本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，尤其是一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域的最終目標(biāo)是為了使計(jì)算機(jī)與人類一樣具備感知三維環(huán)境的能力，在這個(gè)領(lǐng)域中，基于圖像的三維重建過程一般是從二維圖像還原到三維場(chǎng)景的逆過程，即通過計(jì)算機(jī)分析目標(biāo)場(chǎng)景或物體在不同視角下的二維圖像，還原出場(chǎng)景或物體的三維空間幾何信息。三維重建在多種場(chǎng)景中有著廣泛的應(yīng)用并發(fā)揮著巨大的作用，比如珍貴歷史文物和古建筑的還原展示、醫(yī)學(xué)人體器官的三維重建、無人汽車自動(dòng)駕駛等等，利用普通數(shù)碼相機(jī)重建場(chǎng)景和物體具有簡易、經(jīng)濟(jì)、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、成本低、操作便捷、靈活機(jī)動(dòng)等多種優(yōu)勢(shì)，能夠替代有人航空器、地面車輛、高空作業(yè)人員執(zhí)行多種任務(wù)，極大地?cái)U(kuò)展了作業(yè)區(qū)域，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率。因此近年來，遙控固定翼、多旋翼、直升飛機(jī)等無人飛行器正在越來越多地被應(yīng)用于航空測(cè)繪、航空影像中，以實(shí)現(xiàn)大面積的地形圖、工程項(xiàng)目、建筑物等測(cè)繪建模過程。

作為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的重要分支，無人機(jī)這類基于運(yùn)動(dòng)相機(jī)對(duì)場(chǎng)景和物體的三維重建方式一般通過一個(gè)基于歐拉幾何結(jié)構(gòu)重建線性算法框架，來進(jìn)行三維空間點(diǎn)以及相機(jī)位置的計(jì)算，利用縮放正投影和透視投影，建立一個(gè)結(jié)合點(diǎn)、線、圓錐曲線特征的仿射相機(jī)，從而獲取圖像序列并估算出場(chǎng)景結(jié)構(gòu)。而真實(shí)場(chǎng)景的稀疏點(diǎn)云可以利用運(yùn)動(dòng)中恢復(fù)結(jié)構(gòu)SFM(Structure From Motion)原理從N-視角二維圖像中獲得并用來進(jìn)行模型表面的重建，二維圖像中富含表面紋理(Texture)、光照亮度(Shading)、物體輪廓(Silhouette)等三維重建需要的有用信息，利用物體輪廓可以得到初步的三維模型可視殼(Visual Hull)，可視殼的精度主要依賴于輪廓精度、視圖數(shù)量、拍攝角度等多重因素。

無人機(jī)這類基于圖像序列的場(chǎng)景三維重建方式主要依賴于圖像特征和多視圖幾何約束的求解，相比傳統(tǒng)的視覺方法，其算法計(jì)算量大、設(shè)備計(jì)算能力要求高、研究起步較晚。其中，圖像特征和多視圖幾何約束的求解，包括確定拍攝序列圖像中空間點(diǎn)和相機(jī)的位置，測(cè)量或標(biāo)定出幾何尺寸和比例約束，一直是決定重建精度的關(guān)鍵。

三維重建技術(shù)一般需要通過攝像機(jī)多角度拍攝目標(biāo)物體的圖像，如果固定攝像機(jī)與拍攝物體的距離，則可重建的空間范圍非常有限。對(duì)于室外場(chǎng)景，若無法固定攝像機(jī)與拍攝目標(biāo)物體的相對(duì)位置，則通常會(huì)手工選擇一些現(xiàn)場(chǎng)有特色的建筑物局部等，提取其邊緣、角點(diǎn)等特征點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)或者參照物，再結(jié)合人工實(shí)際測(cè)量的尺寸等信息，提供尺度和比例約束，以解算仿射變換等公式的參數(shù)，來提高三維重建精度。由于標(biāo)志點(diǎn)、參照物不確定，需要隨時(shí)測(cè)繪，測(cè)量精度不易保證，且實(shí)際操作繁瑣，存在很多不確定因素，如果要達(dá)到高精度三維重建，有必要設(shè)置標(biāo)定物。若簡單采用現(xiàn)有地面近景攝影勘查方法中的平面型黑白棋盤格標(biāo)定物，則難以提供三維信息；若采用兩個(gè)棋盤格標(biāo)定平面的組合，則無法滿足空間任意位置觀察、標(biāo)定的需求；而如果將黑白雙色棋盤格在立方體的多個(gè)表面同時(shí)使用時(shí)，對(duì)拍攝者和照片使用者而言都存在一定的視覺識(shí)別困難和較大誤差。

