野外大視場(chǎng)雙目視覺(jué)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單參數(shù)快速標(biāo)定

野外大視場(chǎng)雙目視覺(jué)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單參數(shù)快速標(biāo)定王向軍;王晶;劉峰;王劍;張召才【摘要】提出了一種只對(duì)相機(jī)水平偏角進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)定方法用于野外遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)、雙目視覺(jué)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速標(biāo)定.該方法通過(guò)合理考慮視覺(jué)傳感器的調(diào)平裝置,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中相機(jī)焦距值固定的特點(diǎn),簡(jiǎn)化了測(cè)量模型,減少了待標(biāo)定參數(shù);只需要測(cè)得監(jiān)測(cè)中心和相機(jī)在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度坐標(biāo)及監(jiān)測(cè)中心的圖像坐標(biāo)即可完成系統(tǒng)標(biāo)定.由于不需要高精度靶標(biāo),從而克服了靶標(biāo)移動(dòng)及擺放對(duì)標(biāo)定過(guò)程的影響?在實(shí)際使用中，對(duì)2km以外400mx800m的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)相對(duì)定位誤差小于0.25％,其中由焦距值誤差引起的相對(duì)定位誤差不超過(guò)0.07％.該攝像機(jī)標(biāo)定方法在保證測(cè)量精度的同時(shí),具有易實(shí)現(xiàn)、用時(shí)少等優(yōu)點(diǎn),適用于野外大視場(chǎng)環(huán)境下物體的快速定位監(jiān)測(cè).期刊名稱(chēng)】《光學(xué)精密工程》年(卷),期】2013(021)010【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P2664-2670)【關(guān)鍵詞】雙目視覺(jué);攝像機(jī)標(biāo)定;快速標(biāo)定;大視場(chǎng);精度驗(yàn)證【作者】王向軍;王晶;劉峰;王劍;張召才【作者單位】天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院,天津300300;天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072;天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TP242.62;TP3911引言雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)因其能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間坐標(biāo)測(cè)量且測(cè)量非接觸等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、軍事及航空航天等領(lǐng)域［1］。對(duì)系統(tǒng)中所使用的視覺(jué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲取相機(jī)參數(shù)是雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵［2］。已有研究者提出了多種標(biāo)定方法，并取得了良好的效果［3］。傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法通常是在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)擺放標(biāo)定模板［4］,用標(biāo)定模板為標(biāo)定過(guò)程提供精確的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，例如R.Tsai［5］提出的基于徑向約束的兩步法。針對(duì)大視場(chǎng)中的相機(jī)標(biāo)定，O.Faugeras［6］首先提出了自標(biāo)定的方法，張建新［7］提出了基于平行線消隱點(diǎn)的理論標(biāo)定方法等，但是受到視場(chǎng)范圍和標(biāo)定靶標(biāo)制作精度以及擺放位置、姿態(tài)的限制，這些方法無(wú)法滿足本文中所提到的野外大視場(chǎng)雙目視覺(jué)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速標(biāo)定的要求。本文提到的定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于超大視場(chǎng)中的物體位置解算，監(jiān)測(cè)的范圍為400mx800m的矩形區(qū)域，CCD相機(jī)距離監(jiān)測(cè)區(qū)域中心點(diǎn)位置約2~3km。結(jié)合這種雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在大視場(chǎng)野外環(huán)境下物體定位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，在保證測(cè)量精度前提下，本文給出了一種減少待標(biāo)定參數(shù)［7］，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知參數(shù)的快速求解的方法。該方法是一種僅對(duì)光軸水平偏角進(jìn)行校準(zhǔn)的相機(jī)參數(shù)獲取方法，其避免了靶標(biāo)對(duì)標(biāo)定的影響，可實(shí)現(xiàn)野外遠(yuǎn)距離、大范圍環(huán)境下的快速標(biāo)定。