采用柔性靶标高速摄相机近景大视场标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量领域，涉及一种风洞环境目标近景大视场测量时相机 标定用靶标以及相应的标定方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着空天技术的不断发展，国防工业对空天战略装备提出了越来越高的 精度指标和技术要求，风洞模拟实验技术作为一种有效的模拟手段为飞行器的设计制造提 供有效的数据支撑。视觉测量技术以其非接触、高精度、实时性强、高适应性的优点被广泛 的用于风洞模拟实验中。相机标定是视觉测量的第一步也是最为关键的一步，相机的标定 精度直接影响到最终的视觉测量精度。在一般测量时使用的镜头有较小的畸变。但在近景 大视场测量时不可避免的会使用广角镜头，导致相机成像时存在很大畸变，并最终影响视 觉测量精度。因此，实现近景大视场相机高精度标定对提高我国飞行器设计制造水平和国 防实力具有重要推动意义。
[0003] 中国空气动力研宄与发展中心高速空气动力研宄所的黄叙辉发明的专利号为CN 10215416A"风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法"发明了一种基于粘贴在 风动内壁标志点的风洞多相机动态测量方法，该方法通过建立风洞运行时标志点随温度的 关联模型进行标志点位置补偿，利用共线方程进行摄相机标定。该方法的虽能实现相机的 动态标定，但是标定用标志点没有设置在待测模型附近，标定后的参数不能精确表达被测 物体处的实际成像规律，测量精度不高。上海理工大学的隋国荣等人发明的专利号为CN 103473771A"一种摄相机标定方法"发明了基于内接正八边形标定物的相机标定方法。通 过利用相机在三个不同角度拍摄标定物图像，利用摄影和几何原理完成相机标定。该方法 在标定相机时虽考虑了成像畸变的影响，但使用的标定物未能充满整个测量视场，因此所 标定出的相机的成像畸变不能反映整张图像真实畸变。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了采用柔性靶标高速摄相 机近景大视场标定方法。根据近景大视场测量要求设计柔性靶标，柔性靶标内区域由平面 棋盘网格构成，此平面棋盘网格由黑白相间的网格交错拼接而成，其角点距离已知。靶标外 部区域采用自由相交的十字靶杆，其上分布距离已知的编码标志点。标定时考虑成像畸变 影响，内区域利用单应性矩阵标定相机，外区域采用编码标志点间的等距离约束标定高速 摄相机。由于二维靶标和三维标定块制造价格昂贵、加工精度难以保证、维护不方便。采用 柔性靶标简单，拆卸方便，有效的降低了靶标制造成本。
[0005] 本发明所采用的技术方案是一种采用柔性靶标高速摄相机近景大视场标定方法， 其特征是，该方法采用柔性靶标充满整个标定视场进行标定，靶标内部区域为由平面棋盘 网格组成，棋盘网格角点距离已知，靶标外部区域为自由相交的十字靶杆，其上分布距离已 知的编码标志点；标定时利用靶标不同区域提供的不同约束信息进行高速摄相机的分区域 分约束标定，将靶标充满测量视场摆放多个位置，同时触发高速摄相机获取靶标图像，靶标 内区域利用单应性矩阵进行标定，外区域利用编码标志点的距离约束进行标定；标定方法 具体步骤如下：
[0006] (1)柔性靶标设计
[0007] 柔性靶标为十字靶杆，分成内、外两个区域，柔性靶标内区域6为矩形，在内区域6 上贴有平面棋盘网格5,平面棋盘网格5由黑白相间网格拼接成，每个网格角点7之间的距 离已知；柔性靶标外区域3由上下垂直的十字靶杆构成，十字靶杆上面均匀分布若干个编 码标志点4,编码标志点依据不同形状相互区分，各编码标志点之间的中心距离d为定值；
[0008] (2)柔性靶标图像处理
[0009] 柔性靶标图像处理包括编码标志点4的检测、中心定位以及网格角点7的提取；本 发明采用canny边缘检测算子检测特征边缘，随后经过解码识别每个编码标志点4,利用灰 度重心法定位编码标志点中心坐标：
【主权项】
1. 一种采用柔性祀标高速摄相机近景大视场标定方法，其特征是，该方法采用柔性祀 标充满整个标定视场进行标定，祀标内部区域为由平面棋盘网格构成，棋盘网格角点之间 的距离已知，祀标外部区域为相互垂直的十字祀杆，其上均匀分布若干个距离已知的编码 标志点；标定时利用祀标不同区域提供的不同约束信息进行高速摄相机的分区域分约束标 定，将祀标充满测量视场摆放多个位置，同时触发高速摄相机获取祀标图像，祀标内区域利 用单应性矩阵进行标定，外区域利用编码标志点的距离约束进行标定；标定方法具体步骤 如下： (1) 柔性祀标设计 柔性祀标为十字祀杆，分成内、外两个区域，柔性祀标内区域6为矩形，在内区域6上贴 有平面棋盘网格5,平面棋盘网格5由黑白相间网格拼接成，每个网格角点7之间的距离已 知；柔性祀标外区域3由相互垂直的十字祀杆构成，十字祀杆上面均匀分布若干个编码标 志点4,编码标志点依据不同形状相互区分，各编码标志点中屯、距离d为定值； (2) 柔性祀标图像处理 柔性祀标图像处理包括编码标志点4的检测、中屯、定位W及网格角点7的提取；本发明 采用canny边缘检测算子检测特征边缘，随后经过解码识别每个编码标志点4,利用灰度重 屯、法定位编码标志点中屯、坐标：