另外，對(duì)于無人機(jī)來說，其在拍攝圖像序列時(shí)攝像機(jī)的位置不斷變化，且經(jīng)常采用環(huán)繞飛行拍攝方式，除了標(biāo)定攝像機(jī)(即相機(jī))內(nèi)參數(shù)外，更要確定出攝像機(jī)自身的空間位置。因此，業(yè)內(nèi)對(duì)無人機(jī)標(biāo)定技術(shù)提出了新的要求：一方面要求標(biāo)定物易于準(zhǔn)確測(cè)量、空間位置標(biāo)準(zhǔn)和放置操作便利，另一方面要針對(duì)無人機(jī)的成像特點(diǎn)，盡可能可以從空間任意位置拍攝到標(biāo)定物，從而方便地得到拍攝圖像序列的幾何約束和空間位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于：提供一種易于準(zhǔn)確測(cè)量、檢測(cè)精度高、便于安放、通用性強(qiáng)和使用方便的，基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定方法。

本發(fā)明的另一目的在于：提供一種易于準(zhǔn)確測(cè)量、檢測(cè)精度高、便于安放、通用性強(qiáng)和使用方便的，基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定方法，包括以下步驟：

將彩色棋盤格立體標(biāo)定物放置到待拍攝場(chǎng)景內(nèi)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物為封閉式立體結(jié)構(gòu)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包含有至少一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的每個(gè)表面采用彩色與白色相間、彩色與黑色相間、不同彩色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案且任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案的顏色組合均不相同；

采用無人機(jī)至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像；

根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；

根據(jù)無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)采用坐標(biāo)投影變換方法確定無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包括但不限于正方體、長方體、六棱柱、半球體和圓柱。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的棋盤格圖案的顏色組合方式為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間的棋盤格圖案，相鄰表面采用不同彩色相間的棋盤格圖案；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為規(guī)則多面體構(gòu)成的立體標(biāo)定物，則其需要的非白色顏色總數(shù)Q滿足條件：3≤Q≤maxPi，其中，maxPi＝max{Pi|i＝1，2，…，b}，b為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的角點(diǎn)數(shù)，且b＜e，e為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的總面數(shù)，Pi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物中的任意一個(gè)角點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的包含該角點(diǎn)的面數(shù)，maxPi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的最多共角點(diǎn)平面數(shù)；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為沒有角點(diǎn)的規(guī)則立方體，則其所需的顏色數(shù)與其表面數(shù)相同。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂面采用紅色與白色相間或紅色與黑色相間的棋盤格圖案，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的側(cè)面采用紅色以外的彩色與白色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的底面安裝有四個(gè)可調(diào)節(jié)襯腳或者球臺(tái)形托盤，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂部嵌入有氣泡水平儀。

進(jìn)一步，所述根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)這一步驟，其包括：

確定無人機(jī)攝像機(jī)的模型以及空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)的映射關(guān)系：若無人機(jī)攝像機(jī)的模型為針孔相機(jī)模型，則任一空間點(diǎn)P的空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)M與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)m的映射關(guān)系表達(dá)式為：λm＝K[RT]M，其中，λ為給定的比例因子，K為無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，R為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像和滅點(diǎn)理論的約束方程，采用最小二乘法和張正友平面標(biāo)定法線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣。

本發(fā)明所采取的另一技術(shù)方案是：

一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，包括：

放置模塊，用于將彩色棋盤格立體標(biāo)定物放置到待拍攝場(chǎng)景內(nèi)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物為封閉式立體結(jié)構(gòu)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包含有至少一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的每個(gè)表面采用彩色與白色相間、彩色與黑色相間、不同彩色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案且任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案的顏色組合均不相同；

