本發(fā)明主要利用差分gps系統(tǒng)高精度、簡單快速地獲得攝像機(jī)空間控制點(diǎn)坐標(biāo)及控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，對外場大視場條件下的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，攝影測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種精密測量和運(yùn)動(dòng)測量，涉及航空航天、國防試驗(yàn)、勘察勘測、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。它相對于其他測量技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其高精度、非接觸、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)測量、實(shí)時(shí)測量等顯著特點(diǎn)。高精度標(biāo)定攝像機(jī)參數(shù)是進(jìn)行高精度攝像測量的基礎(chǔ)，包括主點(diǎn)、焦距等內(nèi)參數(shù)、描述攝像機(jī)安裝位置、姿態(tài)的外參數(shù)和描述鏡頭畸變的像差系數(shù)。因此研究具有精度高、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單等特點(diǎn)的攝像機(jī)標(biāo)定方法有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

近年來，攝像機(jī)標(biāo)定的方法發(fā)展迅猛。攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)施方式有兩大類：一類是通過經(jīng)緯儀、準(zhǔn)直光管、標(biāo)定試驗(yàn)場等專用設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定；另一類用攝像機(jī)拍攝標(biāo)定參照物，即標(biāo)定靶標(biāo)的圖像，再通過分析圖像來求解像機(jī)參數(shù)。在攝像機(jī)標(biāo)定方法發(fā)展過程中，比較經(jīng)典的標(biāo)定方法包括tsai、weng、以及zhang等人的標(biāo)定方法。這些方法是通過精確給定的空間控制點(diǎn)或控制線等結(jié)構(gòu)已知的參照物進(jìn)行成像，或者是從不同角度拍攝多幅棋盤格圖像得到標(biāo)定結(jié)果。但這些標(biāo)定方法由于參照物尺寸較小，只適用于實(shí)驗(yàn)室等視場較小的情況，在外場等大視場環(huán)境下則不能使用，故局限性顯而易見。在筆者的工程實(shí)踐中，經(jīng)常遇到在外場等大視場環(huán)境下的攝像機(jī)標(biāo)定問題，攝像機(jī)的視場范圍達(dá)到3km×50m。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法要求控制點(diǎn)或者控制線均勻分布在攝像機(jī)視場中，才能得到比較穩(wěn)定、精確的標(biāo)定結(jié)果，這些條件在小視場或?qū)嶒?yàn)室條件下是容易滿足的，如實(shí)驗(yàn)室常用的十字絲標(biāo)靶、棋盤格標(biāo)板等。但在上述的外場大視場環(huán)境下，特別是在空曠的、沒有高大建筑物的外場環(huán)境下，則無法輕易獲取均勻分布在攝像機(jī)視場的控制點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用差分gps系統(tǒng)高精度、簡單快速地獲得攝像機(jī)空間控制點(diǎn)坐標(biāo)及控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，對外場大視場條件下的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。該發(fā)明解決了外場大視場條件下難以獲得空間控制點(diǎn)的問題，且由于差分gps系統(tǒng)的測量精度能達(dá)到厘米級，理論上只需要控制點(diǎn)布滿視場內(nèi)就能解算出結(jié)果，故該標(biāo)定方法精度高、簡單實(shí)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是將差分gps系統(tǒng)的移動(dòng)部分裝載到飛行平臺(tái)上構(gòu)成空間控制點(diǎn)單元，基準(zhǔn)部分放在世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)?？刂骑w行平臺(tái)在待標(biāo)定攝像機(jī)視場內(nèi)運(yùn)動(dòng)，獲得空間控制點(diǎn)單元在當(dāng)?shù)厥澜缱鴺?biāo)系下的空間坐標(biāo)，用目標(biāo)跟蹤定位或者人工提點(diǎn)的方法提取控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。再根據(jù)控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)和對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的標(biāo)定方法計(jì)算像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)初值，最后經(jīng)優(yōu)化得到精確的標(biāo)定參數(shù)。方案主要分為以下三步：首先控制飛行平臺(tái)在待標(biāo)定攝像機(jī)視場內(nèi)運(yùn)動(dòng)，獲得空間控制點(diǎn)單元在當(dāng)?shù)厥澜缱鴺?biāo)系下的空間坐標(biāo)，然后利用目標(biāo)跟蹤定位或者人工提點(diǎn)的方法提取控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，最后標(biāo)定出外場大視場條件下的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。

