采用柔性靶標高速攝相機近景大視場標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于計算機視覺測量領域，涉及一種風洞環境目標近景大視場測量時相機 標定用靶標以及相應的標定方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著空天技術的不斷發展，國防工業對空天戰略裝備提出了越來越高的 精度指標和技術要求，風洞模擬實驗技術作為一種有效的模擬手段為飛行器的設計制造提 供有效的數據支撐。視覺測量技術以其非接觸、高精度、實時性強、高適應性的優點被廣泛 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，實現近景大視場相機高精度標定對提高我國飛行器設計制造水平和國 防實力具有重要推動意義。
[0003] 中國空氣動力研宄與發展中心高速空氣動力研宄所的黃敘輝發明的專利號為CN 10215416A"風洞試驗中模型姿態角測量的多相機動態標定方法"發明了一種基于粘貼在 風動內壁標志點的風洞多相機動態測量方法，該方法通過建立風洞運行時標志點隨溫度的 關聯模型進行標志點位置補償，利用共線方程進行攝相機標定。該方法的雖能實現相機的 動態標定，但是標定用標志點沒有設置在待測模型附近，標定后的參數不能精確表達被測 物體處的實際成像規律，測量精度不高。上海理工大學的隋國榮等人發明的專利號為CN 103473771A"一種攝相機標定方法"發明了基于內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。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，發明了采用柔性靶標高速攝相 機近景大視場標定方法。根據近景大視場測量要求設計柔性靶標，柔性靶標內區域由平面 棋盤網格構成，此平面棋盤網格由黑白相間的網格交錯拼接而成，其角點距離已知。靶標外 部區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，內區域利用單應性矩陣標定相機，外區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] 本發明所采用的技術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，靶標內部區域為由平面棋盤 網格組成，棋盤網格角點距離已知，靶標外部區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域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區域 分約束標定，將靶標充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發高速攝相機獲取靶標圖像，靶標 內區域利用單應性矩陣進行標定，外區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)柔性靶標設計
[0007] 柔性靶標為十字靶桿，分成內、外兩個區域，柔性靶標內區域6為矩形，在內區域6 上貼有平面棋盤網格5,平面棋盤網格5由黑白相間網格拼接成，每個網格角點7之間的距 離已知；柔性靶標外區域3由上下垂直的十字靶桿構成，十字靶桿上面均勻分布若干個編 碼標志點4,編碼標志點依據不同形狀相互區分，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、中心定位以及網格角點7的提取；本 發明采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經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，祀標內部區域為由平面棋盤網格構成，棋盤網格角點之間 的距離已知，祀標外部區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域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區域分約束標 定，將祀標充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發高速攝相機獲取祀標圖像，祀標內區域利 用單應性矩陣進行標定，外區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) 柔性祀標設計 柔性祀標為十字祀桿，分成內、外兩個區域，柔性祀標內區域6為矩形，在內區域6上貼 有平面棋盤網格5,平面棋盤網格5由黑白相間網格拼接成，每個網格角點7之間的距離已 知；柔性祀標外區域3由相互垂直的十字祀桿構成，十字祀桿上面均勻分布若干個編碼標 志點4,編碼標志點依據不同形狀相互區分，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及網格角點7的提取；本發明 采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經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； 對于柔性祀標內區域6上的網格角點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 的灰度變化量為：
其中，ly為灰度在X方向的偏導數，ly為灰度在y方向的偏導數，0(112,v2)為高階項，Q是2X2實對稱矩陣； 定義角點響應函數R為： R=入1入廠k(入1+入2) 2 0) 其中，Ai、為Q經過對角化后的兩個特征值，k為比例系數；Harris角點檢測算法 就是對角點響應函數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為高速攝相機內參數矩陣，P為高速攝相機外參數矩陣，（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，Pi、P2為第一階和第二階切向崎變 參數；在考慮崎變的基礎上(；、(；、11。、乂。、^1^2、91、92構成成像模型9個內參數，3、1'構成6 個獨立的外參數；根據柔性祀標內外區域提供的不同的約束信息分別對高速攝相機進行標 定；W下分別對祀標內外區域進行標定； 1)內區域高速攝相機內外參數標定 在進行完編碼標志點4中屯、定位與網格角點7提取的基礎上即可進行高速攝相機內外 參數W及崎變參數的解算；祀標內區域利用單應性矩陣進行標定，首先是高速攝相機內參 數標定，由于大幅面測量時鏡頭崎變嚴重，采用非線性成像模型結合優化算法進行高速攝 相機參數求解；為獲得良好的標定參數初值使高速相機參數達到全局收斂；本發明選取平 面棋盤網格5圖像中屯、小區域內控制點結合非崎變模型估計內外參數初值； 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稱為相機的單應性矩陣；IVr2分別為旋轉矩陣R的第一列和第 二列；t為平移矩陣組成的列向量捆旋轉矩陣具有rir2T=0與Mr 1II=||r2 II= 1的性 質，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個內部參數，每張圖像可提供一張單應性矩陣，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分解得到內參 數矩陣Ml;再由內部參數和單應性矩陣可分離出外參數R、T初值；將像差（5y，5y)引入到 成像模型中求解崎變初值；然后迭代優化求解內區域內外參數W及崎變參數。 2)外區域高速攝相機內外參數標定 外區域利用編碼標志點4的距離約束進行標定；依據祀標外區域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參數矩陣；R、t為兩高速攝相機之間的旋 轉與平移矩陣；y為比例系數； 在標定外參數時，首先利用RANSAC算法根據高速攝相機之間的對應點估計兩高速攝 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 一個對應點的集合|i= 1，2,…，n}，當對應點的數量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參數求解外參數初值；隨后 將崎變引入高速攝相機成像模型，求取崎變參數初值；最后建立重投影目標函數：
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 域3對應的旋轉矩陣；tw分別第i幅圖像中外區域3對應的平移矩陣，M。汾別是第i幅圖 像外區域3上第k個點的空間坐標;m化R。。t。。Mak)是由外區域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求解高速攝相機參數的最優解。
【專利摘要】本發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，靶標內部區域為由平面棋盤網格構成，棋盤網格角點之間的距離已知，靶標外部區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域提供的不同約束信息進行高速攝相機的分區域分約束標定；標定靶標內區域時，利用單應性矩陣進行標定，而外區域利用編碼標志點的距離約束進行標定。本發明在降低成本的同時實現了操作的便攜性；在標定時由于采用分區域分約束相機標定方法，考慮不同區域的畸變量的大小，提高了標定精度。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號】CN104851104
【申請號】CN201510290364
【發明人】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