采用柔性靶標高速攝相機近景大視場標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機視覺測量領(lǐng)域，涉及一種風洞環(huán)境目標近景大視場測量時相機 標定用靶標以及相應(yīng)的標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著空天技術(shù)的不斷發(fā)展，國防工業(yè)對空天戰(zhàn)略裝備提出了越來越高的 精度指標和技術(shù)要求，風洞模擬實驗技術(shù)作為一種有效的模擬手段為飛行器的設(shè)計制造提 供有效的數(shù)據(jù)支撐。視覺測量技術(shù)以其非接觸、高精度、實時性強、高適應(yīng)性的優(yōu)點被廣泛 的用于風洞模擬實驗中。相機標定是視覺測量的第一步也是最為關(guān)鍵的一步，相機的標定 精度直接影響到最終的視覺測量精度。在一般測量時使用的鏡頭有較小的畸變。但在近景 大視場測量時不可避免的會使用廣角鏡頭，導致相機成像時存在很大畸變，并最終影響視 覺測量精度。因此，實現(xiàn)近景大視場相機高精度標定對提高我國飛行器設(shè)計制造水平和國 防實力具有重要推動意義。
[0003] 中國空氣動力研宄與發(fā)展中心高速空氣動力研宄所的黃敘輝發(fā)明的專利號為CN 10215416A"風洞試驗中模型姿態(tài)角測量的多相機動態(tài)標定方法"發(fā)明了一種基于粘貼在 風動內(nèi)壁標志點的風洞多相機動態(tài)測量方法，該方法通過建立風洞運行時標志點隨溫度的 關(guān)聯(lián)模型進行標志點位置補償，利用共線方程進行攝相機標定。該方法的雖能實現(xiàn)相機的 動態(tài)標定，但是標定用標志點沒有設(shè)置在待測模型附近，標定后的參數(shù)不能精確表達被測 物體處的實際成像規(guī)律，測量精度不高。上海理工大學的隋國榮等人發(fā)明的專利號為CN 103473771A"一種攝相機標定方法"發(fā)明了基于內(nèi)接正八邊形標定物的相機標定方法。通 過利用相機在三個不同角度拍攝標定物圖像，利用攝影和幾何原理完成相機標定。該方法 在標定相機時雖考慮了成像畸變的影響，但使用的標定物未能充滿整個測量視場，因此所 標定出的相機的成像畸變不能反映整張圖像真實畸變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了采用柔性靶標高速攝相 機近景大視場標定方法。根據(jù)近景大視場測量要求設(shè)計柔性靶標，柔性靶標內(nèi)區(qū)域由平面 棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，此平面棋盤網(wǎng)格由黑白相間的網(wǎng)格交錯拼接而成，其角點距離已知。靶標外 部區(qū)域采用自由相交的十字靶桿，其上分布距離已知的編碼標志點。標定時考慮成像畸變 影響，內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣標定相機，外區(qū)域采用編碼標志點間的等距離約束標定高速 攝相機。由于二維靶標和三維標定塊制造價格昂貴、加工精度難以保證、維護不方便。采用 柔性靶標簡單，拆卸方便，有效的降低了靶標制造成本。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種采用柔性靶標高速攝相機近景大視場標定方法， 其特征是，該方法采用柔性靶標充滿整個標定視場進行標定，靶標內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤 網(wǎng)格組成，棋盤網(wǎng)格角點距離已知，靶標外部區(qū)域為自由相交的十字靶桿，其上分布距離已 知的編碼標志點；標定時利用靶標不同區(qū)域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區(qū)域 分約束標定，將靶標充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發(fā)高速攝相機獲取靶標圖像，靶標 內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣進行標定，外區(qū)域利用編碼標志點的距離約束進行標定；標定方法 具體步驟如下：
[0006] (1)柔性靶標設(shè)計
[0007] 柔性靶標為十字靶桿，分成內(nèi)、外兩個區(qū)域，柔性靶標內(nèi)區(qū)域6為矩形，在內(nèi)區(qū)域6 上貼有平面棋盤網(wǎng)格5,平面棋盤網(wǎng)格5由黑白相間網(wǎng)格拼接成，每個網(wǎng)格角點7之間的距 離已知；柔性靶標外區(qū)域3由上下垂直的十字靶桿構(gòu)成，十字靶桿上面均勻分布若干個編 碼標志點4,編碼標志點依據(jù)不同形狀相互區(qū)分，各編碼標志點之間的中心距離d為定值；