1、差分gps系統(tǒng)定位測量，獲得空間控制點(diǎn)單元在當(dāng)?shù)厥澜缱鴺?biāo)系下的空間坐標(biāo)；

gps單點(diǎn)定位的精度不高，究其原因，主要的因素有衛(wèi)星星歷誤差、大氣延遲(電離層延遲、對流層延遲)誤差、多路徑誤差和衛(wèi)星的鐘差等。為了消除這些誤差，如果能在已知點(diǎn)上放置一臺(tái)固定不動(dòng)的gps接收機(jī)(稱為基準(zhǔn)站)，與用戶(稱為移動(dòng)站)一起進(jìn)行g(shù)ps觀測，再將基準(zhǔn)站的誤差改正數(shù)發(fā)送到移動(dòng)站，其定位精度就能大幅提高，這就是差分gps的基本原理。附圖1為差分gps原理圖。

差分gps定位測量系統(tǒng)主要是用來獲得大視場條件下難以得到的控制點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值。由于差分gps定位測量系統(tǒng)分為以下兩種模式：實(shí)時(shí)載波相位差分測量即rtk模式(realtimekinematic)，它在測量過程中可以實(shí)時(shí)提供厘米級精度的三維坐標(biāo)；另一種為事后差分處理模式，故其硬件組成也不同。在事后差分處理模式下，由于不需要將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)通過電臺(tái)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)揭苿?dòng)站進(jìn)行rtk處理，而只要將基準(zhǔn)站和移動(dòng)站各自的同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行觀測的觀測數(shù)據(jù)保存下來，故只需要基準(zhǔn)站、移動(dòng)站、天線、電源及其配件即可，不需要沉重的主電臺(tái)和移動(dòng)電臺(tái)。由于飛行平臺(tái)的有效載荷有限，基本原則是移動(dòng)部分的重量越精簡越好，所以我們采用了事后差分處理的方案，這樣有效地增加了飛行平臺(tái)的飛行效率和飛行時(shí)間，在實(shí)際操作上取得了良好的效果。但同時(shí)聲明，如果飛行平臺(tái)的載重量足夠的話，利用實(shí)時(shí)rtk獲得空間控制點(diǎn)單元在當(dāng)?shù)厥澜缱鴺?biāo)系下的空間坐標(biāo)的方法也是完全可行的。圖2-圖3是兩種差分gps系統(tǒng)模式示意圖。

2、基于差分gps系統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定，提取控制點(diǎn)空間坐標(biāo)及其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；

2.1空間控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的時(shí)統(tǒng)問題

由于本發(fā)明采用的標(biāo)定方法需要獲得某時(shí)刻某個(gè)空間控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，故需要將獲得的空間控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)的時(shí)間與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的時(shí)間統(tǒng)一對齊。本發(fā)明分別使用了有時(shí)統(tǒng)模塊和無時(shí)統(tǒng)模塊兩種方案來解決空間控制點(diǎn)空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的時(shí)間統(tǒng)一問題。

2.1.1有時(shí)統(tǒng)的方案

在有時(shí)統(tǒng)的方案中，本發(fā)明在待標(biāo)定像機(jī)中加上gps時(shí)間模塊，利用gps授時(shí)，這樣拍攝得到的控制點(diǎn)圖像帶有g(shù)ps時(shí)間信息，再與差分gps系統(tǒng)獲得的空間控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)的gps時(shí)間對齊，就能得到時(shí)間統(tǒng)一的空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.1.2無時(shí)統(tǒng)的方案

