CN111311688A - 一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，包括以下步骤：第一楔形镜头和第二楔形镜头产生的焦点偏移效应等效为一块厚平行镜头产生的焦点偏移，从而估算得到后焦距延伸估计量；引入变量δ，计算该设定区间内所有变量δ对应的图像匹配误差M，从而获取当图像匹配误差M的数值最小时对应的δ数值，得到后焦距延伸精确量；通过后焦距延伸精确量得到在空间直角坐标系中精确等效焦点的坐标，最后完成标定。与现有技术相比，本发明能够方便、快捷并且精确地实现双传感器变视轴监测装置的标定，从而为后续的图像融合及摄影测量等应用打下良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种于双传感器监测装置，尤其是涉及一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法。
背景技术
现有技术中的双传感器监测装置大多是直接采用具有一定夹角的两个相机进行拍摄和图像融合，虽然两个相机之间的夹角可调，能够在左右方向进行一定的视场扩张，但是其整体的视场仍然在上下方向仍然受到较大的限制。
如授权公告号为CN108196363B为中国发明公开了一种同步带驱动的旋转双棱镜集成机构，该机构通过两个楔形的双棱镜结构实现了高精度的光学跟踪、扫描、以及相机视场的扩大。如果将该同步带驱动的旋转双棱镜集成机构和双传感器检测装置结合为一个新的装置，就可以同时综合双传感器监测装置的高清晰度以及旋转双棱镜集成机构的大视场优点。但是，现有的技术中尚不存在应用于这种结合装置的标定方法，因此难以实现图像融合技术。同时，由于双棱镜之间存在间距，并且本身具有厚度，使得其目标物在经过双棱镜后会存在不唯一的等效焦点，传统的标定方法会产生明显的误差，反而影响图像的清晰度。因此，本发明提出了一种适用于上述结合装置的标定方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，所述的双传感器变视轴监测装置包括第一相机、第二相机、壳体、旋转棱镜模块和驱动控制模块，所述的第一相机、第二相机、旋转棱镜模块和驱动控制模块都设置在壳体内，所述的旋转棱镜模块包括两个同轴设置的第一楔形镜头和第二楔形镜头，两个楔形镜头的楔面相对，所述的驱动控制模块连接旋转棱镜模块，所述的第一相机位于第一楔形镜头的正后方，所述的第二相机位于第一相机的侧边，第二相机与第一相机对目标进行融合成像；
所述的双传感器变视轴监测装置中包括以下参数：目标点O；第一相机的光学中心Or；第一相机的焦点Fr；以第一楔形镜头的平面中心Jo为原点建立空间直角坐标系；第一相机的中心入射矢量
该矢量经过两个楔形镜头的折射依次与两个楔形镜头交于Jo,Ko,Mo,No，其中，Ko为第一楔形镜头的楔面出射点，Mo为第二楔形镜头的入射点，No为第二楔形镜头的出射点；
所述的标定方法具体包括以下步骤：
S1、将第一楔形镜头和第二楔形镜头产生的焦点偏移效应等效为一块厚平行镜头产生的焦点偏移，从而估算得到后焦距延伸估计量Lestimation，该后焦距延伸估计量Lestimation为第二楔形镜头平面中心点No到预估等效焦点的距离；
S2、引入变量δ，使得后焦距延伸精确量Laccurate的表达式为：
Laccurate＝Lestimation+δac curate
其中，变量δ位于一个0附近的设定区间内，计算该设定区间内所有变量δ对应的图像匹配误差M，从而获取当图像匹配误差M的数值最小时对应的δ数值，即为δaccurate；
所述的后焦距延伸精确量Laccurate即为第二楔形镜头平面中心点No到精确等效焦点的距离，从而能够得到在空间直角坐标系中精确等效焦点的坐标；
S3、根据精确等效焦点的坐标以及该旋转棱镜模块的视轴指向，得到相应的平移矩阵以及旋转矩阵，实现旋转棱镜成像的相机标定。
进一步地，所述的步骤S1中，估算后焦距延伸估计量Lestimation的计算表达式为：
