基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法，包括：步驟一、拍攝包含五個(gè)點(diǎn)的被測(cè)物體的兩張不同視角圖像；步驟二、建立五個(gè)點(diǎn)的共面方程；步驟三、構(gòu)造前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向目標(biāo)函數(shù)；步驟四、構(gòu)造相對(duì)定向元素的迭代方程，通過建立包含前方交會(huì)約束與正交約束的同名像點(diǎn)共面條件方程，推導(dǎo)求解五點(diǎn)相對(duì)定向問題的無約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并采用最小二乘廣義逆法求解五個(gè)相對(duì)定向元素。與現(xiàn)有的五點(diǎn)算法相比，本方法無需排解即可確保五對(duì)同名射線對(duì)對(duì)相交，并且求解精度高，魯棒性好，有實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì) 定向方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 相機(jī)標(biāo)定是光學(xué)成像測(cè)量（如機(jī)器視覺、視頻測(cè)量和數(shù)字近景攝影測(cè)量）研究領(lǐng) 域的熱點(diǎn)問題之一，是實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)成像測(cè)量的基礎(chǔ)。目前相機(jī)標(biāo)定方法可分為三類：
[0003] 1)傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法，通過建立精密加工的標(biāo)定塊上已知三維坐標(biāo)點(diǎn)與其像點(diǎn)間的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，來計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得較高的精度，但不適用于 在線標(biāo)定和不能使用標(biāo)定塊的場(chǎng)合。
[0004] 2)基于主動(dòng)視覺的標(biāo)定方法，需要控制攝像機(jī)做精確的特殊運(yùn)動(dòng)（如繞光心旋轉(zhuǎn) 或純平移等），以計(jì)算出內(nèi)外參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，往往能獲得線性解，缺點(diǎn)是不 能適用于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)未知或無法控制的場(chǎng)合。
[0005] 3)自標(biāo)定方法，利用不同角度獲得的同名像點(diǎn)間的對(duì)極幾何關(guān)系（即同名像點(diǎn)共 面），計(jì)算出攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。
[0006]自標(biāo)定方法因無需加工和維護(hù)成本很高的精密標(biāo)定板，也不用制作高精度攝像機(jī) 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，僅通過不同視角的同一場(chǎng)景圖像即可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)標(biāo)定，成為研究熱點(diǎn)。
[0007] 共面條件方程是相機(jī)自標(biāo)定的理論基礎(chǔ)，如五點(diǎn)算法、七點(diǎn)算法和八點(diǎn)算法等的 核心均是同名像點(diǎn)的共面條件方程，其中"五點(diǎn)算法"具有以下優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注：
[0008] 1) "五點(diǎn)算法"具有更少的退化形式，比如，對(duì)平面場(chǎng)景不退化，但"八點(diǎn)算法"退 化；
[0009] 2)當(dāng)"五點(diǎn)算法"與RANSAC結(jié)合使用時(shí)，較"七點(diǎn)與八點(diǎn)算法"更高效；
[0010] 3) "五點(diǎn)算法"的實(shí)現(xiàn)精度高于"八點(diǎn)算法"；
[0011] 4) "五點(diǎn)算法"需要的設(shè)置的標(biāo)記點(diǎn)更少。
[0012] 但是，按照攝影測(cè)量學(xué)的相對(duì)定向理論：同名射線對(duì)對(duì)相交才是相對(duì)定向成功的 標(biāo)志。因此，僅依賴五個(gè)同名像點(diǎn)的共面條件方程，難以確保本質(zhì)矩陣求解成功：
[0013] 1)現(xiàn)有的"五點(diǎn)算法"因采用多項(xiàng)式求解技術(shù)，存在多個(gè)解而非唯一解，存在誤解 的排除問題；
[0014] 2)五個(gè)同名像點(diǎn)的共面不能確保這五對(duì)同名射線對(duì)對(duì)相交，導(dǎo)致本質(zhì)矩陣求解失 敗、相對(duì)定向失敗。
