CN105486289A

CN105486289A - 一种激光摄影测量***及相机标定方法

Info

Publication number: CN105486289A
Application number: CN201610065915.XA
Authority: CN
Inventors: 李学艺; 吕永刚; 曾庆良; 张鑫; 钟佩思; 王宁宁; 赵丹丹; 张庆雪
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2016-01-31
Filing date: 2016-01-31
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2036-01-31
Also published as: CN105486289B

Abstract

本发明涉及一种激光摄影测量***及相机标定方法，包括测量装置和标定装置，测量装置包括底座、支架及计算机；所述支架转动设置在底座上，在支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧对称设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接；标定装置包括三个物方板和均布设置的物方标识点。通过测量装置和标定装置，利物方板和物方标识点，通过相机拍照以及后续编写的相应程序，可以有效实现测量***相机的精确标定，且该相机标定方法步骤简单，易于操作，为后续的激光摄影测量提供了可靠的基础。

Description

一种激光摄影测量***及相机标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光摄影测量***及相机标定方法，属于测量装置标定方法技术领域。

背景技术

随着计算机技术的发展，摄影测量与三维重构技术在机器人视觉、工业制造、工程建筑、文物保护和医学图像分析等领域得到广泛应用。相比于利用三坐标测量仪等接触式测量仪器对实物外表面进行测量，激光扫描等非接触式测量利用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量，具有非接触、速度快、精度高、应用广泛等优点，在工业工程等领域有着一定的应用前景。在测量过程中，基于视觉传感器(如摄像机)获取的图像，建立二维像点与三维物点的对应关系，利用图像中的二维数据反算出对应的三维物体的形貌和相关位置等信息。

要想获得高精度的测量结果，首先需要设计的测量***具有较高的精度；其次建立二维像点与三维物点的对应关系，也即摄像机标定技术，又包括摄像机建模与摄像机标定方法。相机标定主要是标定相机固有的内部几何参数和相机相对物方坐标之间的位置关系等外部参数，其标定结果的好坏直接决定测量得到的三维坐标点的精确程度，尤其是对度量领域，因此需要研究相机的标定方法和研制相应的装置。

目前相机标定技术根据解算相机内部几何参数和外部位置关系参数时所使用的方法，将其分为线性方法、非线性方法和自标定方法。线性方法如直接线性变换方法(DLT变换)，根据环境点与相机图像对应点的关系，通过线性方法求得线性模型参数，进而建立线性模型来描述相机的成像过程，该方法估计相机参数过程效率较高，但是没有考虑成像过程中的非线性畸变问题，因此精度较低。非线性方法对提高摄像机标定精度提供了一条很好的途径，非常适合于多参数的非线性畸变模型的标定，在能提供较好初值的情况下，能更好地模拟和补偿各种像差，可以较快地收敛，得到高精度优化结果，但是它对标定时摄像机模型参数的初始值要求较高，计算量大，计算速度慢。自标定方法在场景未知和相机运动参数未知的情况下也可以标定相机的内外参数，在标定过程中仅依靠多幅图像对应点之间的关系进行，其灵活性高、应用广泛，但是标定的过程主要是基于绝对二次曲线和绝对二次曲面方法，此外还需要求解多元非线性方程，因此只适用于一些对精度要求不高的场合。

造成目前所采用的标定方法存在上述问题的原因主要是其对应的测量***较为复杂。不同的测量***需要采用不同的标定方法来标定，因此为了将标定方法简单化，尽可能避免复杂标定方法造成的标定误差，首先需要使设计的测量***简单，然后在针对设计的测量***设计标定方法。

此外，针对大型的被测物，实际测量时往往是利用多台相机同时测量，而多台相机之间没有相对位置关系，因此需要单独对每台相机进行标定，这样就增加了标定工作量，同时还会增加标定误差，造成测量精度降低。所以在设计测量***及标定方法时还应考虑同时标定两台及以上的相机。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种激光摄影测量***。

本发明还提供上述一种激光摄影测量***中相机的标定方法。

本发明的技术方案如下：

一种激光摄影测量***，包括测量装置，所述测量装置包括底座、支架及计算机；所述支架设置在底座上，在支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧对称设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。