其中，JoKo表示第一楔形镜头的平面中心Jo到第一楔形镜头的楔面出射点Ko的距离，MoNo表示第二楔形镜头的楔面入射点Mo到第二楔形镜头的平面出射点No的距离，FrJo表示第一相机的焦点Fr到第一楔形镜头的平面中心Jo的距离，KoMo表示第一楔形镜头的楔面出射点Ko到第二楔形镜头的楔面入射点Mo的距离，n表示楔形镜头的折射率。
进一步地，所述的图像匹配误差M的计算表达式为：
其中，λ为
的单位矢量；i为
的单位矢量；Ir为一个平面与第一相机出射光线矢量的交点集；Iv为一个平面与等效相机出射光线矢量的交点集；交点集Ir和Iv为(lenvlenu)×3的矩阵；lenu为图像像素宽度；lenv为图像像素高度；i＝1,2,3,4，A0为(lenvlenu)×3的第一楔型镜头的入射矢量簇，为已知量；A1为第一楔型镜头的折射矢量簇；A2为第一楔型镜头的出射矢量簇；A3为第二楔型镜头的折射矢量簇；A4为第二楔型镜头的出射矢量簇；A4c为第二楔型镜头的出射矢量簇的第c列；V1为第一楔型镜头的平面法向量；V2为第一楔型镜头的楔面法向量；V3为第二楔型镜头的平面法向量；V4为第二楔型镜头的楔面法向量，这四个法向量均为已知量；Nc为A4与第二楔型镜头楔面交点矩阵的第c列；其中，n1和n3为空气的折射率，n1＝n3＝1，n0、n2和n4为镜头棱镜的折射率，n0＝n2＝n4＝n；Ons(m,n)是自定义符号，其代表着一个m行n列的全1矩阵，其表达式为：
进一步地，所述的步骤S2中，变量δ的设定区间为[-5,5]，单位毫米。
进一步地，所述的步骤S2中，计算精确等效焦点坐标的表达式为：
其中，
表示精确等效焦点的坐标，
表示第二楔形镜头的平面出射点No的坐标，λ表示最终出射光线矢量
的单位矢量。
进一步地，所述的第一相机和第二相机分别互为不同类型的可见光相机。
进一步地，所述的第一相机和第二相机分别互为热像/红外相机和可见光相机。
进一步地，所述的双传感器变视轴监测装置还包括一个光源设备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提出了一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，能够方便、快捷并且精确地实现双传感器变视轴监测装置的标定，从而为后续的图像融合及摄影测量等应用打下良好的基础。
2、本发明中，探讨对象为图像矩阵而非单一的光线矢量，标定过程更***、全面。
3、本发明的图像标定流程简便，无需繁琐的硬件调试，提升了标定效率，使得实时标定成为可能。
4、本发明的标定方法对于多波段的成像标定(如近红外，远后外、热红外)均有效。
附图说明
图1为双传感器变视轴监测装置的结构示意图。
图2为双传感器变视轴监测装置的工作原理图。
图3为使用旋转棱镜模块进行成像时的几何模型图。
图4为等效焦点计算方法的原理示意图。
图5为采用等效的厚平行镜片估算后焦距延伸量的原理图。
图6为第一相机标定结果的精度示意图。
附图标记：1、第一相机，2、第二相机，3、壳体，4、旋转棱镜模块，5、驱动控制模块，6、第一楔形镜头，7、第二楔形镜头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种双传感器变视轴监测装置。该双传感器变视轴监测装置包括第一相机1、第二相机2、壳体3、旋转棱镜模块4和驱动控制模块5。第一相机1、第二相机2、旋转棱镜模块4和驱动控制模块5都设置在壳体3内。旋转棱镜模块4包括两个同轴设置的第一楔形镜头6和第二楔形镜头7，两个楔形镜头的楔面相对。驱动控制模块5连接旋转棱镜模块4。第一相机1位于第一楔形镜头6的正后方，第二相机2位于第一相机1的侧边，第二相机2与第一相机1对目标进行融合成像。
旋转棱镜模块4包括了轴承，弹性挡圈，齿轮及电机等以实现棱镜的旋转。驱动控制模块5包括单片机，扩展板，电机驱动以及无线传输模块等。本实施例中旋转棱镜模块4和驱动控制模块5等的具体机械结构均为现有成熟的技术，因此在本实施例中不再赘述。
本实施例中，通将第一相机1和第二相机2设置成不同种类的相机组合，实现了不同应用场景下大视场、高分辨率的目标监测与跟踪。