拍攝模塊，用于采用無人機(jī)至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像；

內(nèi)參數(shù)標(biāo)定模塊，用于根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；

坐標(biāo)投影變換模塊，用于根據(jù)無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)采用坐標(biāo)投影變換方法確定無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的棋盤格圖案的顏色組合方式為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間的棋盤格圖案，相鄰表面采用不同彩色相間的棋盤格圖案；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為規(guī)則多面體構(gòu)成的立體標(biāo)定物，則其需要的非白色顏色總數(shù)Q滿足條件：3≤Q≤maxPi，其中，maxPi＝max{Pi|i＝1，2，…，b}，b為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的角點(diǎn)數(shù)，且b＜e，e為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的總面數(shù)，Pi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物中的任意一個(gè)角點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的包含該角點(diǎn)的面數(shù)，maxPi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的最多共角點(diǎn)平面數(shù)；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為沒有角點(diǎn)的規(guī)則立方體，則其所需的顏色數(shù)與其表面數(shù)相同。

進(jìn)一步，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的底面安裝有四個(gè)可調(diào)節(jié)襯腳或者球臺(tái)形托盤，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂部嵌入有氣泡水平儀。

進(jìn)一步，所述內(nèi)參數(shù)標(biāo)定模塊包括：

初始化單元，用于確定無人機(jī)攝像機(jī)的模型以及空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)的映射關(guān)系：若無人機(jī)攝像機(jī)的模型為針孔相機(jī)模型，則任一空間點(diǎn)P的空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)M與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)m的映射關(guān)系表達(dá)式為：λm＝K[RT]M，其中，λ為給定的比例因子，K為無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，R為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

求解單元，用于根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像和滅點(diǎn)理論的約束方程，采用最小二乘法和張正友平面標(biāo)定法線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣。

本發(fā)明的方法的有益效果是：包括將彩色棋盤格立體標(biāo)定物放置到待拍攝場(chǎng)景內(nèi)，采用無人機(jī)至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像，根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和根據(jù)無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)采用坐標(biāo)投影變換方法確定無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系的步驟，采用了彩色棋盤格立體標(biāo)定物來進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，能提供三維信息和從空間任意位置或任意角度拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物，并通過在彩色棋盤格立體標(biāo)定物任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案中設(shè)置不同的顏色組合來方便拍攝者和照片使用者進(jìn)行視覺識(shí)別，易于準(zhǔn)確測(cè)量、檢測(cè)精度高、便于安放和通用性強(qiáng)；只需至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像并結(jié)合滅點(diǎn)理論得到無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)來完成攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定，并再通過坐標(biāo)投影變換方法就能方便地得出無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系，使用起來更方便。

本發(fā)明的系統(tǒng)的有益效果是：包括放置模塊、拍攝模塊、內(nèi)參數(shù)標(biāo)定模塊和坐標(biāo)投影變換模塊，采用了彩色棋盤格立體標(biāo)定物來進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，能提供三維信息和從空間任意位置或任意角度拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物，并通過在彩色棋盤格立體標(biāo)定物任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案中設(shè)置不同的顏色組合來方便拍攝者和照片使用者進(jìn)行視覺識(shí)別，易于準(zhǔn)確測(cè)量、檢測(cè)精度高、便于安放和通用性強(qiáng)；只需至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像并結(jié)合滅點(diǎn)理論得到無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)來完成攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定，并再通過坐標(biāo)投影變換方法就能方便地得出無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系，使用起來更方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定方法的整體流程圖；

圖2為彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的兩種具體配色方案示意圖；

圖3為立方體標(biāo)定物的模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為滅點(diǎn)的擬合過程示意圖；

圖5為將彩色棋盤格立體標(biāo)定物應(yīng)用來進(jìn)行實(shí)際三維重建時(shí)無人機(jī)所拍攝的一幅標(biāo)定物圖像。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定方法，包括以下步驟：

將彩色棋盤格立體標(biāo)定物放置到待拍攝場(chǎng)景內(nèi)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物為封閉式立體結(jié)構(gòu)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包含有至少一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的每個(gè)表面采用彩色與白色相間、彩色與黑色相間、不同彩色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案且任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案的顏色組合均不相同；