[0008] (2)柔性靶標圖像處理
[0009] 柔性靶標圖像處理包括編碼標志點4的檢測、中心定位以及網(wǎng)格角點7的提?。槐?發(fā)明采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經(jīng)過解碼識別每個編碼標志點4,利用灰 度重心法定位編碼標志點中心坐標：
【主權(quán)項】
1. 一種采用柔性祀標高速攝相機近景大視場標定方法，其特征是，該方法采用柔性祀 標充滿整個標定視場進行標定，祀標內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，棋盤網(wǎng)格角點之間 的距離已知，祀標外部區(qū)域為相互垂直的十字祀桿，其上均勻分布若干個距離已知的編碼 標志點；標定時利用祀標不同區(qū)域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區(qū)域分約束標 定，將祀標充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發(fā)高速攝相機獲取祀標圖像，祀標內(nèi)區(qū)域利 用單應(yīng)性矩陣進行標定，外區(qū)域利用編碼標志點的距離約束進行標定；標定方法具體步驟 如下： (1) 柔性祀標設(shè)計 柔性祀標為十字祀桿，分成內(nèi)、外兩個區(qū)域，柔性祀標內(nèi)區(qū)域6為矩形，在內(nèi)區(qū)域6上貼 有平面棋盤網(wǎng)格5,平面棋盤網(wǎng)格5由黑白相間網(wǎng)格拼接成，每個網(wǎng)格角點7之間的距離已 知；柔性祀標外區(qū)域3由相互垂直的十字祀桿構(gòu)成，十字祀桿上面均勻分布若干個編碼標 志點4,編碼標志點依據(jù)不同形狀相互區(qū)分，各編碼標志點中屯、距離d為定值； (2) 柔性祀標圖像處理 柔性祀標圖像處理包括編碼標志點4的檢測、中屯、定位W及網(wǎng)格角點7的提??；本發(fā)明 采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經(jīng)過解碼識別每個編碼標志點4,利用灰度重 屯、法定位編碼標志點中屯、坐標：
其中，f(u，v)是（u，v)像素點處的灰度值，Q是編碼標志點4所在區(qū)域像素點集合， 而句是所提取編碼標志點4的中屯、坐標； 對于柔性祀標內(nèi)區(qū)域6上的網(wǎng)格角點7采用Harris角點檢測算子進行提取；在圖像中 屯、定義一個小窗口，將該窗口在像素（x，y)處移動，對于局部微小的像素變化量（u，v)相應(yīng) 的灰度變化量為：
其中，ly為灰度在X方向的偏導數(shù)，ly為灰度在y方向的偏導數(shù)，0(112,v2)為高階項，Q是2X2實對稱矩陣； 定義角點響應(yīng)函數(shù)R為： R=入1入廠k(入1+入2) 2 0) 其中，Ai、為Q經(jīng)過對角化后的兩個特征值，k為比例系數(shù)；Harris角點檢測算法 就是對角點響應(yīng)函數(shù)R進行闊值處理，R大于闊值時就得到了所提取的角點； (3)高速攝相機參數(shù)標定 進行近景大視場測量使用廣角鏡頭時，圖像成像崎變較大；采用帶有崎變的高速攝相 機成像模型，其表達式為：
式中，（u"，v。）為圖像的主點坐標，（Cx，Cy)為橫縱方向的等效焦距，R，T分別為高速攝 相機坐標系相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，（X，，Y，，Z，）為控制點在世界坐標系下的 坐標，M為高速攝相機內(nèi)參數(shù)矩陣，P為高速攝相機外參數(shù)矩陣，（u，v)為控制點在高速攝相 機平面上的像素坐標，（5 ,，5y)為像差在X，y方向的坐標； 將徑向像差和切向像差引入像差模型，其表達式如公式巧）：
其中，ki、k2中分別為第一階與第二階徑向崎變系數(shù)，Pi、P2為第一階和第二階切向崎變 參數(shù)；在考慮崎變的基礎(chǔ)上(；、(；、11。、乂。、^1^2、91、92構(gòu)成成像模型9個內(nèi)參數(shù)，3、1'構(gòu)成6 個獨立的外參數(shù)；根據(jù)柔性祀標內(nèi)外區(qū)域提供的不同的約束信息分別對高速攝相機進行標 定；W下分別對祀標內(nèi)外區(qū)域進行標定； 1)內(nèi)區(qū)域高速攝相機內(nèi)外參數(shù)標定 在進行完編碼標志點4中屯、定位與網(wǎng)格角點7提取的基礎(chǔ)上即可進行高速攝相機內(nèi)外 參數(shù)W及崎變參數(shù)的解算；祀標內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣進行標定，首先是高速攝相機內(nèi)參 數(shù)標定，由于大幅面測量時鏡頭崎變嚴重，采用非線性成像模型結(jié)合優(yōu)化算法進行高速攝 相機參數(shù)求解；為獲得良好的標定參數(shù)初值使高速相機參數(shù)達到全局收斂；本發(fā)明選取平 面棋盤網(wǎng)格5圖像中屯、小區(qū)域內(nèi)控制點結(jié)合非崎變模型估計內(nèi)外參數(shù)初值； 在祀標平面上建立坐標系，此時Z= 0在不考慮崎變的情況下高速攝相機投影模型 為：