优选的，所述支架的底部设置有水平分度盘。此设计的好处在于，当旋转支架时，通过水平分度盘能够清楚直观地观察到支架旋转的角度。

优选的，所述激光摄影测量***还包括标定装置，所述标定装置包括物方标识点和三个物方板，三个物方板的外形均为正方形，三个物方板前后依次同轴平行设置且三个物方板的边长依次增大，在每个物方板上设置八个所述的物方标识点，八个物方标识点按如下方式分布：在每条边的中点设置一个物方标识点，在相邻两条边的交点设置一个物方标识点。

优选的，所述三个物方板的尺寸分别为：100mm×100mm×10mm，200mm×200mm×10mm，300mm×300mm×10mm。

优选的，所述物方标识点采用直径5mm的圆形薄片。

优选的，所述标定装置还包括导轨，三个物方板通过滑动支架设置在导轨上。此设计的好处在于，将三个物方板通过底部的滑动支架安装在导轨上，方便调节三个物方板之间的间距。

一种激光摄影测量***的相机标定方法，包括以下步骤，

(1)将测量装置放置在标定装置的正前方，建立物方坐标系，并记录各物方标识点在物方坐标系下的物方坐标(X_ci，Y_ci，Z_ci)(i＝1,2…24)；

(2)通过计算机控制相机对三个物方板拍照，得到物方标识点的图像数据，通过计算机内部执行程序识别出图像数据中物方标识点在相机的像坐标系下的实际像坐标(x_0i,y_0i)(i＝1,2…24)；

(3)对每台相机的9个相机参数赋初值，9个相机参数包括相机的线坐标(X_s，Y_s，Z_s)、角坐标(w，κ)、像主点相对于影像中心的位置x₀、y₀和焦距f，各参数初始化赋值如下：

X_s＝(ΣX_ci)/24，Y_s＝(ΣY_ci)/24，Z_s＝(ΣZ_ci)/24；

利用相机角坐标(w，κ)的初始值确定旋转矩阵R：

(4)根据公式(2)计算各物方标识点(X_i,Y_i,Z_i)(i＝1,2…24)在像坐标系下的理论像坐标(x_i，y_i)(i＝1,2…24)，

x_{i} = x_{0} = - f \frac{a_{1} (X_{i} - X_{S}) + b_{1} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{1} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})} - - - (2)

y_{i} - y_{0} = - f \frac{a_{2} (X_{i} - X_{S}) + b_{2} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{2} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})}

然后根据旋转矩阵R、理论像坐标(x_i，y_i)(i＝1,2…24)和实际像坐标(x_0i,y_0i)(i＝1,2…24)按照最小二乘法计算得到误差方程式系数矩阵A_i(i＝1,2…24)，并利用物方标识点的实际像坐标(x_0i,y_0i)(i＝1,2…24)减去理论像坐标值(x_i，y_i)(i＝1,2…24)构成误差矩阵L_i(i＝1,2…24)：

L_i＝[l_x,l_y]^T＝[x_0i–x_i，y_0i-y_i]^T；

(5)根据各物方标识点的误差方程式系数矩阵A_i(i＝1,2…24)和误差矩阵L_i(i＝1,2…24)分别构造两大矩阵A和L：A＝[A₁A₂……A₂₄]^T，L＝[L₁L₂……L₂₄]^T；

然后构造法方程，

(6)求解法方程(3)便可从公式右端得到各相机参数的修正量，判断三个角坐标(w，κ)对应的修正量(Δw，Δκ)是否都小于规定的阈值Δ，若满足条件则计算结束；若不满足条件，通过解算出来的9个相机参数的修正量修改相机参数值，然后重复步骤(3)～(6)；若迭代解算次数超过20次仍然不满足条件，则说明硬件摄影测量***有问题。

优选的，步骤(1)中，在物方板的中心建立物方坐标系XYZ，其中水平向右为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，垂直于物方板为Z轴。

本发明的有益效果在于：

(1)相比于目前已有的摄影测量***的标定装置，本发明的标定装置由物方板和物方标识点组成，结构简单，成本低、安装方便、操作简单、精度高。

(2)传统方法中将定位定姿数据转换到相机中心，如果存在两个或两个以上的相机时，需要建立多个相机坐标系，给计算增加了难度，且不便于数据的归一化处理；本发明中将坐标系建立在标定装置上，将两台相机的位姿坐标都统一到物方坐标系下，便于计算，减少了编程工作量，不再需要对两台相机解算的数据进行坐标变换处理。