采用無人機(jī)至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像；

根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；

根據(jù)無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)采用坐標(biāo)投影變換方法確定無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。

其中，彩色棋盤格立體標(biāo)定物每個(gè)表面包含有2種顏色，即每個(gè)表面的棋盤格圖案由2種不同顏色的棋盤格相間排列而成。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包括但不限于正方體、長方體、六棱柱、半球體和圓柱。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的棋盤格圖案的顏色組合方式為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間的棋盤格圖案，相鄰表面采用不同彩色相間的棋盤格圖案；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為規(guī)則多面體構(gòu)成的立體標(biāo)定物，則其需要的非白色顏色總數(shù)Q滿足條件：3≤Q≤maxPi，其中，maxPi＝max{Pi|i＝1，2，…，b}，m為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的角點(diǎn)數(shù)，且b＜e，b為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的總面數(shù)，Pi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物中的任意一個(gè)角點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的包含該角點(diǎn)的面數(shù)，maxPi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的最多共角點(diǎn)平面數(shù)；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為沒有角點(diǎn)的規(guī)則立方體，則其所需的顏色數(shù)與其表面數(shù)相同。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂面采用紅色與白色相間或紅色與黑色相間的棋盤格圖案，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的側(cè)面采用紅色以外的彩色與白色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的底面安裝有四個(gè)可調(diào)節(jié)襯腳或者球臺(tái)形托盤，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂部嵌入有氣泡水平儀。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)這一步驟，其包括：

確定無人機(jī)攝像機(jī)的模型以及空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)的映射關(guān)系：若無人機(jī)攝像機(jī)的模型為針孔相機(jī)模型，則任一空間點(diǎn)P的空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)M與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)m的映射關(guān)系表達(dá)式為：λm＝K[RT]M，其中，λ為給定的比例因子，K為無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，R為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像和滅點(diǎn)理論的約束方程，采用最小二乘法和張正友平面標(biāo)定法線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣。

參照?qǐng)D1，一種基于彩色立體標(biāo)定物的無人機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，包括：

放置模塊，用于將彩色棋盤格立體標(biāo)定物放置到待拍攝場(chǎng)景內(nèi)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物為封閉式立體結(jié)構(gòu)，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物包含有至少一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的每個(gè)表面采用彩色與白色相間、彩色與黑色相間、不同彩色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案且任意相鄰兩個(gè)表面的棋盤格圖案的顏色組合均不相同；

拍攝模塊，用于采用無人機(jī)至少從3個(gè)不同的方位拍攝彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像；

內(nèi)參數(shù)標(biāo)定模塊，用于根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像采用滅點(diǎn)理論線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；

坐標(biāo)投影變換模塊，用于根據(jù)無人機(jī)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)采用坐標(biāo)投影變換方法確定無人機(jī)攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的棋盤格圖案的顏色組合方式為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間的棋盤格圖案，相鄰表面采用不同彩色相間的棋盤格圖案；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為規(guī)則多面體構(gòu)成的立體標(biāo)定物，則其需要的非白色顏色總數(shù)Q滿足條件：3≤Q≤maxPi，其中，maxPi＝max{Pi|i＝1，2，…，b}，b為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的角點(diǎn)數(shù)，且b＜e，e為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的總面數(shù)，Pi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物中的任意一個(gè)角點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的包含該角點(diǎn)的面數(shù)，maxPi為彩色棋盤格立體標(biāo)定物的最多共角點(diǎn)平面數(shù)；若彩色棋盤格立體標(biāo)定物為沒有角點(diǎn)的規(guī)則立方體，則其所需的顏色數(shù)與其表面數(shù)相同。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的底面安裝有四個(gè)可調(diào)節(jié)襯腳或者球臺(tái)形托盤，所述彩色棋盤格立體標(biāo)定物的頂部嵌入有氣泡水平儀。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述內(nèi)參數(shù)標(biāo)定模塊包括：

