采用柔性靶標(biāo)高速攝相機(jī)近景大視場標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺測量領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)洞環(huán)境目標(biāo)近景大視場測量時相機(jī) 標(biāo)定用靶標(biāo)以及相應(yīng)的標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著空天技術(shù)的不斷發(fā)展，國防工業(yè)對空天戰(zhàn)略裝備提出了越來越高的 精度指標(biāo)和技術(shù)要求，風(fēng)洞模擬實驗技術(shù)作為一種有效的模擬手段為飛行器的設(shè)計制造提 供有效的數(shù)據(jù)支撐。視覺測量技術(shù)以其非接觸、高精度、實時性強(qiáng)、高適應(yīng)性的優(yōu)點被廣泛 的用于風(fēng)洞模擬實驗中。相機(jī)標(biāo)定是視覺測量的第一步也是最為關(guān)鍵的一步，相機(jī)的標(biāo)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(dǎo)致相機(jī)成像時存在很大畸變，并最終影響視 覺測量精度。因此，實現(xiàn)近景大視場相機(jī)高精度標(biāo)定對提高我國飛行器設(shè)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(fā)展中心高速空氣動力研宄所的黃敘輝發(fā)明的專利號為CN 10215416A"風(fēng)洞試驗中模型姿態(tài)角測量的多相機(jī)動態(tài)標(biāo)定方法"發(fā)明了一種基于粘貼在 風(fēng)動內(nèi)壁標(biāo)志點的風(fēng)洞多相機(jī)動態(tài)測量方法，該方法通過建立風(fēng)洞運(yùn)行時標(biāo)志點隨溫度的 關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行標(biāo)志點位置補(bǔ)償，利用共線方程進(jìn)行攝相機(jī)標(biāo)定。該方法的雖能實現(xiàn)相機(jī)的 動態(tài)標(biāo)定，但是標(biāo)定用標(biāo)志點沒有設(shè)置在待測模型附近，標(biāo)定后的參數(shù)不能精確表達(dá)被測 物體處的實際成像規(guī)律，測量精度不高。上海理工大學(xué)的隋國榮等人發(fā)明的專利號為CN 103473771A"一種攝相機(jī)標(biāo)定方法"發(fā)明了基于內(nèi)接正八邊形標(biāo)定物的相機(jī)標(biāo)定方法。通 過利用相機(jī)在三個不同角度拍攝標(biāo)定物圖像，利用攝影和幾何原理完成相機(jī)標(biāo)定。該方法 在標(biāo)定相機(jī)時雖考慮了成像畸變的影響，但使用的標(biāo)定物未能充滿整個測量視場，因此所 標(biāo)定出的相機(jī)的成像畸變不能反映整張圖像真實畸變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了采用柔性靶標(biāo)高速攝相 機(jī)近景大視場標(biāo)定方法。根據(jù)近景大視場測量要求設(shè)計柔性靶標(biāo)，柔性靶標(biāo)內(nèi)區(qū)域由平面 棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，此平面棋盤網(wǎng)格由黑白相間的網(wǎng)格交錯拼接而成，其角點距離已知。靶標(biāo)外 部區(qū)域采用自由相交的十字靶桿，其上分布距離已知的編碼標(biāo)志點。標(biāo)定時考慮成像畸變 影響，內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣標(biāo)定相機(jī)，外區(qū)域采用編碼標(biāo)志點間的等距離約束標(biāo)定高速 攝相機(jī)。由于二維靶標(biāo)和三維標(biāo)定塊制造價格昂貴、加工精度難以保證、維護(hù)不方便。采用 柔性靶標(biāo)簡單，拆卸方便，有效的降低了靶標(biāo)制造成本。