文中還采用了單參數(shù)誤差分析［8］的方法，利用matlab對(duì)誤差進(jìn)行分析，將單參數(shù)標(biāo)定方法與原標(biāo)定方法進(jìn)行比較，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量對(duì)該方法的精度進(jìn)行驗(yàn)證。2標(biāo)定原理2.1測(cè)量模型標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法簡(jiǎn)介考慮到大視場(chǎng)環(huán)境下透射物距遠(yuǎn)大于相機(jī)焦距，本文選用小孔攝像機(jī)透射模型［9］作為測(cè)量模型，且系統(tǒng)使用單反相機(jī)，主要使用相面的中間區(qū)域，參考文獻(xiàn)［8］，采用線性標(biāo)定，對(duì)精度影響較小，本文仍沿用這種方法。利用透視矩陣變換建立大地坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系及像面坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系。這一關(guān)系可由式（1）表示：其中：uO,v0為圖像中心坐標(biāo)，dx,dy為像素在軸向上的物理尺寸；f為相機(jī)焦距；u，v和XW，YW，ZW分別為物體在圖像坐標(biāo)系及大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。R為正交旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。R與相機(jī)自轉(zhuǎn)角a、俯仰角p及傾斜角y有關(guān)。T反映的是相機(jī)光心的平移信息，與攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系在3個(gè)坐標(biāo)軸向上的平移矢量有關(guān)，分別用Sx，Sy,Sz表示。相機(jī)的未定參數(shù)包括相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)［10］兩部分，其中內(nèi)部參數(shù)包括像面中心坐標(biāo)u0,v0像素在軸向上的物理尺寸dx,dy,相機(jī)焦距f。像面中心坐標(biāo)以及像素的物理尺寸可由廠商提供的器件參數(shù)得到。外部參數(shù)包括3個(gè)平移矢量Sx,Sy,Sz和3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度a,p，Y。文獻(xiàn)［8］中提到的標(biāo)定方法是在考慮系統(tǒng)的調(diào)平裝置的前提下對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少了未知參數(shù)，只對(duì)相機(jī)焦距f以及光軸水平偏角進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)獲取的方法。利用2個(gè)已知大地坐標(biāo)的物體便可求得攝像機(jī)的未知參數(shù)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)放置2個(gè)靶標(biāo)作為已知點(diǎn)，將其大地坐標(biāo)表示為（XW1,ZW1）,（XW2,ZW2）,相應(yīng)的像面橫坐標(biāo)為x1,x2,且x1vx2,標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法的待標(biāo)定參數(shù)表達(dá)方程如式（2）所示：其中在該方法中，需將光電靶標(biāo)放置于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)合適的位置，作為已知點(diǎn)，靶標(biāo)擺放最優(yōu)位置利用誤差分析原理進(jìn)行選擇[11]。其中平移矢量通過(guò)在相機(jī)鏡頭正上方加三角棱鏡后利用全站儀進(jìn)行測(cè)量得到。并代入式（2）對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本文中的單參數(shù)快速標(biāo)定方法是在這種標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上提出的。2.2基于工程應(yīng)用的單參數(shù)快速標(biāo)定方法在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)光電靶標(biāo)的使用產(chǎn)生了極大的限制。首先監(jiān)測(cè)范圍大，監(jiān)測(cè)區(qū)域地形起伏，導(dǎo)致靶標(biāo)不易擺放和調(diào)整，增加了標(biāo)定系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間；另外相機(jī)光心與監(jiān)測(cè)中心距離遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)光線強(qiáng)烈，對(duì)靶標(biāo)的尺寸和材質(zhì)有著極高的要求，地勢(shì)遮擋及遠(yuǎn)距離的瞄準(zhǔn)也給全站儀器的使用造成了困難；而且靶標(biāo)位置選擇需要有一定的系統(tǒng)知識(shí)，不便于掌握，需技術(shù)人員隨行，不利于頻繁使用?？紤]到上述工程實(shí)際中的條件限制，對(duì)上述標(biāo)定方法進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，提出了只對(duì)相機(jī)光軸水平偏角進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)定方法。當(dāng)P、Y均設(shè)為0時(shí)式（1）中矩陣將得到極大的簡(jiǎn)化。由誤差分析可知當(dāng)P、Y小于1°時(shí)，近軸誤差基本為0[12],最大誤差不超過(guò)1/10pixel，可忽略不計(jì)，考慮到系統(tǒng)的調(diào)平裝置可將P和Y均設(shè)為0。并對(duì)上述矩陣變換進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化結(jié)果如式（3）所示，其中X=（u-u0）xdx,Y=（uu0）xdy。