(3)根据本发明相机标定方法编写的程序简单、易于操作、求解的精度较高，在图像数据中识别物方标识点的像坐标时，快速、精确；迭代过程简单，整个标定过程不涉及自标定方法中由于二次曲线和二次曲面造成的多元非线性方程组。

附图说明

图1为本发明中测量装置的结构示意图；

图2为本发明中测量装置和标定装置的位置关系示意图；

图3为本发明中测量装置的激光中心轴线垂直于物方板的关系图。

其中：1、底座；2、水平分度盘；3、支架；4、相机；5、激光测距仪；6、线激光发射器；7、相机；8、数据线；9、计算机；10、三角架；11、测量装置；12、点激光；13、第一物方板；14、第二物方板；15、第三物方板；16、物方标识点；17、导轨；18、滑动支架。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

相机的标定，主要是标定相机在物方坐标系下的外方位元素和相机的内方位元素。其中每台相机都有3个内方位元素和6个外方位元素，内方位元素包括像主点相对于影像中心(即照片中心点)的位置x₀、y₀以及镜头中心到影像面的焦距f(也称主距)。外方位元素包括3个用于描述镜头中心相对于物方坐标系位置的线元素X_s，Y_s，Z_s和3个用于描述影像面在摄影瞬间空中姿态的角元素ω、k。激光测距仪点激光中心在物方坐标系中的坐标为(0,0,Z_cj)。

实施例1：

如图1和图2所示，一种激光摄影测量***，该激光摄影测量***包括测量装置和标定装置，其中，测量装置包括底座1、水平分度盘2、支架3、两台相机4和7、线激光发射器6、激光测距仪5、数据线8、计算机9。其中，相机4和相机7对称安装在激光测距仪5两侧,三者都安装在支架3上，计算机9通过数据线8与支架3内的控制设备连接。测量***还包括三脚架10，底座1通过三脚架10上的螺纹锁紧件与三脚架10连接固定。

相机4、相机7、线激光发射器6和激光测距仪5均由计算机9通过数据线8来传输控制命令，并将获得的图像数据传递到计算机9中，方便数据的存储、计算和分析。

计算机9装有相机4、相机7、线激光发射器6和激光测距仪5的驱动及控制程序，负责控制发射激光、相机转动和拍摄照片等。

计算机9还装有实现相机标定方法的执行程序，通过读取图像数据解算得到相机位置和姿态坐标(位置坐标也即相机的线元素、姿态坐标也即相机的角元素，简称位姿坐标)。

如图2所示，标定装置是一个物方模型，该物方模型包括三个用于布置物方标识点16的物方板，三个物方板包括第一物方板13、第二物方板14和第三个物方板15，第一物方板13和第二物方板14底部设置有滑动支架18，通过滑动支架18将第一物方板13和第二物方板14放置导轨17上，第三物方板15与导轨17的一端固定在一起(第三物方板也可通过滑动支架设置在导轨上)。第一物方板13、第二物方板14和第三物方板15上均布置有8个物方标识点16，均匀布置在每个物方板四条边上。

其中，第一物方板13的尺寸(长宽厚)为100mm×100mm×10mm，第二物方板14的尺寸为200mm×200mm×10mm，第三物方板15的尺寸为300mm×300mm×10mm，三个物方板前后依次平行放置，物方板的中心以及测量装置11的激光中心均在同一条线上，因此测量装置11正对着物方模型获取物方标识点16的图像时，在一张照片上便能够同时显示所有物方标识点的图像。

物方标识点16是直径5mm的圆形薄片，为了与背景色有明显的区别，将物方标识点16表面涂成黑色。

第一物方板13和第二物方板14通过与其相连接的滑动支架18可在导轨17上滑动，从而可以调节三个物方板之间的距离。

所述的物方模型上，在第三物方板15的中心建立物方坐标系，水平向右为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，垂直于第三物方板15为Z轴，方向遵循右手定则。

本实施例中的激光摄影测量***结构简单、方便操作、精度高，是进行相机标定方法的基础，同时高精度的激光摄影测量***也是后续进行激光摄影测量而获得高精度测量结果的保证。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例详细说明利用实施例1所述的激光摄影测量***进行相机标定方法的过程。

