CN115018924A - 一种水下相机的关键参数标定方法 - Google Patents

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冯常
何胜波
蔡根
吴国强
廖礼斌
程勇
杨丽
陈志波
张志刚
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Abstract

本发明公开了一种水下相机的关键参数标定方法，属于水下成像技术领域。水下相机主要由相机、水下密封舱、密封平板玻璃组成，由于多介质折射的影响，水下相机成像模型与空气中有所不同。相机镜头焦点与“玻璃‑空气”界面间的距离是水下相机成像模型的关键参数，而该参数无法直接测得。本发明的标定方法借助距离已知的两空间点，实现对相机镜头焦点与“玻璃‑空气”界面间的距离参数的标定，该方法简便有效，有利于消除水下图像的畸变。

Description

一种水下相机的关键参数标定方法
技术领域
本发明属于水下视觉测量领域，具体涉及一种水下相机的关键参数标定方法。
背景技术
水下平台、水下考古、水下生物监测、水下管道检测、核电堆芯水下监控等工作均需通过水下相机来实现水下视频检查。水下视频观测是水下探测的重要方法，水下相机成像与空气中不同，除了水的吸收散射引起的图像质量下降外，更重要的是水下目标所对应的光线在传播过程中经过“水-玻璃窗-空气”多种折射率不同的介质，因此水下相机所获取的图像会产生严重变形，从而降低基于图像的二维尺寸测量精度。为了降低水下相机在水下工作时引入的成像畸变，目前常用的方法主要有两种，第一种方法是一种近似方法，认为相机在水下工作时其焦距约为空气中的1.33倍，进而建立成像模型；另一种方法是通过光线追迹的方式精确的建立水下相机成像模型，但这类方法通常忽略玻璃窗的厚度对成像模型的影响，并需要在水中完成相关关键参数的标定。
水下相机成像模型为玻璃折射率ng、水介质折射率nw、玻璃的厚度t、相机镜头的焦距f、玻璃-空气界面与相机镜头焦点间的距离d的函数。玻璃折射率ng、水介质折射率nw为常数，玻璃厚度可由千分尺测得，而相机镜头的焦距f可在空气中通过张正友标定法标定获得。然而相机镜头焦点与“玻璃-空气”界面间的距离d作为关键参数则为一未知数，难以直接测得，需要进一步标定获得。
发明内容
本发明目的旨在解决以上问题，提供一种水下相机的关键参数标定方法，其目的在于能够高精度的标定出水下相机的相机镜头焦点与“玻璃-空气”界面间的距离参数。
一种水下相机的关键参数标定方法，包括以下步骤：
步骤A.在空气中通过张正友标定法获取未安装密封玻璃的相机的内部参数fx,fy,cx,cy；fx,fy分别为焦距f在成像平面上的像素数，cx,cy分别为相机主点在像素坐标系下的坐标值。
步骤B.安装密封玻璃至相机前端，并将世界坐标系建立在相机光轴与密封玻璃界面处；
步骤C.将棋盘格标定板垂直相机光轴放置，并测得棋盘格在世界坐标系Z轴下的坐标值ZW；棋盘格上任意两角点在世界坐标系下的坐标值为P1(Rw1,Zw)和P2(Rw2,Zw)，两者间的距离为已知值L12；
步骤D.启动相机并采集棋盘格图像，上述两角点P1,P2在相机图像坐标系下的坐标值分别为(x1,y1)和(x2,y2)，计算出两角点间的距离为S12；
步骤E.由L12与S12相等，计算出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d；
步骤F.选取多组棋盘格上的角点作为计算输入，采用最小二乘法可求解出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d的最优解。
进一步地，所述步骤D中水下相机成像模型如下：
Figure BDA0003652453530000021
Figure BDA0003652453530000022
上式中，t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，xi及yi分别为点P在图像坐标系下的坐标值，Rw为P点与世界坐标系Z轴间的距离，Ri为P点在图像坐标系下与相机主点间的距离。
进一步地，所述步骤E中具体的计算方法如下：
Figure BDA0003652453530000023
Figure BDA0003652453530000024
Figure BDA0003652453530000025
Figure BDA0003652453530000026
Figure BDA0003652453530000027
Figure BDA0003652453530000028
Figure BDA0003652453530000031
上式中，t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，x1及y1分别为点P1在图像坐标系下的坐标值，R1为P1点在图像坐标系下与相机主点间的距离，x2及y2分别为点P2在图像坐标系下的坐标值，R2为P2点在图像坐标系下与相机主点间的距离。
本发明的有益效果是：使用上述一种基于结构光三维测量的水下三维测量数据校正方法对水下待测物进行测量时，该方法具有无需在水下标定的优势，即在空气中即可标定出水下相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离，并可将该标定值应用于水下相机模型中。
附图说明
图1是本发明的水下相机的关键参数标定方法所用装置示意图；
图2是本发明的水下相机的关键参数标定方法的流程框图；
图3是本发明的水下相机成像模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合具体实例和附图对本发明进一步说明。
如图1所示，水下相机主要由相机、密封玻璃组成，由于多介质折射的影响，水下相机成像模型与空气中有所不同。相机镜头焦点与“玻璃-空气”界面间的距离d是水下相机成像模型的关键参数。
本发明所提供的一种水下相机的关键参数标定方法，其用于标定距离d，具体流程如图2所示，具体步骤如下：
