寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法，首先利用張氏標(biāo)定法，通過平面標(biāo)定板完成相機(jī)內(nèi)參的標(biāo)定；而后在著陸跑道上各相機(jī)公共視野區(qū)域選定八個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，利用全站儀離線精確測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的世界坐標(biāo)；進(jìn)行標(biāo)定時(shí)在基準(zhǔn)點(diǎn)位置放置合作標(biāo)志燈，通過檢測(cè)合作標(biāo)志燈精確計(jì)算各相機(jī)的位姿。該方法考慮到了無人機(jī)著陸場(chǎng)景中的復(fù)雜自然場(chǎng)景特點(diǎn)以及可見光相機(jī)本身的物理感光特性，設(shè)計(jì)使用強(qiáng)光手電作為可見光相機(jī)的合作標(biāo)志燈；在著陸跑道上設(shè)置了8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)并利用全站儀對(duì)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行10-6m級(jí)的空間精度測(cè)量。標(biāo)定結(jié)果精確，圖像上的重投影誤差達(dá)到0.5像素以下。
【專利說明】寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相機(jī)位姿估計(jì)方法，特別是用于無人機(jī)自主著陸地面引導(dǎo)系統(tǒng)中寬基線可見光相機(jī)的位姿估計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)航是近年來迅速發(fā)展起來的新型導(dǎo)航技術(shù)，與傳統(tǒng)的基于慣性的和基于GPS的導(dǎo)航技術(shù)相比，具有自成體系、不易受干擾、無時(shí)間累積誤差、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)自主著陸地面引導(dǎo)系統(tǒng)特指測(cè)量相機(jī)安裝于地面跑道上的引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立的一個(gè)重要工作是對(duì)大場(chǎng)景、寬基線條件下的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定。
[0003]文獻(xiàn)“RobustMult1-View Camera Calibrat1n for Wide-Baseline CameraNetworks, WACV，2011:321-328”提出了一種針對(duì)寬基線多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定方法。該方法首先利用仿射不變圖像特征將各相機(jī)拍攝的圖像序列映射至一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，然后在映射過的圖像中提取尺度不變圖像特征，最后利用光束平差法(Bundle Adjustment)對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。就無人機(jī)自主著陸系統(tǒng)而言，基于自然場(chǎng)景的圖像特征的方法會(huì)受到天氣、光照等不可預(yù)知環(huán)境因素的影響，難以直接應(yīng)用于室外復(fù)雜環(huán)境中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種寬基線可見光相機(jī)的位姿估計(jì)方法。
[0006]技術(shù)方案
[0007]一種寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1:采用張氏標(biāo)定法對(duì)各個(gè)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定:使用黑白相間的二維棋盤格作為內(nèi)參數(shù)標(biāo)定靶標(biāo)，將相機(jī)放置于10-15個(gè)不同位姿并拍攝靶標(biāo)，所得圖像作為標(biāo)定用圖像，在標(biāo)定用圖像上執(zhí)行角點(diǎn)檢測(cè)，根據(jù)單應(yīng)矩陣H建立角點(diǎn)在標(biāo)定用圖像和棋盤格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)單應(yīng)矩陣H進(jìn)行分解并利用向量IV r2的單位正交性對(duì)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣K進(jìn)行初始估計(jì)，然后用非線性優(yōu)化方法對(duì)K進(jìn)行精確估計(jì)并對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定:

【權(quán)利要求】
1.一種寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:采用張氏標(biāo)定法對(duì)各個(gè)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定:使用黑白相間的二維棋盤格作為內(nèi)參數(shù)標(biāo)定靶標(biāo)，將相機(jī)放置于10-15個(gè)不同位姿并拍攝靶標(biāo)，所得圖像作為標(biāo)定用圖像，在標(biāo)定用圖像上執(zhí)行角點(diǎn)檢測(cè)，根據(jù)單應(yīng)矩陣H建立角點(diǎn)在標(biāo)定用圖像和棋盤格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)單應(yīng)矩陣H進(jìn)行分解并利用向量IV r2的單位正交性對(duì)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣K進(jìn)行初始估計(jì)，然后用非線性優(yōu)化方法對(duì)K進(jìn)行精確估計(jì)并對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定:
其中U，V為角點(diǎn)的像素坐標(biāo)，X，Y為角點(diǎn)在棋盤格上的空間坐標(biāo)，r1； r2, t為棋盤格的位置姿態(tài)； 步驟2:計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)的在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo):選擇8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在跑道上，其中基準(zhǔn)點(diǎn)2指向基準(zhǔn)點(diǎn)I的方向?yàn)閅軸正方向，并以兩基準(zhǔn)點(diǎn)的中點(diǎn)定位為無人機(jī)的擬定著陸點(diǎn)，即世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿跑道方向?yàn)閄軸，豎直向上為Z軸,坐標(biāo)系滿足右手坐標(biāo)規(guī)則；在基準(zhǔn)點(diǎn)位置放置全站儀的棱鏡，使用全站儀精確測(cè)量8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算全站儀坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系在XoY平面的二維旋轉(zhuǎn)與平移變換，所述的旋轉(zhuǎn)矩陣R:
其中P21為基準(zhǔn)點(diǎn)1、2兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)，ρY為世界坐標(biāo)系Y軸方向的方向向量，Θ為旋轉(zhuǎn)的角度； 所述的平移向量T:
其中[X1 Y1 Z1Jt為基準(zhǔn)點(diǎn)I的在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，[X2 Y2 Z2Jt為基準(zhǔn)點(diǎn)2在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； 步驟3:獲取基準(zhǔn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo):在8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)處放置合作標(biāo)志燈，利用可見光相機(jī)對(duì)合作標(biāo)志燈進(jìn)行拍攝并采用手工選點(diǎn)的方式獲取基準(zhǔn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)； 步驟4:利用DLT算法計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)平面與攝像機(jī)成像平面之間的單應(yīng)變換H，將單應(yīng)矩陣H分解為旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T,通過Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法求取R和T的精確值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬基線可見光相機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于所述的8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)選取方式如下: 基準(zhǔn)點(diǎn)1、2:基準(zhǔn)點(diǎn)2指向基準(zhǔn)點(diǎn)I的方向?yàn)閅軸正方向，基準(zhǔn)點(diǎn)1、2兩點(diǎn)連線I12中點(diǎn)為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，I12長(zhǎng)度為8m ； 基準(zhǔn)點(diǎn)3、4:基準(zhǔn)點(diǎn)3、4的連線I34與基準(zhǔn)點(diǎn)1、2的連線I12平行，I12與I34之間的垂直距離為30m, I34長(zhǎng)度為8m ； 基準(zhǔn)點(diǎn)5、6:基準(zhǔn)點(diǎn)5、6的連線I56與基準(zhǔn)點(diǎn)1、2的連線I12平行，I12與I56之間的垂直距離為60m, I56長(zhǎng)度為8m ； 基準(zhǔn)點(diǎn)7、8:基準(zhǔn)點(diǎn)3、4的連線I78與基準(zhǔn)點(diǎn)1、2的連線I12平行，I12與I78之間的垂直距離為100m, I78長(zhǎng)度為8mο
【文檔編號(hào)】G01C11/04GK104200086SQ201410421652
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】張艷寧, 楊濤, 張曉強(qiáng), 陳挺, 余瑞, 冉令燕, 卓濤 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)