整理可得方程組如式（4）所示：將方程組中與XW,ZW有關(guān)的方程進(jìn)行化簡(jiǎn)可得式（5）所示方程：由于測(cè)量距離遠(yuǎn)，為使獲取的圖像清晰便于圖像處理，系統(tǒng)中所使用相機(jī)的焦距變化范圍為10~24mm,并且相機(jī)參數(shù)設(shè)置為長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)即f二24mm時(shí)能夠滿足測(cè)量要求，將焦距作為已知參數(shù)，僅需對(duì)光軸的水平偏角進(jìn)行標(biāo)定。利用一個(gè)已知點(diǎn)即可完成未知參數(shù)的求解。已知點(diǎn)的巧妙選取能夠決定標(biāo)定簡(jiǎn)易程度，這里將大地坐標(biāo)系的原點(diǎn)作為已知點(diǎn)以使標(biāo)定方程最簡(jiǎn)。為方便物體位置的說(shuō)明，將監(jiān)測(cè)中心位置作為原點(diǎn)，以正北方向作為X軸正向，建立大地坐標(biāo)系，得到XW=ZW=0。設(shè)監(jiān)測(cè)中心在圖像中的坐標(biāo)為u，利用架設(shè)在監(jiān)測(cè)中心的GPS測(cè)量設(shè)備做為標(biāo)志物，可直接在相機(jī)拍攝圖像上讀取,x0=u-u0,式（5）簡(jiǎn)化為式（6）:則水平偏角的表達(dá)式如式（7）所示：由此不難看出，簡(jiǎn)化后的標(biāo)定方法只需測(cè)得相機(jī)相對(duì)與監(jiān)測(cè)中心的2個(gè)平移矢量及監(jiān)測(cè)中心在圖像中的坐標(biāo)即可完成標(biāo)定。本文對(duì)平移矢量的測(cè)量方法提出了改進(jìn)。利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS測(cè)得相機(jī)及監(jiān)測(cè)中心所在位置在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過(guò)串口通信的方式傳遞給計(jì)算機(jī)上的測(cè)量軟件，計(jì)算得到平移矢量。為方便計(jì)算以正北方向?yàn)閄軸正向建立如圖1所示直角坐標(biāo)系。C1,C2為相機(jī)所在位置，L為相機(jī)距監(jiān)測(cè)中心距離，平移矢量可以表示為：利用兩點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算相機(jī)距離監(jiān)測(cè)中心的距離及相機(jī)和監(jiān)測(cè)中心連線與正北方向的夾角即可得到平移矢量。設(shè)監(jiān)測(cè)中心及相機(jī)的經(jīng)緯度坐標(biāo)為（lato,lono）,（latc,lonc）距離L及夾角申公式如式（9）、（10）所示：其中：R為地球的平均半徑。圖1平移矢量示意圖Fig.1Sketchmapofthetranslationvector由上所述方法只需利用GPS測(cè)量獲得監(jiān)測(cè)中心及相機(jī)所在位置在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可計(jì)算得到標(biāo)定所需的平移矢量，代入式(7)完成對(duì)相機(jī)光軸水平偏角的標(biāo)定。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與精度驗(yàn)證各參數(shù)測(cè)量誤差相互獨(dú)立，根據(jù)誤差分析原理我們可以對(duì)各參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)分析[13]，又因本文提到的標(biāo)定方法的簡(jiǎn)化主要體現(xiàn)在將焦距值作為已知參數(shù)并選取監(jiān)測(cè)中心作為已知點(diǎn)進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的快速獲取，而焦距采用分檔定位，存在毫米量級(jí)的誤差，焦距誤差將給偏角與距離的計(jì)算帶來(lái)誤差，因此誤差分析的重點(diǎn)在于焦距值誤差對(duì)定位精度的影響。由于坐標(biāo)軸的建立由使用需求決定，其方向是變化的，XW，ZW坐標(biāo)值也會(huì)隨之發(fā)生改變，但物體相對(duì)于監(jiān)測(cè)中心的偏心距固定不變，因此通過(guò)分析f對(duì)偏心距dW二的影響進(jìn)行定位誤差分析，對(duì)本文提出的標(biāo)定方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與簡(jiǎn)化前的標(biāo)定方法進(jìn)行比較?？紤]焦距值存在毫米量級(jí)誤差，將焦距的極限誤差值代入誤差分析方程，取6f1二Sf2=2mm,分析簡(jiǎn)化后的標(biāo)定方法中Sf1,Sf2對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)偏心距測(cè)量結(jié)果的影響。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，取兩個(gè)視覺(jué)傳感單元與監(jiān)測(cè)中心距離為L(zhǎng)1=L2=2000m，自轉(zhuǎn)角為al二45°,a2=135°。根據(jù)誤差分析原理不難得知Sf1,Sf2對(duì)偏心距的影響可以表示為：利用matlab進(jìn)行誤差分析，分析結(jié)果如圖2(a)所示,XW,ZW分別在監(jiān)測(cè)中心兩側(cè)-200~200m及-400~400m變化，整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)由引起的偏心距誤差SdW不超過(guò)0.5m，監(jiān)測(cè)區(qū)域的四角誤差較大，且整個(gè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)處相差較少。為比較標(biāo)定方法簡(jiǎn)化前后對(duì)偏心距計(jì)算值的影響，對(duì)兩種方法下監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)處偏心距計(jì)算值的偏差oDW進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2(b)所示，最大差值不超過(guò)0.4m。