[發明專利]一種利用河道斷面水邊線的攝像機姿態角標定方法

在審

• 申請號: 202211170355.6
• 申請日: 2022-09-23
• 公開（公告）號: CN115423884A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 張振;姜天生;崔文浩;何林駿;張子凱;王舒婷
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T5/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發明公開了一種利用河道斷面水邊線的攝像機姿態角標定方法，包括：完成攝像機的內參標定，求出相應內參矩陣和畸變參數矩陣；對原始圖像進行畸變校正；調節方位角使畸變校正圖像中的標記點與縱軸線重合，將方位角置零；調節俯仰角使視場覆蓋包含水邊線的待測水面區域，觀察水邊線的水平度將橫滾角調平，勘測攝像機光心的起點距和高程并建立水面攝影測量模型；在畸變校正圖像中選取斷面水邊線上兩點，確定橫滾角；將兩點連線與圖像縱軸線交點的亞像素圖像坐標，以及水位和斷面地形求得的水邊線世界坐標代入水面攝影測量模型解算出俯仰角。本發明無需傳感器輔助即可實現高精度的姿態角現場標定，適用于河流水位、流速、漂浮物等視頻監測系統。

技術領域

本發明屬于智能水利視頻監測技術領域，涉及一種用于河流水面攝影測量的攝像機姿態角現場標定方法，尤其涉及一種利用河道斷面水邊線的攝像機姿態角標定方法。

背景技術

近年來，隨著視頻監控及人工智能技術的快速發展，基于機器視覺的圖像法水位、流速、流量在線監測新技術逐漸成為提升水文監測現代化水平的重要手段，相比傳統監測手段具有測量直觀、非接觸式、安全高效、成本低廉等優點。根據攝影測量原理，為了將普通監控攝像機用于水面測量的目的，需要對其內、外參數進行標定，才能夠建立水平面坐標與像平面坐標的映射關系。其中內參包括攝像機的焦距、像主點坐標及徑向、切向畸變系數等內方位元素，外參包括攝像機的三維世界坐標及三軸姿態角組成的六個外方位元素。對以上參數的標定稱為攝像機標定，是圖像法測流技術的重要環節。

在實驗室水槽及河工模型表面流速場的測量中，通常將相機垂直于測試平面拍攝，通過在待測平面上設置尺寸已知的參考物直接計算描述正射投影關系的尺度縮放因子。更為精確的方法是：利用標定靶盤或4個以上非共線控制點，并基于近景攝影測量領域經典的直接線性變換法(Direct Linear Transformation,DLT)整體求解單應矩陣，建立像平面和物平面間可逆的坐標變換關系。該方法具有模型簡單，無需內、外方位元素初始值的特點。但必須保證控制點與待測平面嚴格共面，否則其在圖像上的投影并不能反映真實的水面高程然而這在實際測試環境中往往難以控制，從而造成標定誤差。

相比之下，大尺度河流表面的施測條件更為復雜。首先，為覆蓋完整測量斷面，相機通常只能架設于岸邊以小傾角拍攝來獲得數百甚至上千平方米的大視場，導致產生嚴重的圖像透視畸變。圖像正射校正可以修正圖像透視畸變，并在一定程度上補償遠場空間分辨率的損失，但將顯著增加圖像變換的計算和存儲量并可能引入灰度插值誤差。其次，河流水位變化顯著，對于山溪性河流短時內變幅可達數米。河流水面高程的變化將改變成像投影關系，進而影響測量區域的尺度和方位。再則，在河流水面上同場布設控制點存在實際困難。部分研究嘗試利用水面上漂浮的標定板或激光投影點建立投影關系，可滿足大拍攝傾角下小范圍(數十至數百平米)流場的測量需求。但這些參照物在水面陰影、耀光等復雜光照條件下的能見度通常較差，導致難以在圖像中自動檢測和精確定位。當應用于大范圍測量時這種檢測誤差將被顯著放大。目前常用的流速定標方案是基于變高單應的方法。其在平面單應模型的基礎上考慮了控制點到水面的距離，并引入水位和比降參數來表征水面高程的動態變化，能夠有效改善小傾角下岸基式LSPIV系統的測量精度。但至少需要在河流兩岸均勻分散地布設6個非共面的控制點，并采用全站儀、DGPS等專業設備勘測其世界坐標。不僅費時費力，而且在高洪期對測量人員的安全構成嚴重威脅。此外，研究發現VHH的DLT法對控制點的布設數量、分布方式、檢測精度和鏡頭畸變均較為敏感，容易導致模型參數解算過程不收斂。