第一相机1和第二相机2可以采用两个不同分辨率和视场角的可见光相机，第一相机1前的旋转棱镜模块4进一步地扩大了整体的视场角。
第一相机1和第二相机2也可以采用热像/红外相机和可见光相机，先通过热像/红外相机识别视场范围内的目标，再利用旋转棱镜模块4使可见光相机的视轴指向目标，实现对目标的双光融合监测与跟踪。由于热像/红外相机的分辨率普遍较低，难以识别目标的细节特征，因此需要借助可见光相机，通过图像融合以提升图像清晰度。通过热像/红外相机和可见光相机的设置，实现了在恶劣天气、低照度环境及夜间的大视场目标搜索。同时，双相机配置可以实时地对大视场和其中的特定目标进行同步监测，同步获取全局情况和局部高清图像。克服了传统的双传感器监测装置视轴固定，视场有限，无法兼顾对全局的监测和对局部目标的跟踪的缺点。
本实施例提供了一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法。
如图3所示，为本实施例中旋转棱镜模块进行成像时的几何模型。双传感器变视轴监测装置中包括以下参数。第一相机采用小孔成像模型，假设相机与楔形镜头均不存在误差。Or为第一相机的光学中心，Fr为第一相机焦点。O为目标点。Jo为第一楔形镜头的平面中心，Ko为第一楔形镜头的楔面出射点，Mo为第二楔形镜头的楔面入射点，No为第二楔形镜头的平面出射点；
为第一相机的中心入射矢量，该矢量经过两个楔形镜头的折射依次与两个楔形镜头交于Jo,Ko,Mo,No。以Jo为原点建立空间直角坐标系。
为第一相机上的任意一点的入射矢量，该矢量依次与两个楔形镜头交于Jp,Kp,Mp,Np。
标定方法的原理和步骤为：理论上，出射矢量
与
的反向延长线交点为第一相机实际成像时的焦点Fv(以下称之为等效焦点)，与等效焦点Fv所对应的光心为等效光心Ov。通过获取等效焦点坐标与当前旋转棱镜模块的视轴指向角即可实现相机标定。然而实际上，由于楔形镜头存在厚度且两个楔形镜头之间存在间距，任意两个出射矢量的反向延长线不存在唯一交点Fv，即等效焦点不唯一。若使用反向延长线中的最近点进行估算，则会产生明显的标定误差。因此，本发明中提出了一种两步标定法。首先忽略两个楔形镜头的转角，将两个楔形镜头产生的焦点偏移效应等效为一块厚平行镜片产生的焦点偏移，如图4的右上角小图所示，从而快速地估算后焦距延伸量L。其次在后焦距延伸方向NoO进行搜索，搜索一个产生最小图像匹配误差的点，该点即为等效焦点。
如图4所示，Or为第一相机的光心，Ov为等效光心。
是Or出发的入射矢量，
是Ov出发的入射矢量，
为
的出射矢量。根据推算，
和
是共线矢量，并且等效焦点Fv在矢量
的延长线上，而矢量
为视场中心入射矢量所对应的出射矢量。由于等效焦点Fv在一条已知直线上，其空间坐标位置可以通过计算后焦距延伸量获得。后焦距延伸量L指的是等效焦点Fv和已知点No之间的距离。
如图3～图6所示，标定方法具体包括以下步骤：
①计算后焦距延伸方向焦点偏移距离B。如图5所示，单色光出射光线的反向延长线准确地汇聚于光轴上的一点，因而可以直接计算出后焦距延伸量L。当入射光线矢量不垂直于楔形镜头的入射表面时，由厚平行镜片产生的后焦距延伸方向焦点偏移距离为：
其中，tthick为等效厚平行镜片的厚度，tthick＝2t，t为已知的楔形镜头中心点处厚度，参见图4。n为镜头棱镜的折射率。ε为入射光线矢量于楔形镜头入射表面法向量的夹角。s为光线在楔形镜头中经过的距离(光程)。为了更精确地估算，使得s＝s1+s2。其中s1＝JoKo和s2＝MoNo为光线在第一楔形镜头和第二楔形中经过的距离。
②求解镜头棱镜产生的棱镜后焦距延伸量Lprism。
③求解估算棱镜后焦距延伸估计量Lestimation。对于第二楔形镜头出射面上的光线出射点(第二楔形镜头的平面中心)No，估算Lestimation的表达式为：
其中，JoKo表示第一楔形镜头的平面中心Jo到第一楔形镜头的楔面出射点Ko的距离，MoNo表示第二楔形镜头的楔面入射点Mo到第二楔形镜头的平面出射点No的距离，FrJo表示第一相机的焦点Fr到第一楔形镜头的平面中心Jo的距离，KoMo表示第一楔形镜头的楔面出射点Ko到第二楔形镜头的楔面入射点Mo的距离，n表示镜头棱镜的折射率。
