的测量坐标系坐标计算得到。

P_H点的y坐标可表示为y_PH＝L_H·cos(α_H–β_H)，则P_H点的x坐标可由α_H、β_H及y_PH计算得出：

x_PH＝L_Htan(α_H-β_H) (3)

根据步骤3求出的M点(即云台旋转中心)位置可知，O_HM_H＝m_Δ，成像位置以M_H为中心旋转γ_H后，摄影中心C_H旋转至C′_H位置，则C′_H坐标可表示为：

直线C′_HP_H与y_H轴的夹角可表示为γ_H–β_H，则直线C′_HP_H的斜率k_H可表示为：

k_H＝cot(γ_H-β_H) (5)

令cotβ_H＝a_H，则

另，直线C′_HP_H过P_H点及C′_H点，则根据P_H和C′_H坐标可表示直线C′_HP_H斜率k′_H：

由k_H＝k′_H，可解出γ_H与α_H的关系，过程如下：

①由k_H＝k′_H可得，

②令tan(α_H–β_H)＝b_H，则由公式(8)可得：

进一步可得，

(a_Hm_H-a_HL_H+b_HL_H)sinγ_H+(a_Hb_HL_H-m_H+L_H)cosγ_H+m_Δ＝0 (10)

③令s_H＝a_Hm_Δ–a_HL_H+b_HL_H，t_H＝a_Hb_HL_H–m_Δ+L_H，带入(10)可得

s_Hsinγ_H+t_Hcosγ_H+m_Δ＝0 (11)

顾及sin²γ_H+cos²γ_H＝1，可解得

其次，计算竖直旋转情况下，以摄影中心C_V为旋转中心的旋转角度α_V和的旋转角度γ_V之间的关系。

如图8所示，图8-a为竖直旋转情况下相机以摄影中心为旋转中心和以云台中心为旋转中心的成像位置关系示意图，图8-b为计算参数说明。

C_V为摄影中心，M_V为云台旋转中心，P_V为目标点，C_VN_V为主光轴。相机CMOS高度为2h，相机主距为f，β_V为相机垂直视场角的二分之一，β_V可表示为

β_V＝arctan(h/f) (13)

建立临时平面直角坐标系，原点O_V设定在摄影中心C_V处，C_VN_V为x_V轴(朝向目标方向为正方向)，垂直于C_VN_V方向为y_V轴(竖直向上为正方向)，建立坐标系x_VO_Vy_V；P_V到摄影中心的距离为L_V，L_V可利用P_V点的测量坐标系坐标和摄影中心的测量坐标系坐标计算得到。

P_V点的x坐标可表示为x_PV＝L_V·cos(α_V–β_V)，则P_V点的y坐标可由α_V、β_V及x_PV计算得出：

x_PV＝L_Vtan(α_V-β_V) (14)

根据步骤3求出的M点(即云台旋转中心)位置可知，O_VM_V＝m_Δ，成像位置以M_V为中心旋转γ_V后，摄影中心O_V旋转至C′_V位置，则C′_V坐标可表示为：

直线C′_VP_V与y_V轴的夹角可表示为γ_V–β_V，则直线C′_VP_V的斜率k_V可表示为：

k_V＝tan(γ_V-β_V) (16)

令tanβ_V＝a_V，则

另，直线C′_VP_V过P_V点及C′_V点，则根据P_V和C′_V坐标可表示直线C′_VP_V斜率k′_V：

由k_V＝k′_V，可解出γ_V与α_V的关系，过程如下：

①由k_V＝k′_V可得，

②令tan(α_V–β_V)＝b_V，则由公式(19)可得：

进一步可得，

(m_Δ-L+a_Vb_VL_V)sinγ_V+(-a_Vm_Δ+a_VL_V-b_VL_V)cosγ_V+a_Vm_Δ＝0 (21)

③令s_V＝m_Δ–L_V+a_Vb_VL_V，t_V＝–a_Vm_Δ+a_VL_V–b_VL_V，带入(21)可得

s_Vsinγ_V+t_Vcosγ_V+a_Vm_Δ＝0 (22)

顾及sin²γ_V+cos²γ_V＝1，可解得

利用以上过程，可以得到相机分别以摄影中心和云台旋转中心为中心进行旋转情况下，图像上相同位置拍摄到相同目标需旋转角度之间的转换关系，可方便摄影方案设计过程和设备操作过程的角度转换工作；设备旋转后摄影中心的测量坐标系坐标，可供后续正射纠正过程使用。

具体实施时，可采用计算机软件技术实现流程的自动化运行，得到精确的计算结果。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法,其特征在于，

所述集成式图像采集设备包括：高精度整平基座、固定环、三脚架、长焦定焦镜头、高分辨率相机、高精度数控云台、控制终端；

所述控制终端分别与所述的高分辨率相机、高精度数控云台通过有线方式依次连接；

所述高分辨率相机与所述长焦定焦镜头连接，

所述长焦定焦镜头通过所述固定环安装在所述高精度数控云台；

所述高精度数控云台下方安装所述高精度整平基座；

所述高精度整平基座连接在所述三脚架上；

所述控制终端控制所述高分辨率相机采集图像，并将采集的图像传输至控制终端；

所述控制终端控制所述高精度数控云台旋转；

所述位姿参数标定方法包括以下步骤：

步骤1，室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪，利用全站仪建立测量坐标系，并在一测站上测定每块二维标定板的K个角点的测量坐标系坐标；

步骤2，选定任意一块二维标定板分别按照相机畸变参数标定方法得到相机畸变参数、相机内方位元素标定方法得到相机内方位元素，获取的相机畸变参数用于对图像采集设备采集的所有图像进行畸变纠正，获取的相机内方位元素用于对图像采集设备采集的图像正射纠正过程；

