[發明專利]一種變焦攝像機標定方法

在審

• 申請號: 202010823145.7
• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111915685A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 孫忠海;王小凌;耿莽河
• 申請（專利權）人: 沈陽飛機工業（集團）有限公司
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

一種變焦攝像機標定方法，屬于機器視覺中攝像機標定領域。本發明對變焦攝像機成像過程及相關參數進行了建模，并提出了變焦過程中攝像機主點位置不變的約束條件。利用這一約束條件，提出了基于變焦圖像序列的標定方法以獲得攝像機主點的準確位置。針對變焦攝像機焦距標定問題，提出含附加約束條件的自標定法。仿真試驗和實際標定試驗結果表明，本發明提出的方法具有較高的精度，可以在實際標定任務中加以使用。

技術領域

本發明屬于機器視覺中攝像機標定領域，涉及一種變焦攝像機標定方法。

背景技術

在航空航天等領域中，新的機型和系統的研發通過需要通過對空中目標的三維姿態進行測量以獲得滾轉角、俯仰角和偏航角以及飛行距離等指標參數。這些參數對于分析評價飛行器的運動特性和對系統性能進行進一步的改進具有重大意義。一般情況下，飛行器的三維姿態可通過高精度陀螺儀，加速度表等構成的慣性測量平臺或者GPS等裝置獲取。但是部分情況下這些儀器儀表不能夠安裝在被測物體上，或者可能失效，此時一種可行的方法是使用高速攝像機等設備對物體進行跟蹤拍攝，通過視覺測量的方法獲取物體的姿態、距離信息。

為保證測量和跟蹤的精度，需要使被測物體在所拍攝的圖像中占據足夠大的面積。為實現這一目標，拍攝設備通常使用變焦攝像機，拍攝過程中通過計算機控制攝像機焦距及對準方向，保持被測物體位于圖像中間位置，并具有足夠的大小和清晰度。

攝像機標定是視覺測量過程中必須進行的基礎步驟。攝像機內部參數即主點在像面中的位置，攝像機的等效焦距，攝像機的畸變系數等均可通過標定獲得。標定結果的準確度將直接影響姿態測量的精度。相對于定焦攝像機，變焦攝像機內部參數可根據拍攝需要改變，其中光學焦距逐漸發生變化，同時帶來主點位置和成像畸變的變化。由于變焦攝像機在實際使用存在視場、拍攝距離變化范圍大等特點，許多定焦攝像機中的標定方法在變焦攝像機的標定中難以使用。因此有必要為變焦攝像機研究出更合適的標定方法。

發明內容

鑒于此，針對變焦攝像機的標定問題，本發明對變焦攝像機成像過程及相關參數進行了建模，并提出了變焦過程中攝像機主點位置不變的約束條件。利用這一約束條件，提出了基于變焦圖像序列的標定方法以獲得攝像機主點的準確位置。針對變焦攝像機焦距標定問題，提出含附加約束條件的自標定法。仿真試驗和實際標定試驗結果表明，本發明提出的方法具有較高的精度，可以在實際標定任務中加以使用。

一種變焦攝像機標定方法，步驟如下：

步驟一、建立變焦攝像機成像模型

首先考慮一般定焦攝像機模型：

考慮從空間一點到某一平面的中心投影。令投影中心為攝像機坐標系的原點，考慮攝像機坐標系中z＝f平面，該平面被稱為像平面或焦平面。在針孔攝像機模型下，空間一在攝像機坐標系下坐標為X＝(X,Y,Z)^T的物點被映射到連接該物點與攝像機中心的直線與像平面的交點上。如圖1所示：

圖1中，C是攝像機中心，像平面被置于攝像機中心前方，p是攝像機的主軸和攝像機像平面的交點，被稱為主點。攝像機中心位于世界坐標系的中心。此時根據圖像中的相似變換關系可得出由三維坐標系中的點到二維圖像點的映射關系為：

其中(p_x,p_y)^T為主點在攝像機像平面坐標系下的坐標。將三維點坐標及二維點坐標改用齊次坐標表示，此時，攝像機成像模型可簡化表示為：

x＝K[I|0]X (2)

其中：