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種采用柔性靶標(biāo)高速攝相機(jī)近景大視場標(biāo)定方法， 其特征是，該方法采用柔性靶標(biāo)充滿整個標(biāo)定視場進(jìn)行標(biāo)定，靶標(biāo)內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤 網(wǎng)格組成，棋盤網(wǎng)格角點距離已知，靶標(biāo)外部區(qū)域為自由相交的十字靶桿，其上分布距離已 知的編碼標(biāo)志點；標(biāo)定時利用靶標(biāo)不同區(qū)域提供的不同約束信息進(jìn)行高速攝相機(jī)的分區(qū)域 分約束標(biāo)定，將靶標(biāo)充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發(fā)高速攝相機(jī)獲取靶標(biāo)圖像，靶標(biāo) 內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣進(jìn)行標(biāo)定，外區(qū)域利用編碼標(biāo)志點的距離約束進(jìn)行標(biāo)定；標(biāo)定方法 具體步驟如下：
[0006] (1)柔性靶標(biāo)設(shè)計
[0007] 柔性靶標(biāo)為十字靶桿，分成內(nèi)、外兩個區(qū)域，柔性靶標(biāo)內(nèi)區(qū)域6為矩形，在內(nèi)區(qū)域6 上貼有平面棋盤網(wǎng)格5,平面棋盤網(wǎng)格5由黑白相間網(wǎng)格拼接成，每個網(wǎng)格角點7之間的距 離已知；柔性靶標(biāo)外區(qū)域3由上下垂直的十字靶桿構(gòu)成，十字靶桿上面均勻分布若干個編 碼標(biāo)志點4,編碼標(biāo)志點依據(jù)不同形狀相互區(qū)分，各編碼標(biāo)志點之間的中心距離d為定值；
[0008] (2)柔性靶標(biāo)圖像處理
[0009] 柔性靶標(biāo)圖像處理包括編碼標(biāo)志點4的檢測、中心定位以及網(wǎng)格角點7的提取；本 發(fā)明采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經(jīng)過解碼識別每個編碼標(biāo)志點4,利用灰 度重心法定位編碼標(biāo)志點中心坐標(biāo)：
【主權(quán)項】
1. 一種采用柔性祀標(biāo)高速攝相機(jī)近景大視場標(biāo)定方法，其特征是，該方法采用柔性祀 標(biāo)充滿整個標(biāo)定視場進(jìn)行標(biāo)定，祀標(biāo)內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，棋盤網(wǎng)格角點之間 的距離已知，祀標(biāo)外部區(qū)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(biāo)志點；標(biāo)定時利用祀標(biāo)不同區(qū)域提供的不同約束信息進(jìn)行高速攝相機(jī)的分區(qū)域分約束標(biāo) 定，將祀標(biāo)充滿測量視場擺放多個位置，同時觸發(fā)高速攝相機(jī)獲取祀標(biāo)圖像，祀標(biāo)內(nèi)區(qū)域利 用單應(yīng)性矩陣進(jìn)行標(biāo)定，外區(qū)域利用編碼標(biāo)志點的距離約束進(jìn)行標(biāo)定；標(biāo)定方法具體步驟 如下： (1) 柔性祀標(biāo)設(shè)計 柔性祀標(biāo)為十字祀桿，分成內(nèi)、外兩個區(qū)域，柔性祀標(biāo)內(nèi)區(qū)域6為矩形，在內(nèi)區(qū)域6上貼 有平面棋盤網(wǎng)格5,平面棋盤網(wǎng)格5由黑白相間網(wǎng)格拼接成，每個網(wǎng)格角點7之間的距離已 知；柔性祀標(biāo)外區(qū)域3由相互垂直的十字祀桿構(gòu)成，十字祀桿上面均勻分布若干個編碼標(biāo) 志點4,編碼標(biāo)志點依據(jù)不同形狀相互區(qū)分，各編碼標(biāo)志點中屯、距離d為定值； (2) 柔性祀標(biāo)圖像處理 柔性祀標(biāo)圖像處理包括編碼標(biāo)志點4的檢測、中屯、定位W及網(wǎng)格角點7的提??；本發(fā)明 采用canny邊緣檢測算子檢測特征邊緣，隨后經(jīng)過解碼識別每個編碼標(biāo)志點4,利用灰度重 屯、法定位編碼標(biāo)志點中屯、坐標(biāo)：