在沒有時(shí)統(tǒng)的方案中，又分兩種情形：像機(jī)有無本地時(shí)間的情形：

如果像機(jī)有本地時(shí)間，如附圖4所示。則飛行平臺(tái)起飛后，控制它上下運(yùn)動(dòng)，選擇一個(gè)運(yùn)動(dòng)的臨界點(diǎn)，設(shè)為a點(diǎn)，設(shè)此時(shí)刻的差分gps系統(tǒng)時(shí)間為tag，像機(jī)拍攝的本地時(shí)間為tax；同樣地，當(dāng)飛行平臺(tái)在像機(jī)視場內(nèi)均勻運(yùn)動(dòng)后降落時(shí)，重復(fù)起飛后的上下運(yùn)動(dòng)，選擇一個(gè)臨界點(diǎn)，設(shè)為b點(diǎn)，設(shè)此時(shí)刻的差分gps系統(tǒng)時(shí)間為tbg，像機(jī)拍攝的本地時(shí)間為tbx。故可以將tag與tax、tbg與tbx的數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，這樣就解決了無時(shí)統(tǒng)情況下空間控制點(diǎn)空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的時(shí)間統(tǒng)一問題。圖4為無時(shí)統(tǒng)有本地時(shí)間情況下飛行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)示意圖。

如果像機(jī)沒有本地時(shí)間，則飛行平臺(tái)起飛后，控制它在事先設(shè)定的空間點(diǎn)位置懸停，這樣就能得到一段在空間位置和圖像中都相對靜止的目標(biāo)，再用平均法求解出此段時(shí)間內(nèi)控制點(diǎn)空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)的均值。用同樣的方法，控制飛行平臺(tái)在像機(jī)視場中懸停，得到遍布視場的控制點(diǎn)空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，這樣就解決了無時(shí)統(tǒng)情況下像機(jī)無本地時(shí)間的空間控制點(diǎn)空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的時(shí)間統(tǒng)一問題。

3、攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定；

3.1攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的初值求解

本發(fā)明采用了“基于共線方程的高精度標(biāo)定方法”。由中心透視投影疊加非線性鏡頭畸變的成像模型可知，其用投影矩陣各元素描述的共線方程為：

其中，(x,y)為帶像差的圖像坐標(biāo)，(x,y,z)為標(biāo)志點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，m0～m11為投影矩陣m的各元素，矩陣m描述了空間點(diǎn)到圖像點(diǎn)的中心透視投影關(guān)系，可展開為下式：

在式(3.2)中，(cx，cy)為圖像主點(diǎn)坐標(biāo)，即攝像機(jī)光軸穿過成像靶面位置對應(yīng)的圖像坐標(biāo)。fx和fy為橫向和縱向成像的等效焦距，即鏡頭實(shí)際焦距分別與攝像機(jī)成像靶面單個(gè)像元橫向和縱向物理尺寸的比值。r0～r8為攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣r的各個(gè)元素，形式為：

基于共線方程的標(biāo)定方法，具體方法可以細(xì)分成很多種，比如：已知六個(gè)及以上異面控制點(diǎn)的標(biāo)定方法、已知光心坐標(biāo)+四個(gè)及以上非共線控制點(diǎn)的標(biāo)定方法、已知像機(jī)內(nèi)參+六個(gè)及以上異面控制點(diǎn)的標(biāo)定方法、已知像機(jī)內(nèi)參+四個(gè)及以上非共線控制點(diǎn)的標(biāo)定方法等。而像機(jī)成像時(shí)鏡頭畸變引起的像差，也有幾種典型的像差模型來描述，例如：weng氏像差模型、d.c.brown像差模型等。

3.2、攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的精確值求解

利用基于共線方程的標(biāo)定方法求出像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的初值后，可以用很多優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，比如：用非線性最小二乘法對所有求得初值的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、利用光束法平差法，以重投影結(jié)果與實(shí)際像點(diǎn)之間的偏差最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、l-m迭代法、高斯牛頓迭代法等。至此，我們需要的像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的精確值求解完畢。

現(xiàn)在的問題簡化成要得到攝像機(jī)視場內(nèi)空間控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)和控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。為了更加精確地標(biāo)定出像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的初值，就必須人為地在攝像機(jī)視場內(nèi)設(shè)置均勻分布的控制點(diǎn)。本發(fā)明將差分gps系統(tǒng)的移動(dòng)部分裝載到飛行平臺(tái)上構(gòu)成空間控制點(diǎn)單元，而基準(zhǔn)部分放在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，由此差分gps系統(tǒng)可以得到飛行平臺(tái)上移動(dòng)站天線在以地面基準(zhǔn)站天線為原點(diǎn)的世界坐標(biāo)系下精確的空間坐標(biāo)值；然后用待標(biāo)定像機(jī)采集這些控制點(diǎn)的圖像，再利用目標(biāo)跟蹤定位或人工提點(diǎn)的方法提取各控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，接著根據(jù)上述“基于共線方程的高精度標(biāo)定方法”求解出待標(biāo)定像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)的精確值。