步骤A.在空气中通过张正友标定法获取未安装密封玻璃的相机的内部参数fx,fy,cx,cy；fx,fy分别为焦距f在成像平面上的像素数，cx,cy分别为相机主点在像素坐标系下的坐标值。
步骤B.如图1所示，安装密封玻璃至相机前端，并将世界坐标系建立在相机光轴与密封玻璃界面处；
步骤C.将棋盘格状的标定板垂直相机光轴放置，并测得棋盘格在世界坐标系Z轴下的坐标值Zw。棋盘格上任意两角点在世界坐标系下的坐标值为P1(Rw1,Zw)和P2(Rw2,Zw)，两者间的距离为已知值L12,Rw1两Rw2分别为P1、P2点与世界坐标系Z轴间的距离。
步骤D.启动相机并采集棋盘格图像，上述两角点P1,P2在相机图像坐标系下的坐标值分别为(x1,y1)和(x2,y2)，由水下相机成像模型可计算出两角点间的距离为S12；
如图3所示，水下相机成像模型如下，图中t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，na为玻璃折射率，(Rw,Zw)为世界坐标系下P点的坐标值，(Rg2,Zg2)为P点成像光路与密封玻璃前端交点，(Rg1,Zg1)为点(Rw,Zw)成像光路与密封玻璃后端交点，Ri为P点在图像坐标系下与相机主点间的距离。
Figure BDA0003652453530000041
Figure BDA0003652453530000042
两角点间的距离为S12计算方法如下：
Figure BDA0003652453530000043
Figure BDA0003652453530000044
Figure BDA0003652453530000045
Figure BDA0003652453530000046
Figure BDA0003652453530000047
Figure BDA0003652453530000048
Figure BDA0003652453530000049
上式中，t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，xi及yi分别为点P在图像坐标系下的坐标值，Rw为P点与世界坐标系Z轴间的距离，Ri为P点在图像坐标系下与相机主点间的距离；d为相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离。
步骤E.由L12与S12相等，计算出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d；
Figure BDA00036524535300000410
步骤F.选取多组棋盘格上的角点作为计算输入，采用最小二乘法可求解出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d的最优解。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明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保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下相机的关键参数标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A.在空气中通过张正友标定法获取未安装密封玻璃的相机的内部参数fx,fy,cx,cy；其中，fx,fy分别为焦距f在成像平面上的像素数，cx,cy分别为相机主点在像素坐标系下的坐标值；
步骤B.安装密封玻璃至相机前端，并将世界坐标系建立在相机光轴与密封玻璃界面处；
步骤C.将棋盘格状的标定板垂直相机光轴放置，并测得棋盘格在世界坐标系Z轴下的坐标值Zw；棋盘格上任意两角点在世界坐标系下的坐标值为P1(Rw1,Zw)和P2(Rw2,Zw)，两点间的距离为已知值L12，Rw1两Rw2分别为P1、P2点与世界坐标系Z轴间的距离；
步骤D.启动相机并采集棋盘格图像，上述两角点P1,P2在相机图像坐标系下的坐标值分别为(x1,y1)和(x2,y2)，由水下相机成像模型可计算出两角点间的距离为S12；
步骤E.由L12与S12相等，计算出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d；
步骤F.选取多组棋盘格上的角点作为计算输入，采用最小二乘法可求解出相机镜头焦点与“玻璃-空气界面”界面间的距离d的最优解。
2.根据权利要求1所述的一种水下相机的关键参数标定方法，其特征在于：所述步骤D中水下相机成像模型如下：
Figure FDA0003652453520000011
Figure FDA0003652453520000012
上式中，t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，xi及yi分别为点P在图像坐标系下的坐标值，Rw为P点与世界坐标系Z轴间的距离，Ri为P点在图像坐标系下与相机主点间的距离。
3.根据权利要求2所述的一种水下相机的关键参数标定方法，其特征在于：所述步骤E中具体的计算方法如下：
Figure FDA0003652453520000013
Figure FDA0003652453520000021
Figure FDA0003652453520000022
Figure FDA0003652453520000023
Figure FDA0003652453520000024
Figure FDA0003652453520000025
Figure FDA0003652453520000026
上式中，t为玻璃厚度，nw为水的折射率，f为相机焦距，ng为玻璃折射率，x1及y1分别为点P1在图像坐标系下的坐标值，R1为P1点在图像坐标系下与相机主点间的距离，x2及y2分别为点P2在图像坐标系下的坐标值，R2为P2点在图像坐标系下与相机主点间的距离。
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