其中，f(u，v)是（u，v)像素點處的灰度值，Q是編碼標(biāo)志點4所在區(qū)域像素點集合， 而句是所提取編碼標(biāo)志點4的中屯、坐標(biāo)； 對于柔性祀標(biāo)內(nèi)區(qū)域6上的網(wǎng)格角點7采用Harris角點檢測算子進(jìn)行提??；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(yīng) 的灰度變化量為：
其中，ly為灰度在X方向的偏導(dǎo)數(shù)，ly為灰度在y方向的偏導(dǎo)數(shù)，0(112,v2)為高階項，Q是2X2實對稱矩陣； 定義角點響應(yīng)函數(shù)R為： R=入1入廠k(入1+入2) 2 0) 其中，Ai、為Q經(jīng)過對角化后的兩個特征值，k為比例系數(shù)；Harris角點檢測算法 就是對角點響應(yīng)函數(shù)R進(jìn)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(jī)參數(shù)標(biāo)定 進(jìn)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(jī)成像模型，其表達(dá)式為：
式中，（u"，v。）為圖像的主點坐標(biāo)，（Cx，Cy)為橫縱方向的等效焦距，R，T分別為高速攝 相機(jī)坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，（X，，Y，，Z，）為控制點在世界坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)，M為高速攝相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，P為高速攝相機(jī)外參數(shù)矩陣，（u，v)為控制點在高速攝相 機(jī)平面上的像素坐標(biāo)，（5 ,，5y)為像差在X，y方向的坐標(biāo)； 將徑向像差和切向像差引入像差模型，其表達(dá)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(shù)，Pi、P2為第一階和第二階切向崎變 參數(shù)；在考慮崎變的基礎(chǔ)上(；、(；、11。、乂。、^1^2、91、92構(gòu)成成像模型9個內(nèi)參數(shù)，3、1'構(gòu)成6 個獨(dú)立的外參數(shù)；根據(jù)柔性祀標(biāo)內(nèi)外區(qū)域提供的不同的約束信息分別對高速攝相機(jī)進(jìn)行標(biāo) 定；W下分別對祀標(biāo)內(nèi)外區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定； 1)內(nèi)區(qū)域高速攝相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定 在進(jìn)行完編碼標(biāo)志點4中屯、定位與網(wǎng)格角點7提取的基礎(chǔ)上即可進(jìn)行高速攝相機(jī)內(nèi)外 參數(shù)W及崎變參數(shù)的解算；祀標(biāo)內(nèi)區(qū)域利用單應(yīng)性矩陣進(jìn)行標(biāo)定，首先是高速攝相機(jī)內(nèi)參 數(shù)標(biāo)定，由于大幅面測量時鏡頭崎變嚴(yán)重，采用非線性成像模型結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行高速攝 相機(jī)參數(shù)求解；為獲得良好的標(biāo)定參數(shù)初值使高速相機(jī)參數(shù)達(dá)到全局收斂；本發(fā)明選取平 面棋盤網(wǎng)格5圖像中屯、小區(qū)域內(nèi)控制點結(jié)合非崎變模型估計內(nèi)外參數(shù)初值； 在祀標(biāo)平面上建立坐標(biāo)系，此時Z= 0在不考慮崎變的情況下高速攝相機(jī)投影模型 為：
其中，H=比1h2tg稱為相機(jī)的單應(yīng)性矩陣；IVr2分別為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩陣具有rir2T=0與Mr 1II=||r2 II= 1的性 質(zhì)，對于高速攝相機(jī)拍攝單張圖像得到如下兩個約束：
