一種無人機攝像頭標定裝置、標定方法及流水線標定實現(xiàn)方法與流程

本發(fā)明涉及一種無人機攝像頭標定裝置、標定方法及流水線標定實現(xiàn)方法，特別是涉及一種適用于無人機流水化生產(chǎn)線的攝像頭標定裝置、標定方法及流水線標定實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

求解相機內(nèi)部參數(shù)的過程稱為攝像頭標定。攝像頭的標定的精度決定著攝像頭在應(yīng)用中的效果。在無人機對目標物體進行測量，規(guī)避障礙物，跟蹤目標時，對攝像頭標定的要求十分高。在無人機的搭載攝像頭裝配過程中，由于受批次工藝影響，存在裝配誤差，需要對攝像頭進行快速、高精度的標定。

基于平面標定板進行標定的張正友標定法因其簡便性得到了廣泛的應(yīng)用(Zhang Z.A Flexible New Technique for Camera Calibration[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis&Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334)。這種方法需要拍攝三張以上不同角度的照片，并需要在照片上需要人工指定幾個點的對應(yīng)。因此需要移動標定板或者攝像頭。在無人機攝像頭流水化裝配生產(chǎn)線上，

這種標定方法顯得繁瑣，并且難以實現(xiàn)自動化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無人機攝像頭標定裝置、標定方法及流水線標定實現(xiàn)方法，方法更加簡便，易于實現(xiàn)，尤其是在應(yīng)用到無人機流水化生產(chǎn)線上，能夠降低對生產(chǎn)線自動化的要求，同時更加快速實現(xiàn)標定。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種無人機攝像頭標定裝置，包括無人機固定平臺及平面標定板；所述無人機固定平臺用于對無人機進行固定，并且使無人機攝像頭CMOS平面與無人機固定平臺平行時，無人機攝像頭正對所述平面標定板；所述平面標定板為水平橫線和垂直豎線組成的網(wǎng)格平面標定板。

安裝無人機固定平臺，并將平面標定板固定安裝，使平面標定板與固定平臺縱向軸線垂直，將無人機固定在無人機固定平臺上，即使無人機攝像頭CMOS平面與無人機固定平臺平行時，平面標定板與無人機攝像頭CMOS平面的法線呈平行，拍攝一張平面標定板圖像。

作為優(yōu)選，所述無人機固定平臺上設(shè)置有卡槽，用于固定無人機，使每次無人機固定的相對位置相同。

作為優(yōu)選，所述網(wǎng)格平面標定板為國際象棋棋盤狀分布的平面標定板。

作為優(yōu)選，所述網(wǎng)格平面標定板為國際象棋黑白相間網(wǎng)格棋盤狀分布的平面標定板。

一種基于上述無人機攝像頭標定裝置的無人機攝像頭標定方法，包括：常規(guī)標定及常規(guī)標定修正；

所述常規(guī)標定為利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得該同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)；

常規(guī)標定修正為：將無人機固定在無人機固定平臺上后，其攝像頭對平面標定板進行拍照，對拍攝的標定圖像進行處理，利用平面標定板中間畸變較小部分的標定圖像，通過網(wǎng)格塊邊緣在圖像上的長度的變化，分析出網(wǎng)格板的幾何變換角度，根據(jù)幾何變換角度進而求出小角度旋轉(zhuǎn)矩陣R，實現(xiàn)對常規(guī)標定獲得的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的修正。

由于攝像頭在裝配過程中會存在一定的傾斜角度，因此攝像頭的CMOS平面和平面標定板的法線存在夾角，通過此步可以求出法線間的夾角。對拍攝的標定板圖像進行處理，利用平面標定板中間畸變較小部分的標定圖像，通過網(wǎng)格塊邊緣在圖像上的長度的變化，分析出網(wǎng)格板的幾何變換角度。

由于裝配過程存在的工藝問題，攝像頭的CMOS平面可能會發(fā)生一定角度的傾斜。如圖2所示，當CMOS平面由于傾斜，繞Z軸旋轉(zhuǎn)了α角度。原本拍攝出的標定板圖像應(yīng)如圖3左側(cè)所示效果，而因為CMOS平面的傾斜，標定板圖像將變?yōu)閳D3右側(cè)所示一邊長，一邊短的效果。若將傾斜角度α求出，則可以求出小角度旋轉(zhuǎn)矩陣R，就可以對攝像頭內(nèi)外參數(shù)以及畸變系數(shù)進行修正。

作為優(yōu)選，其中，利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的具體方法為：用無人機攝像頭對平面標定板進行不同角度，不同距離的拍攝，然后利用常規(guī)的張正友標定法對攝像頭進行標定，獲得攝像頭內(nèi)參、外參以及畸變系數(shù)。