初始化單元，用于確定無人機(jī)攝像機(jī)的模型以及空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)的映射關(guān)系：若無人機(jī)攝像機(jī)的模型為針孔相機(jī)模型，則任一空間點(diǎn)P的空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)M與圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)m的映射關(guān)系表達(dá)式為：λm＝K[RT]M，其中，λ為給定的比例因子，K為無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，R為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

求解單元，用于根據(jù)拍攝的彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像和滅點(diǎn)理論的約束方程，采用最小二乘法和張正友平面標(biāo)定法線性求解出無人機(jī)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋和說明。

實(shí)施例一

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量、檢測(cè)精度低、不便于安放、通用性弱和使用不方便的問題，本發(fā)明提出了一種全新的無人機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。本發(fā)明對(duì)無人機(jī)的標(biāo)定過程包括兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)易于準(zhǔn)確測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)和易操作的立體標(biāo)定物，二是給出攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定和圖像幾何約束的方法。下面對(duì)這兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明。

(一)設(shè)計(jì)立體標(biāo)定物

為了便于拍攝作業(yè)時(shí)操作者的觀察與后期導(dǎo)出照片處理時(shí)的識(shí)別，以及三維建模后在建模場(chǎng)景中進(jìn)行不同角度比例約束設(shè)置，無人機(jī)標(biāo)定物表面必須存在三維空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，且能方便地區(qū)分不同空間點(diǎn)。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了彩色棋盤格立體標(biāo)定物，該立體標(biāo)定物有以下特點(diǎn)：

(1)立體標(biāo)定物為封閉式立體結(jié)構(gòu)，包含有至少一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面，如正方體、長方體、六棱柱等規(guī)則多面體，以及半球體、圓柱等。

(2)立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間、彩色與黑色相間、不同彩色相間或黑色與白色相間的棋盤格圖案，并根據(jù)以下規(guī)則對(duì)其表面進(jìn)行顏色渲染：

1)立體標(biāo)定物的相鄰表面采用不同彩色(及黑色)與白色(及黑色)相間的棋盤格圖案，棋盤格數(shù)目為整數(shù)。兩表面邊界處，盡量保持彩色(及黑色)與白色(及黑色)相間。

2)完整渲染方案：立體標(biāo)定物的相鄰表面采用不同彩色(及黑色)與白色相間的棋盤格圖案，兩表面邊界處，保持彩色與白色(及黑色)相間，即任意兩個(gè)相鄰的表面圖案展開為一個(gè)平面時(shí)，保持彩色與白色(及黑色)相間的棋盤格樣式，不會(huì)出現(xiàn)類似白色塊與白色塊、彩色塊與彩色塊相鄰的現(xiàn)象。如圖2(a)所示，規(guī)則立方體頂面為紅黑棋盤格圖案，側(cè)面是綠白、藍(lán)白棋盤格圖案。

3)簡單渲染方案：立體標(biāo)定物的表面采用彩色與白色相間的棋盤格圖案，相鄰表面采用不同彩色相間的棋盤格圖案。

4)對(duì)于規(guī)則多面體構(gòu)成的立體標(biāo)定物，其彩色總數(shù)由多面體共角點(diǎn)的平面數(shù)決定，具體如下：

設(shè)規(guī)則立方體標(biāo)定物的角點(diǎn)數(shù)為b，總面數(shù)為e，對(duì)任意一個(gè)角點(diǎn)i，包含該角點(diǎn)的面數(shù)為Pi，則該立方體標(biāo)定物最多共角點(diǎn)平面數(shù)為maxPi＝max{Pi|i＝1，2，…，b}；

而需要的非白色顏色(即彩色及黑色，不包括白色)數(shù)Q滿足條件：3≤Q≤maxPi。

對(duì)于沒有角點(diǎn)的規(guī)則立方體標(biāo)定物，其顏色數(shù)與表面數(shù)相同。

5)一般立體標(biāo)定物的頂面采用紅色、白色(或黑色)相間的棋盤格圖案，側(cè)面采用紅色以外的彩色(及黑色)與白色相間的棋盤格圖案。

6)當(dāng)顏色數(shù)為3時(shí)，彩色首選紅、綠、藍(lán)，此時(shí)完整渲染方案為頂面紅黑棋盤格圖案，側(cè)面綠白、藍(lán)白棋盤格依次相鄰；簡單渲染方案即構(gòu)建紅白、綠白、藍(lán)白棋盤格圖樣作為相鄰表面。