高速攝相機(jī)有5個內(nèi)部參數(shù)，每張圖像可提供一張單應(yīng)性矩陣，通過高速攝相機(jī)在不 同位置獲取至少祀標(biāo)S張圖片解算出隨后將Mi-tMi4進(jìn)行化oleski分解得到內(nèi)參 數(shù)矩陣Ml;再由內(nèi)部參數(shù)和單應(yīng)性矩陣可分離出外參數(shù)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(yōu)化求解內(nèi)區(qū)域內(nèi)外參數(shù)W及崎變參數(shù)。 2)外區(qū)域高速攝相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定 外區(qū)域利用編碼標(biāo)志點4的距離約束進(jìn)行標(biāo)定；依據(jù)祀標(biāo)外區(qū)域3十字祀桿上編碼標(biāo) 志點的距離約束標(biāo)定高速攝相機(jī)，設(shè)兩編碼標(biāo)志點4分別為和JC,'4，兩編碼標(biāo)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(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣；R、t為兩高速攝相機(jī)之間的旋 轉(zhuǎn)與平移矩陣；y為比例系數(shù)； 在標(biāo)定外參數(shù)時，首先利用RANSAC算法根據(jù)高速攝相機(jī)之間的對應(yīng)點估計兩高速攝 相機(jī)間基本矩陣F，基本矩陣滿足下面的關(guān)系： m中m= 0 巧） 其中，mi(u。V。l)T，m/ = (<，V，1)T為編碼標(biāo)志點4中屯、在左右高速攝相機(jī)平面上 的像點的齊次坐標(biāo)；F為3X3秩為2矩陣，因此，基本矩陣F中有7個獨(dú)立的變量，故給定 一個對應(yīng)點的集合|i= 1，2,…，n}，當(dāng)對應(yīng)點的數(shù)量n大于或等于7時，確定F矩 陣； 然后利用已知的編碼標(biāo)志點4間的距離和高速攝相機(jī)的內(nèi)參數(shù)求解外參數(shù)初值；隨后 將崎變引入高速攝相機(jī)成像模型，求取崎變參數(shù)初值；最后建立重投影目標(biāo)函數(shù)：
其中，m^k分別是第i幅祀標(biāo)圖像十字祀桿上的第k個像點，Rw是第i幅圖像中外區(qū) 域3對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；tw分別第i幅圖像中外區(qū)域3對應(yīng)的平移矩陣，M。汾別是第i幅圖 像外區(qū)域3上第k個點的空間坐標(biāo);m化R。。t。。Mak)是由外區(qū)域3所確定的高速攝相機(jī)模 型求出的像點坐標(biāo)，通過最小化該目標(biāo)函數(shù)求解高速攝相機(jī)參數(shù)的最優(yōu)解。
【專利摘要】本發(fā)明采用柔性靶標(biāo)高速攝相機(jī)近景大視場標(biāo)定方法屬于計算機(jī)視覺領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)洞近景大視場雙目視覺相機(jī)標(biāo)定方法。該方法采用柔性靶標(biāo)充滿整個標(biāo)定視場進(jìn)行標(biāo)定，靶標(biāo)內(nèi)部區(qū)域為由平面棋盤網(wǎng)格構(gòu)成，棋盤網(wǎng)格角點之間的距離已知，靶標(biāo)外部區(qū)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(biāo)志點。標(biāo)定時利用靶標(biāo)不同區(qū)域提供的不同約束信息進(jìn)行高速攝相機(jī)的分區(qū)域分約束標(biāo)定；標(biāo)定靶標(biāo)內(nèi)區(qū)域時，利用單應(yīng)性矩陣進(jìn)行標(biāo)定，而外區(qū)域利用編碼標(biāo)志點的距離約束進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明在降低成本的同時實現(xiàn)了操作的便攜性；在標(biāo)定時由于采用分區(qū)域分約束相機(jī)標(biāo)定方法，考慮不同區(qū)域的畸變量的大小，提高了標(biāo)定精度。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號】CN104851104
【申請?zhí)枴緾N201510290364
【發(fā)明人】劉巍, 李肖, 陳玲, 馬鑫, 劉惟肖
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月29日