[發明專利]基于差分GPS系統的外場大視場條件下的攝像機標定方法

有效

• 申請號: 201710230059.3
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107146256B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 孫祥一;蔣海軍;孫瀾瓊;傅丹;杜勝堅
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

本發明涉及基于差分GPS系統的外場大視場條件下的攝像機標定方法。本方法將差分GPS系統的移動部分裝載到飛行平臺上構成空間控制點單元，通過控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標，再用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標。本方法解決了外場大視場條件下難以獲得空間控制點的問題，差分GPS系統的測量精度能達到厘米級，且只需控制點在視場內均勻分布就能解算出結果，故本方法精度高、簡單實用。

技術領域

本發明主要利用差分GPS系統高精度、簡單快速地獲得攝像機空間控制點坐標及控制點對應像點的圖像坐標的優點，對外場大視場條件下的攝像機進行標定。

背景技術

隨著科學技術的不斷發展，攝影測量技術已經廣泛應用于各種精密測量和運動測量，涉及航空航天、國防試驗、勘察勘測、交通運輸等領域。它相對于其他測量技術的主要優勢在于其高精度、非接觸、運動和動態測量、實時測量等顯著特點。高精度標定攝像機參數是進行高精度攝像測量的基礎，包括主點、焦距等內參數、描述攝像機安裝位置、姿態的外參數和描述鏡頭畸變的像差系數。因此研究具有精度高、實用性強、操作簡單等特點的攝像機標定方法有著重要的理論意義和應用價值。

近年來，攝像機標定的方法發展迅猛。攝像機標定實施方式有兩大類：一類是通過經緯儀、準直光管、標定試驗場等專用設備進行標定；另一類用攝像機拍攝標定參照物，即標定靶標的圖像，再通過分析圖像來求解像機參數。在攝像機標定方法發展過程中，比較經典的標定方法包括Tsai、Weng、以及Zhang等人的標定方法。這些方法是通過精確給定的空間控制點或控制線等結構已知的參照物進行成像，或者是從不同角度拍攝多幅棋盤格圖像得到標定結果。但這些標定方法由于參照物尺寸較小，只適用于實驗室等視場較小的情況，在外場等大視場環境下則不能使用，故局限性顯而易見。在筆者的工程實踐中，經常遇到在外場等大視場環境下的攝像機標定問題，攝像機的視場范圍達到3KM×50M。傳統的標定方法要求控制點或者控制線均勻分布在攝像機視場中，才能得到比較穩定、精確的標定結果，這些條件在小視場或實驗室條件下是容易滿足的，如實驗室常用的十字絲標靶、棋盤格標板等。但在上述的外場大視場環境下，特別是在空曠的、沒有高大建筑物的外場環境下，則無法輕易獲取均勻分布在攝像機視場的控制點。

發明內容

本發明要解決的技術問題是利用差分GPS系統高精度、簡單快速地獲得攝像機空間控制點坐標及控制點對應像點的圖像坐標的優點，對外場大視場條件下的攝像機進行標定。該發明解決了外場大視場條件下難以獲得空間控制點的問題，且由于差分GPS系統的測量精度能達到厘米級，理論上只需要控制點布滿視場內就能解算出結果，故該標定方法精度高、簡單實用。

本發明的技術方案是將差分GPS系統的移動部分裝載到飛行平臺上構成空間控制點單元，基準部分放在世界坐標系的原點。控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動，獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標，用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標。再根據控制點的空間坐標和對應像點的圖像坐標的標定方法計算像機的內外參數初值，最后經優化得到精確的標定參數。方案主要分為以下三步：首先控制飛行平臺在待標定攝像機視場內運動，獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標，然后利用目標跟蹤定位或者人工提點的方法提取控制點對應像點的圖像坐標，最后標定出外場大視場條件下的攝像機內外參數。

1、差分GPS系統定位測量，獲得空間控制點單元在當地世界坐標系下的空間坐標；

GPS單點定位的精度不高，究其原因，主要的因素有衛星星歷誤差、大氣延遲(電離層延遲、對流層延遲)誤差、多路徑誤差和衛星的鐘差等。為了消除這些誤差，如果能在已知點上放置一臺固定不動的GPS接收機(稱為基準站)，與用戶(稱為移動站)一起進行GPS觀測，再將基準站的誤差改正數發送到移動站，其定位精度就能大幅提高，這就是差分GPS的基本原理。附圖1為差分GPS原理圖。