本实施例提供一种激光摄影测量***的相机标定方法，首先得到在物方坐标系下各物方标识点16的坐标，然后调整测量装置11，使两台相机正对物方模型拍照，得到24个物方标识点16的图像数据。通过计算机9上实现相机标定方法的执行程序读出各物方标识点16的像坐标，利用物方标识点16的物方坐标与像坐标的对应关系，由执行程序计算得到两台相机和激光测距仪点激光中心在物方坐标系中的位姿坐标及内方位元素参数。具体标定方法如下：

步骤1：确定各物方标识点16在物方坐标系下的坐标值(X_ci，Y_ci，Z_ci)(i＝1,2…24)；

步骤2：将测量装置11通过螺纹锁紧件固定在三脚架10上，然后将计算机9通过数据线8与测量装置相连，启动计算机9上控制相机与激光测距仪点激光中心的驱动及控制程序，通过控制程序调整测量***位姿，使激光测距仪轴线水平；

步骤3：调整物方模型的位置，使其正对着测量装置11，第一物方板13在最前面；

步骤4：如图2、图3所示，调整测量装置11的位姿，使点激光12与物方模型的第一物方板13垂直。具体步骤如下：

(1)通过计算机9上的控制程序，打开测量装置11的激光测距仪5，激光测距仪5发射的点激光12，通过肉眼观察使点激光12近似垂直于物方模型的第一物方板13，点激光12打在第一物方板13的O₂位置，如图3所示；

(2)以O₁O₂线为基准位置，通过旋转支架3，使O₁O₂绕点激光中心O₁点逆时针转过θ₁到O₁A的位置，通过激光测距得到O₁A的长度L_a；

(3)以O₁O₂线为基准位置，通过旋转支架3，使O₁O₂绕测量装置中心O₁点顺时针转过θ₁到O₁B的位置，通过激光测距得到O₁B的长度L_b；

(4)比较L_a与L_b的大小，如果L_a>L_b，转动水平支架3使O₂右移向B靠近；如果L_a<L_b，转动水平支架使O₂左移向A靠近；

(5)如果L_a＝L_b，则点激光12在水平方向垂直于第一物方板13；否则重复步骤(2)～(4)，最终使点激光12与物方模型的第一物方板13在水平方向上垂直；

(6)保证点激光12在竖直方向上与第一物方板13垂直的方法同上述步骤，只需要将方向改为在竖直方向上微调点激光12的位置。

步骤5：通过计算机9上的控制程序，打开相机4和相机7，对物方模型拍照，通过程序分别获取各个物方标识点16在像坐标系下的实际像坐标(x_0i,y_0i)(i＝1,2…24)；

步骤6：给每台相机的9个参数赋初值，9个参数包括相机的线坐标(X_s，Y_s，Z_s)、角坐标(w，κ)、像主点相对于影像中心(即照片中心点)的位置x₀、y₀和焦距f，各参数初始化赋值如下：

X_s＝(ΣX_ci)/24，Y_s＝(ΣY_ci)/24，Z_s＝(ΣZ_ci)/24；

步骤7：根据公式(1)，利用相机角坐标元素值w、κ确定旋转矩阵R中各元素的值：

步骤8：利用基于空间后方交会原理编写的程序计算得到理想情况下物方标识点在相机的像坐标系下的理论像坐标，根据公式(2)计算各物方标识点(X_i,Y_i,Z_i)在像坐标系下的理论像坐标(x_i，y_i)(i＝1,2…24)，

x_{i} - x_{0} = - f \frac{a_{1} (X_{i} - X_{S}) + b_{1} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{1} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})} - - - (2)

y_{i} - y_{0} = - f \frac{a_{2} (X_{i} - X_{S}) + b_{2} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{2} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})}

步骤9：然后根据旋转矩阵R、各物方标识点的理论像坐标(x_i，y_i)(i＝1,2…24)和实际像坐标(x_0i,y_0i)(i＝1,2…24)按照最小二乘法计算误差方程式系数矩阵A_i(i＝1,2…24)；