如圖4所示，O為攝像機鏡頭，O₁為平面AB的中點，O₂為平面A'B'的中點。平面AB為平面標定板上的一個方形網(wǎng)格塊邊緣，長度為2a。當標定板傾斜α角度后，CD為傾斜標定板上方形網(wǎng)格塊邊緣。A'B'和C'D'分別為AB和CD在CMOS平面上的對應(yīng)成像。而B'D'為兩次成像的邊緣差距，其長度是可測量的，并記為x'，BD的長度記為x，OO₁長度記為l，OO₂長度記為l'，由此幾何關(guān)系可得到：

那么傾斜角度α則表示為：

作為優(yōu)選，根據(jù)幾何變換角度進而求出小角度旋轉(zhuǎn)矩陣R，實現(xiàn)對常規(guī)標定獲得的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的修正的具體方法為：

未考慮幾何變換角度的像點物理坐標經(jīng)過α角度的旋轉(zhuǎn)，就可以得到經(jīng)過角度修正后考慮畸變的像點物理坐標，將兩個物理坐標關(guān)系用矩陣相乘的形式可表達為

而理想小孔模型下像點的物理坐標和世界坐標之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

其中，α為幾何變換角度；[x_I,y_I,1]^T為未考慮幾何變換角度的像點物理坐標；[x_d,y_d,1]^T為考慮畸變的情況下像點的物理坐標；[x_p,y_p,1]^T為理想小孔模型下像點的物理坐標；R為小角度旋轉(zhuǎn)矩陣；[x_W,y_W,1]^T為世界坐標；[x_I,y_I,1]^T經(jīng)小角度旋轉(zhuǎn)后得到[x_d,y_d,1]^T，故R可表達為：

M描述空間點到圖像點的中心透視投影關(guān)系，為投影矩陣；[x_p,y_p,1]^T為理想小孔模型下像點的物理坐標，表達為畸變修正方程為：

其中k₁，k₂為徑向畸變系數(shù)，r²＝x_d²+y_d²。

一種基于上述無人機攝像頭標定方法的流水線標定實現(xiàn)方法，具體方法步驟為：

一、常規(guī)標定：利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得該同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)；

二、將無人機固定平臺搭載在流水線傳送帶上，并在無人機固定平臺縱向軸線垂直處安裝平面標定板；

三、處理拍攝網(wǎng)格并修正參數(shù)：

a、打開傳送帶，每架無人機經(jīng)過無人機固定平臺時，傳送帶停頓一個固定時間，無人機固定平臺將無人機固定，經(jīng)過固定的無人機的縱向軸線與平面標定板法線平行，并對平面標定板進行拍照；

b、將拍照圖片傳回計算機端，并分析其幾何變換角度；

c、利用幾何變換角度對攝像頭鏡頭外參數(shù)和畸變系數(shù)進行修正。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：利用幾何關(guān)系的推導以及利用幾何變換角優(yōu)化攝像頭內(nèi)參和外參的方法，不但標定裝置結(jié)構(gòu)簡單，而且能有效準確的實現(xiàn)無人機攝像頭的標定，能夠?qū)⒃瓉硇枰臄z三張不同角度的照片減少為拍攝一張，實現(xiàn)了單張照片、快速簡便的攝像頭標定；不僅適用于無人機攝像頭，其他攝像頭的標定都可以使用本發(fā)明方法及裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明其中一實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為攝像頭CMOS平面傾斜效果示意圖。

圖3為攝像頭傾斜拍攝效果示意圖。

圖4為傾斜角度求解示意圖。

圖5為本發(fā)明標定方法的實現(xiàn)流程圖。

圖6為本發(fā)明其中一實施例的無人機生產(chǎn)流水線應(yīng)用實例示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本說明書(包括摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

具體實施例1

如圖1所示，一種無人機攝像頭標定裝置，包括無人機固定平臺及平面標定板；所述無人機固定平臺用于對無人機進行固定，并且使無人機攝像頭CMOS平面與無人機固定平臺平行時，無人機攝像頭正對所述平面標定板；所述平面標定板為水平橫線和垂直豎線組成的網(wǎng)格平面標定板。