其中，f(u，v)是（u，v)像素点处的灰度值，Q是编码标志点4所在区域像素点集合， 而句是所提取编码标志点4的中屯、坐标； 对于柔性祀标内区域6上的网格角点7采用Harris角点检测算子进行提取；在图像中 屯、定义一个小窗口，将该窗口在像素（x，y)处移动，对于局部微小的像素变化量（u，v)相应 的灰度变化量为：
其中，ly为灰度在X方向的偏导数，ly为灰度在y方向的偏导数，0(112,v2)为高阶项，Q是2X2实对称矩阵； 定义角点响应函数R为： R=入1入厂k(入1+入2) 2 0) 其中，Ai、为Q经过对角化后的两个特征值，k为比例系数；Harris角点检测算法 就是对角点响应函数R进行阔值处理，R大于阔值时就得到了所提取的角点； (3)高速摄相机参数标定 进行近景大视场测量使用广角镜头时，图像成像崎变较大；采用带有崎变的高速摄相 机成像模型，其表达式为：
式中，（u"，v。）为图像的主点坐标，（Cx，Cy)为横纵方向的等效焦距，R，T分别为高速摄 相机坐标系相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵，（X，，Y，，Z，）为控制点在世界坐标系下的 坐标，M为高速摄相机内参数矩阵，P为高速摄相机外参数矩阵，（u，v)为控制点在高速摄相 机平面上的像素坐标，（5 ,，5y)为像差在X，y方向的坐标； 将径向像差和切向像差引入像差模型，其表达式如公式巧）：
其中，ki、k2中分别为第一阶与第二阶径向崎变系数，Pi、P2为第一阶和第二阶切向崎变 参数；在考虑崎变的基础上(；、(；、11。、乂。、^1^2、91、92构成成像模型9个内参数，3、1'构成6 个独立的外参数；根据柔性祀标内外区域提供的不同的约束信息分别对高速摄相机进行标 定；W下分别对祀标内外区域进行标定； 1)内区域高速摄相机内外参数标定 在进行完编码标志点4中屯、定位与网格角点7提取的基础上即可进行高速摄相机内外 参数W及崎变参数的解算；祀标内区域利用单应性矩阵进行标定，首先是高速摄相机内参 数标定，由于大幅面测量时镜头崎变严重，采用非线性成像模型结合优化算法进行高速摄 相机参数求解；为获得良好的标定参数初值使高速相机参数达到全局收敛；本发明选取平 面棋盘网格5图像中屯、小区域内控制点结合非崎变模型估计内外参数初值； 在祀标平面上建立坐标系，此时Z= 0在不考虑崎变的情况下高速摄相机投影模型 为：
其中，H=比1h2tg称为相机的单应性矩阵；IVr2分别为旋转矩阵R的第一列和第 二列；t为平移矩阵组成的列向量捆旋转矩阵具有rir2T=0与Mr 1II=||r2 II= 1的性 质，对于高速摄相机拍摄单张图像得到如下两个约束：
高速摄相机有5个内部参数，每张图像可提供一张单应性矩阵，通过高速摄相机在不 同位置获取至少祀标S张图片解算出随后将Mi-tMi4进行化oleski分解得到内参 数矩阵Ml;再由内部参数和单应性矩阵可分离出外参数R、T初值；将像差（5y，5y)引入到 成像模型中求解崎变初值；然后迭代优化求解内区域内外参数W及崎变参数。 2)外区域高速摄相机内外参数标定 外区域利用编码标志点4的距离约束进行标定；依据祀标外区域3十字祀杆上编码标 志点的距离约束标定高速摄相机，设两编码标志点4分别为和JC,'4，两编码标志点4之 间的距离为L则有如下方程：
其中，Ki、馬分别为第一个与第二个相机的内参数矩阵；R、t为两高速摄相机之间的旋 转与平移矩阵；y为比例系数； 在标定外参数时，首先利用RANSAC算法根据高速摄相机之间的对应点估计两高速摄 相机间基本矩阵F，基本矩阵满足下面的关系： m中m= 0 巧） 其中，mi(u。V。l)T，m/ = (<，V，1)T为编码标志点4中屯、在左右高速摄相机平面上 的像点的齐次坐标；F为3X3秩为2矩阵，因此，基本矩阵F中有7个独立的变量，故给定 一个对应点的集合|i= 1，2,…，n}，当对应点的数量n大于或等于7时，确定F矩 阵； 然后利用已知的编码标志点4间的距离和高速摄相机的内参数求解外参数初值；随后 将崎变引入高速摄相机成像模型，求取崎变参数初值；最后建立重投影目标函数：
其中，m^k分别是第i幅祀标图像十字祀杆上的第k个像点，Rw是第i幅图像中外区 域3对应的旋转矩阵；tw分别第i幅图像中外区域3对应的平移矩阵，M。汾别是第i幅图 像外区域3上第k个点的空间坐标;m化R。。t。。Mak)是由外区域3所确定的高速摄相机模 型求出的像点坐标，通过最小化该目标函数求解高速摄相机参数的最优解。
【专利摘要】本发明采用柔性靶标高速摄相机近景大视场标定方法属于计算机视觉领域，涉及一种风洞近景大视场双目视觉相机标定方法。该方法采用柔性靶标充满整个标定视场进行标定，靶标内部区域为由平面棋盘网格构成，棋盘网格角点之间的距离已知，靶标外部区域为相互垂直的十字靶杆，其上均匀分布若干个距离已知的编码标志点。标定时利用靶标不同区域提供的不同约束信息进行高速摄相机的分区域分约束标定；标定靶标内区域时，利用单应性矩阵进行标定，而外区域利用编码标志点的距离约束进行标定。本发明在降低成本的同时实现了操作的便携性；在标定时由于采用分区域分约束相机标定方法，考虑不同区域的畸变量的大小，提高了标定精度。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104851104
【申请号】CN201510290364
【发明人】刘巍, 李肖, 陈玲, 马鑫, 刘惟肖
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月29日