④求解估计等效焦点的坐标
其中λ为
的单位矢量。设
表示第二楔形镜头的平面中心No的坐标。
⑤定义并求解图像匹配误差M。设有一个平面S1垂直于Z轴。它与真实相机出射光线矢量的交点集为Ir，与等效相机出射光线矢量的交点集为Iv。交点集Ir和Iv为(lenvlenu)×3的矩阵(一共三列，分别表示xyz坐标)。lenu与lenv分别为相机所成图像的水平像素数量与竖直像素数量(如1920*1080)，即该矩阵的每一行为各个像素点的坐标，共lenvlenu个像素点。Ir和Iv之间存在匹配误差，每一点的匹配误差在计算后投影到一个垂直于后焦距延伸方向的平面S2上。图像匹配误差M为这些匹配误差的平均值。其中，lenu为图像像素宽度，lenv为图像像素高度。因此，对于估算等效焦点，其图像匹配误差M计算如下。
其中，
为Ir的第c列，
为Iv的第c列，cmax＝3。dis为空间坐标系原点到平面S1的距离。zv为等效焦点的z坐标。i为
的单位矢量。其中，A4为第二楔型镜头的出射矢量簇，
为A4的第c列，Nc为A4与第二楔型镜头楔面交点矩阵的第c列，A4和Nc均可以通过现有技术在旋转棱镜模块中采用正向解公式进行计算。
其中，V1为第一楔型镜头的平面法向量；V2为第一楔型镜头的楔面法向量；V3为第二楔型镜头的平面法向量；V4为第二楔型镜头的楔面法向量，这四个法向量均为已知量；n1和n3为空气的折射率，n1＝n3＝1，n0、n2和n4为镜头棱镜的折射率，n0＝n2＝n4＝n。
⑥求解后焦距延伸精确量Laccurate。在完成了等效焦点的估算后，两步标定法的第二步为在后焦距延伸方向搜索一个更为精准的等效焦点。在此基础上，引入变量δ。使得后焦距延伸量L为L＝Lestimation+δ
因此，此时的图像匹配误差M为
式中，Ons(m,n)为本发明中为了方便表述而定义的符号，其代表着一个m行n列的全1矩阵，其表达式为：
(No-λ(Lestimation+δ))c为等效焦点坐标值的第c列。δ位于一个0附近的小区间内(区间大小取决于***参数)。本实施例中采用的δ区间为[-5,5]，单位毫米。区间内，不同后焦距延伸量L对应着不同的图像匹配误差M。M越小，等效焦点的精度越高。通过计算，得到如图6的图像匹配误差M与变量δ的关系。其中，第一楔形镜头的转角为0°，第二楔形镜头的转角分别为0°、45°、90°、135°、180°。黑色原点EP代表着等效焦点。该计算结果展现了，不同的棱镜转角组合下图像匹配误差M与后焦距延伸量L的关系。
由此可知M在该区间内有极小值，即区间内存在着唯一的精确等效焦点。因此定义，使得区间内M取极小值的变量为δaccurate，而此时的精确后焦距延伸量即为Laccurate。
Laccurate＝Lestimation+δaccurate
⑦计算精确等效焦点。在精确后焦距延伸量的基础上，可以计算得精确等效焦点的坐标
⑧根据精确等效焦点的坐标与视轴指向实现相机标定。由于已求得等效焦点的精确位置以及该棱镜转角组合下的视轴指向，可以求出相应的平移矩阵以及旋转矩阵，实现旋转棱镜成像的相机标定。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于：
所述的双传感器变视轴监测装置包括第一相机、第二相机、壳体、旋转棱镜模块和驱动控制模块，所述的第一相机、第二相机、旋转棱镜模块和驱动控制模块都设置在壳体内，所述的旋转棱镜模块包括两个同轴设置的第一楔形镜头和第二楔形镜头，两个楔形镜头的楔面相对，所述的驱动控制模块连接旋转棱镜模块，所述的第一相机位于第一楔形镜头的正后方，所述的第二相机位于第一相机的侧边，第二相机与第一相机对目标进行融合成像；
所述的双传感器变视轴监测装置中包括以下参数：目标点O；第一相机的光学中心Or；第一相机的焦点Fr；以第一楔形镜头的平面中心Jo为原点建立空间直角坐标系；第一相机的中心入射矢量