步骤3，控制终端利用高分辨率相机在不同水平角和竖直角情况下拍摄二维标定板，利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标，利用各摄影中心的测量坐标系坐标拟合高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标，进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离；

步骤4，引入所述高分辨率相机的CMOS尺寸、高分辨率相机主距、步骤3所述高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离，构建所述高精度数控云台水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，构建所述高精度数控云台竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度之间的关系模型，计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标。

2.根据权利要求1所述的基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法,其特征在于，步骤1所述室外检校场布设所述图像采集设备、二维标定板以及安置全站仪为：

在室外空旷场地安置所述图像采集设备，以所述图像采集设备为圆心，半径为平均拍摄距离的圆周位置上，每隔角度θ布设一块二维标定板，共N＝360°/θ块标定板，在所述图像采集设备L范围内位置放置全站仪；

步骤1所述利用全站仪建立测量坐标系为：

利用全站仪建立测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W，测量坐标系的各坐标轴与云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y相应坐标轴平行；

步骤1所述在一测站上测定每块二维标定板的K个角点的测量坐标系坐标为：

利用全站仪在一测站上测定每块二维标定板上至少K个角点的测量坐标系坐标。

3.根据权利要求1所述的基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法,其特征在于，步骤2所述根据选定的二维标定板进行调焦为：

使标定板清晰成像，并锁定调焦环，后续标定及图像采集过程中均不能再调节调焦环；

步骤2所述相机内方位元素具体为：高分辨率相机主距及像主点的图像坐标系坐标。

4.根据权利要求1所述的基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法,其特征在于，步骤3所述利用各标定板上角点的三维坐标计算图像采集设备各摄影中心的测量坐标系坐标为：

所述控制终端控制高精度数控云台旋转，将长焦定焦镜头分别对准所述N块二维标定板的方向对二维标定板进行拍照，利用各二维标定板上测定的至少K个角点的测量坐标系坐标，在N个方向上分别利用空间后方交会原理计算N个摄影中心的测量坐标系坐标

表示第i个摄影中心的测量坐标系坐标；

其中，表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算云台旋转中心M的测量坐标系坐标为：

利用求出的N个摄影中心的测量坐标系坐标进行圆球面拟合，具体如下：

进一步通过最小二乘法计算球心坐标为R为圆球半径，所述球心坐标即为高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标/>

其中，表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

步骤3所述计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心距离的距离为：

利用高精度数控云台旋转中心的测量坐标系坐标和N个摄影中心的测量坐标系坐标，计算高精度数控云台旋转中心和各摄影中心距离m_Δi：

其中，表示高精度数控云台旋转中心和第i个摄影中心距离；

表示第i个摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示第i个摄影中心的测量坐标系Z轴坐标；

表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Y轴坐标，/>表示高精度数控云台旋转中心的测量坐标系Z轴坐标；

进一步计算高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离m_Δ为：

5.根据权利要求1所述的基于集成式图像采集设备的位姿参数标定方法,其特征在于，步骤4所述水平旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度与高精度数控云台的旋转角度γ_H之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_H＝a_Hm_Δ–a_HL_H+b_HL_H，t_H＝a_Hb_HL_H–m_Δ+L_H，L_H表示目标点到摄影中心的水平距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_H的测量坐标系Z轴坐标；

a_H＝cotβ_H，b_H＝tan(α_H–β_H)，β_H表示高分辨率相机水平视场角的二分之一；

β_H＝arctan(w/f)，w表示高分辨率相机CMOS宽度的二分之一，f表示高分辨率相机主距；

步骤4所述竖直旋转情况下高分辨率相机以摄影中心为中心的旋转角度α_V与高精度数控云台的旋转角度γ_V之间的关系模型为：

其中，m_Δ表示高精度数控云台旋转中心与摄影中心的距离；

s_V＝m_Δ–L_V+a_Vb_VL_V，t_V＝–a_Vm_Δ+a_VL_V–b_VL_V，L_V为目标点到摄影中心的空间距离；

表示摄影中心的测量坐标系X轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示摄影中心的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系X轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标，/>表示目标点P_V的测量坐标系Z轴坐标；

a_V＝tanβ_V，b_V＝tan(α_V–β_V)，β_V表示高分辨率相机垂直视场角的二分之一；

β_V＝arctan(h/f)，h表示高分辨率相机CMOS高度的二分之一，f表示高分辨率相机主距；

步骤4所述计算高精度数控云台旋转后摄影中心的测量坐标系坐标为：

其中，C′表示摄影中心在高精度数控云台旋转水平角γ_H和竖直角γ_V后的位置，表示C′的测量坐标系X轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标，/>表示C′的测量坐标系Z轴坐标；

m_Δ表示高精度数控云台旋转中心和摄影中心的距离；

[T_X T_Z T_Y]^T表示云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间的平移参数，T_X表示云台坐标系原点在测量坐标系X轴方向的平移参数，T_Y表示云台坐标系原点在测量坐标系Y轴方向的平移参数，T_Z表示云台坐标系原点在测量坐标系Z轴方向的平移参数；

[T_X T_Z T_Y]^T的计算方式为：

高精度数控云台旋转中心M在云台坐标系下坐标为(0,0,0)，在测量坐标系下坐标由步骤3确定，由于测量坐标系和云台坐标系的三个坐标轴分别平行，因此云台坐标系O^Y-X^YY^YZ^Y与测量坐标系O^W-X^WY^WZ^W之间为平移关系，平移参数[T_X T_Z T_Y]^T可表示为：