其中，H=比1h2tg稱為相機的單應(yīng)性矩陣；IVr2分別為旋轉(zhuǎn)矩陣R的第一列和第 二列；t為平移矩陣組成的列向量捆旋轉(zhuǎn)矩陣具有rir2T=0與Mr 1II=||r2 II= 1的性 質(zhì)，對于高速攝相機拍攝單張圖像得到如下兩個約束：
高速攝相機有5個內(nèi)部參數(shù)，每張圖像可提供一張單應(yīng)性矩陣，通過高速攝相機在不 同位置獲取至少祀標S張圖片解算出隨后將Mi-tMi4進行化oleski分解得到內(nèi)參 數(shù)矩陣Ml;再由內(nèi)部參數(shù)和單應(yīng)性矩陣可分離出外參數(shù)R、T初值；將像差（5y，5y)引入到 成像模型中求解崎變初值；然后迭代優(yōu)化求解內(nèi)區(qū)域內(nèi)外參數(shù)W及崎變參數(shù)。 2)外區(qū)域高速攝相機內(nèi)外參數(shù)標定 外區(qū)域利用編碼標志點4的距離約束進行標定；依據(jù)祀標外區(qū)域3十字祀桿上編碼標 志點的距離約束標定高速攝相機，設(shè)兩編碼標志點4分別為和JC,'4，兩編碼標志點4之 間的距離為L則有如下方程：
其中，Ki、馬分別為第一個與第二個相機的內(nèi)參數(shù)矩陣；R、t為兩高速攝相機之間的旋 轉(zhuǎn)與平移矩陣；y為比例系數(shù)； 在標定外參數(shù)時，首先利用RANSAC算法根據(jù)高速攝相機之間的對應(yīng)點估計兩高速攝 相機間基本矩陣F，基本矩陣滿足下面的關(guān)系： m中m= 0 巧） 其中，mi(u。V。l)T，m/ = (<，V，1)T為編碼標志點4中屯、在左右高速攝相機平面上 的像點的齊次坐標；F為3X3秩為2矩陣，因此，基本矩陣F中有7個獨立的變量，故給定 一個對應(yīng)點的集合|i= 1，2,…，n}，當對應(yīng)點的數(shù)量n大于或等于7時，確定F矩 陣； 然后利用已知的編碼標志點4間的距離和高速攝相機的內(nèi)參數(shù)求解外參數(shù)初值；隨后 將崎變引入高速攝相機成像模型，求取崎變參數(shù)初值；最后建立重投影目標函數(shù)：
其中，m^k分別是第i幅祀標圖像十字祀桿上的第k個像點，Rw是第i幅圖像中外區(qū) 域3對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；tw分別第i幅圖像中外區(qū)域3對應(yīng)的平移矩陣，M。汾別是第i幅圖 像外區(qū)域3上第k個點的空間坐標;m化R。。t。。Mak)是由外區(qū)域3所確定的高速攝相機模 型求出的像點坐標，通過最小化該目標函數(shù)求解高速攝相機參數(shù)的最優(yōu)解。
【專利摘要】本發(fā)明采用柔性靶標高速攝相機近景大視場標定方法屬于計算機視覺領(lǐng)域，涉及一種風洞近景大視場雙目視覺相機標定方法。該方法采用柔性靶標充滿整個標定視場進行標定，靶標內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，棋盤網(wǎng)格角點之間的距離已知，靶標外部區(qū)域為相互垂直的十字靶桿，其上均勻分布若干個距離已知的編碼標志點。標定時利用靶標不同區(qū)域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區(qū)域分約束標定；標定靶標內(nèi)區(qū)域時，利用單應(yīng)性矩陣進行標定，而外區(qū)域利用編碼標志點的距離約束進行標定。本發(fā)明在降低成本的同時實現(xiàn)了操作的便攜性；在標定時由于采用分區(qū)域分約束相機標定方法，考慮不同區(qū)域的畸變量的大小，提高了標定精度。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號】CN104851104
【申請?zhí)枴緾N201510290364
【發(fā)明人】劉巍, 李肖, 陳玲, 馬鑫, 劉惟肖
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月29日