[0015] 五點(diǎn)相對(duì)定向是機(jī)器視覺、視頻測(cè)量、數(shù)字近景攝影測(cè)量的經(jīng)典問題，傳統(tǒng)的五點(diǎn) 算法采用多項(xiàng)式求解技術(shù)，導(dǎo)致了解的多異性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì) 定向方法，通過建立包含前方交會(huì)約束與正交約束的同名像點(diǎn)共面條件方程，推導(dǎo)求解五 點(diǎn)相對(duì)定向問題的無約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并采用最小二乘廣義逆法求解五個(gè)相對(duì)定向元 素。與現(xiàn)有的五點(diǎn)算法相比，本方法無需排解即可確保五對(duì)同名射線對(duì)對(duì)相交，并且求解精 度高，魯棒性好，有實(shí)用價(jià)值。
[0017] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì) 定向方法，包括如下步驟：
[0018] 步驟一、拍攝包含五個(gè)點(diǎn)的被測(cè)物體的兩張不同視角圖像；
[0019] 步驟二、建立五個(gè)點(diǎn)的共面方程：
[0020] 設(shè)兩張圖像分別為Γ和I"，1'和I"為一個(gè)像對(duì)；將Γ和I"上的五個(gè)同名點(diǎn)記 為集合？，對(duì)于'^/^/ 3，？1在1'上的像點(diǎn)為1)/#在1"上的像點(diǎn)為1^";(：，叉，^ 2， 和 C" X" y" Z"分別為 Γ 和 I"的像空間坐標(biāo)系，C' (Xsl，Ysl，Zsl)和 C" (Xs2，Ys2，Zs2) 分別為坐標(biāo)系C' X' y' z'與坐標(biāo)系C" X" y" z"的坐標(biāo)原點(diǎn)，C"在C' X' y' z' 中的坐標(biāo)為0^>7>2),口/和口//在(：/叉/7 /2/中的坐標(biāo)分別為（11/，￥/，'\￥/)和 (U〃，V"，W")，則 Pi'和Pi"的共面方程為
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟一、拍攝包含五個(gè)點(diǎn)的被測(cè)物體的兩張不同視角圖像； 步驟二、建立五個(gè)點(diǎn)的共面方程： 設(shè)兩張圖像分別為I'和I"，I'和I"為一個(gè)像對(duì)；將I'和I"上的五個(gè)同名點(diǎn)記為 集合？，對(duì)于％^尸，？1在1'上的像點(diǎn)為1)/，？1在1"上的像點(diǎn)為 1)/;(：'叉，^2， 和 C" X" y" Z"分別為 Γ 和 I"的像空間坐標(biāo)系，C' (Xsl，Ysl，Zsl)和 C" (Xs2，Ys2，Zs2) 分別為坐標(biāo)系C' X' y' z'與坐標(biāo)系C" X" y" z"的坐標(biāo)原點(diǎn)，C"在C' X' y' z' 中的坐標(biāo)為0^>7>2),口/和口//在(：/叉/7 /2/中的坐標(biāo)分別為（11/，￥/，'\￥/)和 (U〃，V"，W")，則 Pi'和Pi"的共面方程為
(1) 式中
(2) 式⑵中（XQ，yQ)為像片的主點(diǎn)坐標(biāo)，f為相機(jī)的焦距，（x,:W)，（xf、vf)分別為同 名點(diǎn)Pi'和Pi"的像平面坐標(biāo)，R為C" X" y" z"相對(duì)于C，X，y，z，的三個(gè)角元素 (外詠Λ-)組成的旋轉(zhuǎn)矩陣； 步驟三、構(gòu)造前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向目標(biāo)函數(shù)：
(3) 其中：
⑷
' '
'，且bx只涉及相對(duì)定向模型的比例尺； 步驟四、構(gòu)造相對(duì)定向元素的迭代方程：
其中： 向量-
; (6)
為
的廣義逆矩陣； F(k)為前交約束的k次迭代值； ak為使 取得最小值的點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法，其特征在于：步驟 一所述的拍攝兩張圖像的方法是采用雙目視覺系統(tǒng)或同一相機(jī)從不同視角拍攝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法，其特征在于： 1) 所述J(X(k))的計(jì)算方法如下： 首先得到如下關(guān)于X的雅可比矩陣
(7) 再將X的第k次迭代值X(k)帶入式（7)，即得到J(X(k)); 2) 所述F(k)中第i個(gè)元素的計(jì)算方法為：
(8) 其中：式中i = 1，2, "·，5， //?是將X(k)代入式（4)的計(jì)算值,βα)為將X(k)和代入式（5)的計(jì)算值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于前方交會(huì)約束的五點(diǎn)相對(duì)定向方法，其特征在于：所述 ak采用有理極值法計(jì)算得到。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104091345SQ201410354174
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】張征宇, 黃敘輝, 朱龍, 周潤(rùn), 高峰 申請(qǐng)人:中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所