[发明专利]基于圆形目标阵列与观测方程的视觉测量标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于圆形目标阵列与观测方程的视觉测量标定方法，属于摄影测量的技术领域。

背景技术

本发明涉及一种基于圆形目标阵列与观测方程的视觉测量标定方法，属于摄影测量的技术领域。

海洋水文测量的对象包括：海水温度、盐度、海流、潮汐、海浪、透明度、水色、海发光、海冰以及海洋—大气相互作用等。近年来，海浪的测量已成为海洋工程领域最为重要的动力荷载之一，对工程结构的安全和造价有极大的影响。海浪的观测方法有多种：如航空测波法、立体摄影法、平面单应法等。而航空法所需的观测成本较高，立体摄影法计算量较大，精度较低。因此，平面单应法成为较好的选择。平面单应法中又涉及单应模型的选取、摄像机标定方法的选取。摄像机标定方法的好坏直接影响到最终观测结果的精度以及观测的效率。目前，面向海洋水文测量的摄像机标定方法已成为新的研究热点。

摄像机标定过程中，由于环境比较恶劣，摄像机不适合架设在船上，而用GPS系统来定位GCP控制点代价又相对较高。即便经过适当的设计，还是很难在如此恶劣的环境中维持稳定。摄像机位置一旦改变需要重新标定，且标定参数较多，计算量较大。

为克服上述限制，本发明设计了一种新的标定方法，用以求解两步法中摄像机的各种外部及内部参数。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，提供一种基于圆形目标阵列与观测方程的视觉测量标定方法。

技术方案：本发明提供一种基于圆形目标阵列与观测方程的视觉测量标定方法，包括实验室标定和现场标定两大步骤；

所述实验室标定步骤中基于拍摄的圆形目标阵列图像求取摄像机的内部参数，所述内部参数包括摄像机的水平尺度因子λ_u，垂直尺度因子λ_v，摄像机拍摄图像中心的横坐标u₀和纵坐标v₀，以及径向畸变系数；

所述现场标定步骤中基于修正误差方程对获得的摄像机外部参数及焦距f的初始值进行修正，求取精确的外部参数和焦距；所述外部参数包括摄像机方位角φ，倾斜角τ，旋转角σ和光心坐标(x_c,y_c,z_c)。

所述实验室标定步骤中,具体包括：

(11)用摄像机正直拍摄圆形目标阵列，得到圆形目标阵列n×m的图像；

(12)将圆形目标阵列图像阈值化为二值图像，计算各圆形目标的中心，求出相应的畸变图像坐标；

(13)根据圆形目标阵列的图像坐标和对象空间坐标的关系：和构造包含单应矩阵未知元素的方程组，基于任意四组圆形目标的图像和空间坐标，求得标定系数L1，L2，L4，L5，L6，L8，L9，L10的最小二乘解；其中x，y表示圆形目标阵列中每个目标在空间中的横纵坐标,u，v表示圆形目标阵列中每个目标在图像中的横纵坐标；

(14)根据步骤(13)求得的标定系数，计算圆形目标的无畸变图像的图像坐标估计值，并基于径向畸变模型，求得径向畸变系数；

(15)对畸变图像进行校正，根据校正后的目标点间像素距离与米制距离的比值，求得水平尺度因子和垂直尺度因子。

所述现场标定步骤中，具体包括：

(21)获取GCP的世界坐标(x,y)和图像坐标(u,v)，为每对GCP坐标建立如下函数关系：