(3)為了保證至少有2*2個(gè)邊緣和節(jié)點(diǎn)清晰的方格(棋盤格的基本單元)，立體標(biāo)定物的一個(gè)表面上至少有4*4個(gè)方格，每個(gè)方格的邊長設(shè)置為固定長度(如10cm、20cm等)。

(4)棋盤格表面為啞光材質(zhì)，以保證無人機(jī)以不同角度拍攝時(shí)標(biāo)定物表面時(shí)不會(huì)因反光出現(xiàn)照片過曝的問題。

(5)為了保持立方體標(biāo)定物放置時(shí)能保持水平，可以在立方體標(biāo)定物的底座加裝四個(gè)可調(diào)節(jié)襯腳或者球臺(tái)形托盤，并在頂部嵌入氣泡水平儀。

本發(fā)明通過對(duì)彩色棋盤立體標(biāo)定物不同表面采用不同的顏色圖案渲染方式，在三維重建的圖像拍攝中，能有效給出拍攝區(qū)域空間位置的標(biāo)定值和確定尺寸比例約束，顯著增強(qiáng)了重建結(jié)果的精度和三維測(cè)量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明設(shè)計(jì)的彩色棋盤立體標(biāo)定物體積小，使用方便，尤其適用于戶外各種航拍應(yīng)用中的尺度標(biāo)定。

(二)攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定和確定圖像幾何約束的方法。

目前攝像機(jī)標(biāo)定方法的研究很多，其中經(jīng)典的算法有Tsai提出的DLT標(biāo)定法、Heikkila提出的RAC標(biāo)定法、張正友提出的基于平面標(biāo)定法等。本發(fā)明提出了一種基于彩色棋盤格立體標(biāo)定物的線性攝像機(jī)自標(biāo)定方法，僅需從三個(gè)或更多個(gè)不同的方位攝取放置在待拍攝場(chǎng)景內(nèi)的彩色棋盤格立體標(biāo)定物圖像，就可利用滅點(diǎn)理論線性地解出攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，再利用經(jīng)典的坐標(biāo)投影變換方法，即可確定攝像機(jī)空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

(1)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。

假設(shè)攝像機(jī)模型為經(jīng)典針孔相機(jī)模型，設(shè)P為任意空間點(diǎn)，其空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)為M＝(x_w,y_w,z_w,1)^T，圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo)為m＝(u,v,1)^T。由透視投影幾何關(guān)系，可得M與m之間的關(guān)系如下：

λm＝K[RT]M (1)

其中，λ為給定的比例因子；為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；R為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；T為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量。

(2)采用彩色棋盤格立體標(biāo)定物標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣。

彩色棋盤格立體標(biāo)定物的模型如圖3所示：

設(shè)P₁，P₂，P₃分別為直線AB，AA’，AD的滅點(diǎn)，其坐標(biāo)分別記為如圖4所示，利用最小二乘法由直線AB和平行于AB的直線簇的交點(diǎn)擬合可得到滅點(diǎn)同理，可以得到AA’對(duì)應(yīng)的滅點(diǎn)P₂、AD對(duì)應(yīng)的滅點(diǎn)P₃。

根據(jù)滅點(diǎn)理論，有以下約束方程：

令由式(2)可得：

令f＝[c₁,c₂,c₃,c₄,c₅,c₆]^T，

則式(3)可表示為：Af＝0。

無人機(jī)從不同方位拍攝n(n為大于等于3的整數(shù))幅彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像，即可得到3n個(gè)有關(guān)矩陣C的方程，接著，利用最小二乘法線性解出f，可得矩陣C；最后利用經(jīng)典的張正友平面標(biāo)定法即可線性求出攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣K，從而完成攝像機(jī)的標(biāo)定。此標(biāo)定過程簡單且有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，實(shí)用性強(qiáng)。

