[發明專利]一種用于攝影測量的相機外參數標定裝置及標定方法

有效

• 申請號: 201410549442.1
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104240262A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 楊威;賀善金;周進;羅劍;王衛文
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01C11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及用于攝影測量的相機的標定的技術領域，具體涉及一種用于攝影測量的相機外參數標定裝置及標定方法。

背景技術

攝影測量被廣泛應用于三維模型重建、物體表面尺寸測量、目標位置和姿態測量、空間對接、醫學診斷以及運動恢復等領域。為了獲取目標三維信息，攝影測量一般需要兩臺或以上的相機進行交會測量從而形成立體視覺測量系統，因此，標定多個相機在統一基準坐標系的位置和姿態就成為測量系統測量精度的一個關鍵影響因素。本發明中相機的外參數即相機相對于基準坐標系的旋轉矩陣和平移向量。傳統的相機參數標定比較典型的有zhang提出了基于共面標定參照物方法，該方法允許共面參照物在視場內自由移動，通過獲取多幅高質量的標定圖像，進行相機的內參數標定，固定拍攝某一幅，可以標定相機相對于此時固定的標定參照物坐標系的外參數，該方法標定過程簡單，對靶標的要求低，但該方法不能實現多個平面坐標系和基準坐標系的統一，只適用于測量范圍較小的相機標定場合；此外，還有一種使用輔助像機進行全視場法標定，要求輔助像機同時采集到標定參考系控制點和基準系控制點的圖像，這需要輔助像機有較大的視場范圍，從而其成像分辨率會比較低，影響標定的精度；上述標定方法中的輔助像機可以用激光跟蹤儀(Laser?Tracker)代替，激光跟蹤儀能夠高精度測量空間點，對于“全視場”的范圍很大的情況，以激光跟蹤儀代替輔助像機進行全視場法標定有利于提高標定精度，但激光跟蹤儀成本較高，且標定流程較為繁瑣。

從上述分析可知，立體視覺測量系統中的相機外參數標定既要滿足精度要求，也盡量使得標定靶標使用簡便，成本低廉，適用范圍廣，可重復多次使用。從這個角度出發，如何將上述兩種典型方案中，取其精華棄其糟粕，設計一套立體視覺系統中的外參數標定方法和裝置，成為了一個有待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一套外參數標定裝置和方法，該裝置測量范圍廣，便于加工和使用，測量精度高，為大范圍全視場中多相機立體標定提供很好的解決方案。

本發明采用的技術方案為：一種用于攝影測量的相機外參數標定裝置，整個相機外參數標定裝置由靶標桿、對中桿、調平機構和測量基準點四個部分組成。靶標桿在標定桿機構上方，靶標桿上面安裝有10個一列的圓形標志點，標志點圓心在靶標平面成直線排列。機構的下方是對中桿，用于對準測量基準點，保證標定架設的位置精度，且標志點連線與對中桿中軸線在同一直線上，且每個標志點圓心到對中桿底部的距離已知，即相對標定桿下方基準點的位置已精確獲得，若使得對中桿垂直于水平面，則通過預先標定的基準點坐標(基準坐標系的Y軸垂直于水平面)，即可以獲得每個圓形標志點的中心在基準坐標系下的坐標。為了使得對中桿垂直于水平面，那么要求與對中桿垂直的調平機構所在平面保證水平，因此，該裝置在對中桿后面有兩根支撐桿，支撐桿底部靠近地面位置有調平螺釘，用于調節使靶標桿垂直于水平面；調平時，首先將傾斜角傳感器固定在載物臺上，然后通過旋轉調平螺釘，使傳感器讀數達到最接近0值即可。此外，當對中桿下端與基準點位連接后，且調平機構調整水平，整個標定裝置可以繞基準點豎直方向進行360°旋轉，使得靶標桿可以被多個相機觀測，從而可以實現多臺相機同時標定。

基于上述裝置，本發明提供一種相機外參數標定方法，相機外參數標定的方法流程如下：

步驟1)、對外參數標定的相機現進行內參數標定，內參數包括：相機的光心坐標、等效焦距和畸變系數；

步驟2)、在標定桿安放位置預埋有四個測量基準點，每個測量基準點的在基準坐標系下的坐標事前已測量得到；

步驟3)、首先將靶標下方的對中桿放置在點位1上，然后調整標定桿支架底部的兩個調平機構使整個靶標桿垂直于水平面，如圖5所示。在靶標桿底部的安裝平板上有傾斜量傳感器，可根據其讀數判斷當前位置是否已調平；

步驟4)、然后使用相機拍攝當前的靶標桿圖像并記錄。接著將靶標桿移動到點位2，重復上述對準和調平的過程，然后拍攝在點位2處的靶標桿圖像。直到四個點位的圖像拍攝完畢；

步驟5)、根據預先標定四個基準點在基準坐標系下的坐標，可以標定裝置調節水平后，其平面板上的十個標志點在基準坐標系下的坐標；

步驟6)、通過外參數標定裝置采集四幅圓形標志點圖像，如圖6所示，利用橢圓擬合的方法提取標志點中心坐標，通過拼接，組合成四十個標志點成像數據；