對(duì)測(cè)量距離L1、L2在1~3km變化時(shí)分別進(jìn)行誤差分析，測(cè)量距離為1km時(shí)最大測(cè)量差值不超過(guò)0.17m，測(cè)量距離為3km時(shí)最大差值不差過(guò)0.5m,該差值相對(duì)測(cè)量距離不太敏感。其它引起偏心距誤差的因素還包括利用GPS測(cè)得的監(jiān)測(cè)中心與相機(jī)間的距離L及夾角申，本系統(tǒng)使用雙頻差分GPS，其平面定位精度為士5mm,經(jīng)分析其在監(jiān)測(cè)區(qū)域四角產(chǎn)生最大定位誤差不超過(guò)15mm，對(duì)定位精度影響不大。由以上分析可以認(rèn)為簡(jiǎn)化后的標(biāo)定能夠滿足物體定位監(jiān)測(cè)的精度要求。確認(rèn)了簡(jiǎn)化方法的正確性后，本文通過(guò)多次實(shí)地實(shí)驗(yàn)對(duì)解算的精度進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)中心與相機(jī)所在位置關(guān)系如下：兩個(gè)相機(jī)與監(jiān)測(cè)中心距離分別為L(zhǎng)1=2136.041m,L2=2084.953m，該距離是利用GPS測(cè)量經(jīng)緯度后計(jì)算得到，相機(jī)焦距設(shè)置為f1二f2二24mm，原標(biāo)定方法得到的焦距標(biāo)定結(jié)果為f1二22.894mm,f2=23.169mmo監(jiān)測(cè)中心在兩個(gè)相機(jī)獲取圖像上的x向像素坐標(biāo)分別為1219和1201,自轉(zhuǎn)角的標(biāo)定結(jié)果為a1=167.546°,a2=202.355°,選取不同位置利用TNT爆破對(duì)解算精度進(jìn)行驗(yàn)證，解算結(jié)果與GPS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。表1中列出了實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),由此表可知在使用本文給出的單參數(shù)快速標(biāo)定方法的情況下，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)所選試驗(yàn)點(diǎn)的偏心距誤差不超過(guò)2m，相對(duì)誤差不超過(guò)0.25%，其中與原標(biāo)定方法的誤差相比引入誤差的平均值為0.568m,相對(duì)誤差不超過(guò)0.07%,快速的標(biāo)定方法的正確性及精確度得到了驗(yàn)證。不同測(cè)量距離下進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也證明了上述結(jié)論。圖2誤差分析結(jié)果Fig.2Resultsoftheerroranalysis表1某現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及誤差比較Tab.1Experimentdataanderrorcomparison(m)序號(hào)單參數(shù)標(biāo)定方法測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法測(cè)量結(jié)果GPS測(cè)量數(shù)據(jù)單參數(shù)方法測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量誤差兩種標(biāo)定方法下的測(cè)量偏差12.973.012.9970.03－0.010.04212.5213.3913.6391.120.250.85363.4963.2763.9830.490.71－0.224132.81132.26133.1100.300.85－0.555179.46180.14180.8541.390.710.684結(jié)論為實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)雙目視覺(jué)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速標(biāo)定，本文提出一種僅對(duì)相機(jī)光軸水平偏角進(jìn)行標(biāo)定的簡(jiǎn)化方法。整個(gè)標(biāo)定過(guò)程中只需對(duì)相機(jī)及監(jiān)測(cè)中心位置進(jìn)行經(jīng)緯度測(cè)量，并讀取相機(jī)拍攝圖片中監(jiān)測(cè)中心的像素位置。改進(jìn)后的標(biāo)定方法簡(jiǎn)單易行，使系統(tǒng)搭建方便快捷?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際的工程應(yīng)用已經(jīng)證實(shí)了該方法能夠滿足定位精度要求，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)定位誤差不超過(guò)0.25%，由焦距值誤差引起的相對(duì)定位誤差不超過(guò)0.07%，適用于相機(jī)參數(shù)固定且不便于靶標(biāo)架設(shè)及移動(dòng)的超大視場(chǎng)物體定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速標(biāo)定。參考文獻(xiàn)：[1]趙玉華，袁峰，丁振良，等.大視場(chǎng)多視覺(jué)傳感器測(cè)量系統(tǒng)的全局標(biāo)定方法[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,19(4):679-687.ZHAOYH,YUANF，DINGZL，etal..Themeasurementsystemofmultiplevisualsensorsglobalcalibrationmethod[J].JournalofBasicScienceandEngineering，2011，19(4):679－687.(inChinese)[2]陳剛，陳華，車(chē)仁生?空間點(diǎn)的立場(chǎng)體傳感器標(biāo)定方法[J].光學(xué)精密工程，2007，15(9):1439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