上述“基于共線方程的高精度標(biāo)定方法”，不需要事先在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定出像機(jī)的內(nèi)參，而是直接在現(xiàn)場快速地把攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)一起標(biāo)定出來。但如果要減少標(biāo)定現(xiàn)場設(shè)置的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，本發(fā)明也可以事先在實(shí)驗(yàn)室高精度地標(biāo)定出像機(jī)的內(nèi)參，并在優(yōu)化時(shí)將此內(nèi)參代入作為初值，同樣可以解算出像機(jī)的外參數(shù)。附圖5為飛行平臺(tái)飛行軌跡示意圖。

本發(fā)明可以達(dá)到以下的技術(shù)效果：

1、適用于外場大視場條件下的攝像機(jī)標(biāo)定；

2、不需要事先在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定出內(nèi)參，而是直接在現(xiàn)場把攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)一起標(biāo)定出來；

3、不要求事先在攝像機(jī)視場內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)，理論上只需要控制點(diǎn)在視場內(nèi)均勻分布就能解算出結(jié)果，操作簡單高效；

4、差分gps系統(tǒng)的測量精度能達(dá)到厘米級，故該標(biāo)定方法的精度高；

5、設(shè)備通用性強(qiáng)，方便使用，對一般大視場條件下的攝像機(jī)標(biāo)定都適用；

6、所需硬件設(shè)備成熟，成本較低，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

附圖說明

圖1差分gps原理圖，

圖2實(shí)時(shí)rtk模式示意圖，

圖3事后差分模式示意圖，

圖4無時(shí)統(tǒng)有本地時(shí)間情況下飛行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)示意圖，

圖5飛行平臺(tái)飛行軌跡示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將差分gps系統(tǒng)的移動(dòng)部分裝載到飛行平臺(tái)上構(gòu)成空間控制點(diǎn)單元，創(chuàng)新性地通過控制飛行平臺(tái)在待標(biāo)定攝像機(jī)視場內(nèi)運(yùn)動(dòng)獲得空間控制點(diǎn)單元在當(dāng)?shù)厥澜缱鴺?biāo)系下的空間坐標(biāo)，再用目標(biāo)跟蹤定位或者人工提點(diǎn)的方法提取控制點(diǎn)對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。

本發(fā)明采用空間控制點(diǎn)單元獲得的控制點(diǎn)空間坐標(biāo)與其對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的標(biāo)定方法計(jì)算像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。由于差分gps系統(tǒng)的測量精度能達(dá)到厘米級，且理論上只需要控制點(diǎn)在視場內(nèi)均勻分布就能解算出結(jié)果，故該標(biāo)定方法精度高、簡單實(shí)用。本發(fā)明可用于外場大視場條件下的攝像機(jī)標(biāo)定，具有重要的理論研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提出了針對外場大視場條件下攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定的一種典型流程為：

1)將待標(biāo)定的攝像機(jī)對著飛行平臺(tái)飛行的方向并加以固定。再將差分gps系統(tǒng)的基準(zhǔn)站天線放置在世界坐標(biāo)系的參考點(diǎn)，而移動(dòng)站部分安裝固定在飛行平臺(tái)上。

2)控制飛行平臺(tái)在待標(biāo)定攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)緩慢飛行，盡量使飛行平臺(tái)的飛行軌跡覆蓋待標(biāo)定攝像機(jī)的整個(gè)視場，且飛行平臺(tái)距離像機(jī)要有縱深方向的變化。在飛行平臺(tái)飛行的同時(shí)，攝像機(jī)也要同時(shí)記錄有飛行平臺(tái)作為控制點(diǎn)的圖像。

3)在攝像機(jī)拍攝的有控制點(diǎn)的圖像上利用目標(biāo)跟蹤定位或者人工提點(diǎn)的方法提取飛行平臺(tái)上移動(dòng)站天線的圖像坐標(biāo)，選取在視場中均勻分布的圖像坐標(biāo)點(diǎn)作為標(biāo)定控制點(diǎn)，這樣就能標(biāo)定出攝像的內(nèi)外參數(shù)。