具體實施例2

如圖1所示，在具體實施例1的基礎(chǔ)上，所述無人機固定平臺上設(shè)置有卡槽，用于固定無人機，使每次無人機固定的相對位置相同。

具體實施例3

在具體實施例1或2的基礎(chǔ)上，所述網(wǎng)格平面標定板為國際象棋棋盤狀分布的平面標定板。

具體實施例4

如圖1所示，在具體實施例1到3之一的基礎(chǔ)上，所述網(wǎng)格平面標定板為國際象棋黑白相間網(wǎng)格棋盤狀分布的平面標定板。

具體實施例5

如圖5所示，在具體實施例1到4之一的基礎(chǔ)上，一種基于上述無人機攝像頭標定裝置的無人機攝像頭標定方法，包括：常規(guī)標定及常規(guī)標定修正；

所述常規(guī)標定為利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得該同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)；

常規(guī)標定修正為：將無人機固定在無人機固定平臺上后，其攝像頭對平面標定板進行拍照，對拍攝的標定圖像進行處理，利用平面標定板中間畸變較小部分的標定圖像，通過網(wǎng)格塊邊緣在圖像上的長度的變化，分析出網(wǎng)格板的幾何變換角度，根據(jù)幾何變換角度進而求出小角度旋轉(zhuǎn)矩陣R，實現(xiàn)對常規(guī)標定獲得的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的修正。

具體實施例6

在具體實施例5的基礎(chǔ)上，其中，利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的具體方法為：用無人機攝像頭對平面標定板進行不同角度，不同距離的拍攝，然后利用常規(guī)的張正友標定法對攝像頭進行標定，獲得攝像頭內(nèi)參、外參以及畸變系數(shù)。

具體實施例7

在具體實施例5或6的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何變換角度進而求出小角度旋轉(zhuǎn)矩陣R，實現(xiàn)對常規(guī)標定獲得的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)的修正的具體方法為：

未考慮幾何變換角度的像點物理坐標經(jīng)過α角度的旋轉(zhuǎn)，就可以得到經(jīng)過角度修正后考慮畸變的像點物理坐標，將兩個物理坐標關(guān)系用矩陣相乘的形式可表達為

而理想小孔模型下像點的物理坐標和世界坐標之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

其中，α為幾何變換角度；[x_I,y_I,1]^T為未考慮幾何變換角度的像點物理坐標；[x_d,y_d,1]^T為考慮畸變的情況下像點的物理坐標；[x_p,y_p,1]^T為理想小孔模型下像點的物理坐標；R為小角度旋轉(zhuǎn)矩陣；[x_W,y_W,1]^T為世界坐標；[x_I,y_I,1]^T經(jīng)小角度旋轉(zhuǎn)后得到[x_d,y_d,1]^T，故R可表達為：

M描述空間點到圖像點的中心透視投影關(guān)系，為投影矩陣；[x_p,y_p,1]^T為理想小孔模型下像點的物理坐標，表達為畸變修正方程為：

其中k₁，k₂為徑向畸變系數(shù)，r²＝x_d²+y_d²。

具體實施例8

在具體實施例5到7之一的基礎(chǔ)上，一種基于上述無人機攝像頭標定方法的流水線標定實現(xiàn)方法，具體方法步驟為：

一、常規(guī)標定：利用常規(guī)標定法對同批次同類型的攝像頭中其中一個攝像頭進行標定，獲得該同批次同類型攝像頭的內(nèi)參、外參及畸形系數(shù)；

二、將無人機固定平臺搭載在流水線傳送帶上，并在無人機固定平臺縱向軸線垂直處安裝平面標定板；

三、處理拍攝網(wǎng)格并修正參數(shù)：

a、打開傳送帶，每架無人機經(jīng)過無人機固定平臺時，傳送帶停頓一個固定時間，無人機固定平臺將無人機固定，經(jīng)過固定的無人機的縱向軸線與平面標定板法線平行，并對平面標定板進行拍照；

b、將拍照圖片傳回計算機端，并分析其幾何變換角度；

c、利用幾何變換角度對攝像頭鏡頭外參數(shù)和畸變系數(shù)進行修正。

本發(fā)明方案通過幾何變換角來對無人機攝像頭進行標定，裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法便捷。在裝置方面僅需一個固定平臺以及棋盤標定板即可；在方法方面，傳統(tǒng)的張正友標定法需要三張以上不同的照片來實現(xiàn)標定。而本專利方法可以通過分析一張照片的幾何變換角，對無人機攝像頭的內(nèi)參、外參以及畸變系數(shù)進行修正，實現(xiàn)了僅需一張照片就能實現(xiàn)無人機攝像頭的標定。

總的來說，本發(fā)明方案更加簡便，易于實現(xiàn)，尤其是在應(yīng)用到無人機流水化生產(chǎn)線上，可以降低對生產(chǎn)線自動化的要求，同時更加快速實現(xiàn)標定，具有重要的使用價值和意義。