该矢量经过两个楔形镜头的折射依次与两个楔形镜头交于Jo，Ko，Mo，No，其中，Ko为第一楔形镜头的楔面出射点，Mo为第二楔形镜头的入射点，No为第二楔形镜头的出射点；
所述的标定方法具体包括以下步骤：
S1、将第一楔形镜头和第二楔形镜头产生的焦点偏移效应等效为一块厚平行镜头产生的焦点偏移，从而估算得到后焦距延伸估计量Lestimation，该后焦距延伸估计量Lestimation为第二楔形镜头平面中心点No到预估等效焦点的距离；
S2、引入变量δ，使得后焦距延伸精确量Laccurate的表达式为：
Laccurate＝Lestimation+δaccurate
其中，变量δ位于一个0附近的设定区间内，计算该设定区间内所有变量δ对应的图像匹配误差M，从而获取当图像匹配误差M的数值最小时对应的δ数值，即为δaccurate；
所述的后焦距延伸精确量Laccurate即为第二楔形镜头平面中心点No到精确等效焦点的距离，从而能够得到在空间直角坐标系中精确等效焦点的坐标；
S3、根据精确等效焦点的坐标以及该旋转棱镜模块的视轴指向，得到相应的平移矩阵以及旋转矩阵，实现旋转棱镜成像的相机标定。
2.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤S1中，估算后焦距延伸估计量Lestimation的计算表达式为：
其中，JoKo表示第一楔形镜头的平面中心Jo到第一楔形镜头的楔面出射点Ko的距离，MoNo表示第二楔形镜头的楔面入射点Mo到第二楔形镜头的平面出射点No的距离，FrJo表示第一相机的焦点Fr到第一楔形镜头的平面中心Jo的距离，KoMo表示第一楔形镜头的楔面出射点Ko到第二楔形镜头的楔面入射点Mo的距离，n表示楔形镜头的折射率。
3.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的图像匹配误差M的计算表达式为：
其中，λ为
的单位矢量；i为
的单位矢量；Ir为一个平面与第一相机出射光线矢量的交点集；Iv为一个平面与等效相机出射光线矢量的交点集；交点集Ir和Iv为(lenvlenu)×3的矩阵；lenu为图像像素宽度；lenv为图像像素高度；i＝1，2，3，4，A0为(lenvlenu)×3的第一楔型镜头的入射矢量簇，为已知量；A1为第一楔型镜头的折射矢量簇；A2为第一楔型镜头的出射矢量簇；A3为第二楔型镜头的折射矢量簇；A4为第二楔型镜头的出射矢量簇；A4c为第二楔型镜头的出射矢量簇的第c列；V1为第一楔型镜头的平面法向量；V2为第一楔型镜头的楔面法向量；V3为第二楔型镜头的平面法向量；V4为第二楔型镜头的楔面法向量，这四个法向量均为已知量；Nc为A4与第二楔型镜头楔面交点矩阵的第c列；其中，n1和n3为空气的折射率，n1＝n3＝1，n0、n2和n4为镜头棱镜的折射率，n0＝n2＝n4＝n；Ons(m，n)是自定义符号，其代表着一个m行n列的全1矩阵，其表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤S2中，变量δ的设定区间为[-5，5]，单位毫米。
5.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的步骤S2中，计算精确等效焦点坐标的表达式为：
其中，
表示精确等效焦点的坐标，
表示第二楔形镜头的平面出射点No的坐标，λ表示最终出射光线矢量
的单位矢量。
6.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的第一相机和第二相机分别互为不同类型的可见光相机。
7.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的第一相机和第二相机分别互为热像/红外相机和可见光相机。
8.根据权利要求1所述的一种基于双传感器变视轴监测装置的标定方法，其特征在于，所述的双传感器变视轴监测装置还包括一个光源设备。
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