步骤10：利用物方标识点像坐标的实际值(x_0i,y_0i)减去理论像坐标值(x_i，y_i)构成误差矩阵L_i(i＝1,2…24)：

L_i＝[l_x,l_y]^T＝[x_0i–x_i，y_0i-y_i]^T；

步骤11：根据各物方标识点系数矩阵A_i(i＝1,2…24)和误差矩阵L_i(i＝1,2…24)分别构造成两个大矩阵A和L：A＝[A₁A₂……A₂₄]^T，L＝[L₁L₂……L₂₄]^T；

步骤12：构造法方程，求解法方程便可从公式右端得到相机各参数的修正量；

步骤13：判断三个角坐标(w，κ)对应的修正量(Δw，Δκ)是否都小于规定的阈值Δ，如果满足条件则计算结束；如果不满足条件，通过解算出来的9个相机参数的修正量修改相机参数值，然后重复步骤7～12；如果迭代解算次数超过20次仍然不满足条件，说明硬件摄影测量***有问题。

步骤14：两台相机都按照上述步骤进行解算，不同之处在于物方标识点的像坐标分别取自两台相机各自拍到的图像数据，最终解算得到两台相机的9个参数。由于激光测距仪点激光中心位于两台相机的对称中心，因此其线坐标为两台相机线坐标的平均值。

实际在拍摄照片进行相机参数解算时，为了避免随机误差，每个相机拍摄3～5张照片，并解算每张照片的数据，通过分析数据，剔除偏差较大的数据，对剩下的几组数据取平均值得到相机的9个参数。

本发明在实施过程中借鉴了现有技术，限于篇幅，未对现有技术部分进行详细描述；凡是本发明未提及的技术部分，均可以采用现有技术实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光摄影测量***，包括测量装置，其特征在于，所述测量装置包括底座、支架及计算机；所述支架设置在底座上，在支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧对称设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。

2.如权利要求1所述的激光摄影测量***，其特征在于，所述支架的底部设置有水平分度盘。

3.如权利要求1所述的激光摄影测量***，其特征在于，所述激光摄影测量***还包括标定装置，所述标定装置包括物方标识点和三个物方板，三个物方板的外形均为正方形，三个物方板前后依次同轴平行设置且三个物方板的边长依次增大，在每个物方板上设置八个所述的物方标识点，八个物方标识点按如下方式分布：在每条边的中点设置一个物方标识点，在相邻两条边的交点设置一个物方标识点。

4.如权利要求3所述的激光摄影测量***，其特征在于，所述三个物方板的尺寸分别为：100mm×100mm×10mm，200mm×200mm×10mm，300mm×300mm×10mm。

5.如权利要求3所述的激光摄影测量***，其特征在于，所述物方标识点采用直径5mm的圆形薄片。

6.如权利要求3所述的激光摄影测量***，其特征在于，所述标定装置还包括导轨，三个物方板通过滑动支架设置在导轨上。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的激光摄影测量***的相机标定方法，包括以下步骤，

(3)对每台相机的9个相机参数赋初值，9个相机参数包括相机的线坐标(X_s，Y_s，Z_s)、角坐标像主点相对于影像中心的位置x₀、y₀和焦距f，各参数初始化赋值如下：

X_s＝(ΣX_ci)/24，Y_s＝(ΣY_ci)/24，Z_s＝(ΣZ_ci)/24；

利用相机角坐标的初始值确定旋转矩阵R：

x_{i} - x_{0} = - f \frac{a_{1} (X_{i} - X_{S}) + b_{1} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{1} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})} - - - (2)

y_{i} - y_{0} = - f \frac{a_{2} (X_{i} - X_{S}) + b_{2} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{2} (Z_{i} - Z_{S})}{a_{3} (X_{i} - X_{S}) + b_{3} (Y_{i} - Y_{S}) + c_{3} (Z_{i} - Z_{S})}

L_i＝[l_x,l_y]^T＝[x_0i–x_i，y_0i-y_i]^T；

然后构造法方程，

(6)求解法方程(3)便可从公式右端得到各相机参数的修正量，判断三个角坐标对应的修正量是否都小于规定的阈值Δ，若满足条件则计算结束；若不满足条件，通过解算出来的9个相机参数的修正量修改相机参数值，然后重复步骤(3)～(6)；若迭代解算次数超过20次仍然不满足条件，则说明硬件摄影测量***有问题。

8.如权利要求7所述的相机标定方法，其特征在于，步骤(1)中，在物方板的中心建立物方坐标系XYZ，其中水平向右为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，垂直于物方板为Z轴。