(3)采用坐標(biāo)投影變換方法確定攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。

完成攝像機(jī)的標(biāo)定后，根據(jù)無人機(jī)的成像特點(diǎn)，本發(fā)明還需要確定攝像機(jī)的空間位置和圖像幾何約束關(guān)系。以彩色棋盤格立體標(biāo)定物為立方體標(biāo)定物為例，本發(fā)明在立方體標(biāo)定物的圖像中取到頂面和其他面1～3對(duì)角點(diǎn)作為圖像序列中的照片(即待拍攝物體的圖像)標(biāo)注約束點(diǎn)，且已知彩色棋盤格立體標(biāo)定物的每個(gè)棋盤格的方塊邊長(如10cm)，故即可采用經(jīng)典的透視變換方法，解算圖像中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)，從而對(duì)空間中的距離進(jìn)行測(cè)量，并在重建過程中利用立方體標(biāo)定物的棋盤格尺寸進(jìn)行長寬高方向的精準(zhǔn)約束。

如圖5所示，在三維重建的場(chǎng)景中，可以利用彩色棋盤格立體標(biāo)定物容易地區(qū)分不同表面，從而對(duì)任意測(cè)量方向的尺寸進(jìn)行長度約束。而在選擇空間中的兩個(gè)三維點(diǎn)之后，需要在至少三幅圖像中對(duì)這兩個(gè)約束點(diǎn)進(jìn)行校正，參與校正的圖像越多，則約束越準(zhǔn)確。同時(shí)，任何已知的地面人工測(cè)量值都可作為待拍攝場(chǎng)景中的尺寸約束。

本發(fā)明利用彩色棋盤格立體標(biāo)定物，可以從任意角度拍攝立方體標(biāo)定物，其他方法中對(duì)標(biāo)定物的擺放或運(yùn)動(dòng)有較高要求(如需要標(biāo)定物放在拍攝物體的上方等)，而彩色棋盤格立體標(biāo)定物則更加適用于無人機(jī)在空間中多角度拍攝時(shí)的相機(jī)標(biāo)定，并且不同色彩的棋盤格也有利于在場(chǎng)景重建后進(jìn)行觀察識(shí)別；此外彩色棋盤格立體標(biāo)定物中棋盤格的標(biāo)準(zhǔn)邊長對(duì)于重建模型的空間比例約束校正也有較大的精度提升作用。

本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、檢測(cè)精度高、便于安放、通用性強(qiáng)、成本較低和使用方便的，可滿足無人飛行器拍攝序列圖像進(jìn)行場(chǎng)景三維重建要求的標(biāo)定物和攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定要求的方法，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)采用了新型的彩色棋盤格立體標(biāo)定物，可以用于無人機(jī)環(huán)繞多角度拍攝圖像進(jìn)行三維重建時(shí)的輔助標(biāo)定。

2)提出了針對(duì)彩色棋盤格立體標(biāo)定物表面的新顏色渲染方案，可以有效區(qū)分不同表面，以便于在三維重建時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的空間位置標(biāo)定。

3)提出了一種基于彩色棋盤格立體標(biāo)定物的線性攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)自標(biāo)定方法，僅需從三個(gè)或更多個(gè)不同的方位攝取彩色棋盤格立體標(biāo)定物的圖像，即可利用滅點(diǎn)理論線性地解出攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，更加快捷。

4)能通過坐標(biāo)投影變換從彩色棋盤格立體標(biāo)定物推算無人飛行器攝像機(jī)的空間位置并進(jìn)行三維重建時(shí)幾何約束，使用起來十分方便。

5)利用彩色棋盤格立體標(biāo)定物，可以從任意角度拍攝立方體標(biāo)定物，其他方法中對(duì)標(biāo)定物的擺放或運(yùn)動(dòng)有較高要求，而彩色棋盤格立體標(biāo)定物則更加適用于無人機(jī)在空間中多角度拍攝時(shí)的相機(jī)標(biāo)定，并且不同色彩的棋盤格也有利于在場(chǎng)景重建后進(jìn)行觀察識(shí)別；此外彩色棋盤格立體標(biāo)定物中棋盤格的標(biāo)準(zhǔn)邊長對(duì)于重建模型的空間比例約束校正也有較大的精度提升作用。

以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。