[发明专利]一种针对盾构隧道病害数字照相检测的数码相机标定方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新的数码相机标定技术，尤其是涉及一种针对盾构隧道病害数字照相检测的新的数码相机标定方法及其装置。

背景技术

相机标定指的是确定相机内参矩阵及相机畸变参数的过程。相机内参一旦确定，相机成像时的小孔成像模型就唯一确定了，相机内参直接反映二维像点和三维物点的对应关系。数码相机在近景摄影测量的实际应用中，常采用固定焦距的模式，但为了获取高清晰度的影像，主距会因拍摄距离的变化而改变，而主距的变化又会导致主点和畸变参数的变化，从而导致相机成像模型的不固定。因此对数码相机标定显得尤为重要，可以说是数字摄影测量的前提和基础。

随着计算机技术的迅猛发展和相机硬件质量的不断提升，基于数字图像处理的照相测量技术业已深入到边坡变形监测、岩体碎石识别、隧道病害识别量测等土木工程领域中，并发挥着非接触、高效、直观和精确的优势。在不同的应用领域，摄像机的标定技术也存在着很大的不同。目前数码相机标定技术大致可分为两类，主动标定法和被动标定法，利用数字图像进行盾构隧道病害识别测量时也大多应用这些方法进行相机标定。被动标定法即是传统的摄像机标定方法，其特点是利用已知的景物结构信息，如已知坐标的标志点等对图像的信息进行计算，从而获取摄像机的内部参数和畸变参数，其中包括：80年代中期Tsai提出的基于RAC的两步法，该方法的核心是利用径向一致约束来求解除（相机光轴方向的平移）外的其它相机参数，此后Rklenz在此基础上同时考虑了切向畸变，是对两步法的重要发展；Abdal-Aziz和Karara于70年代初提出的直接线性变换相机标定方法通过研究相机图像和环境物体之间的关系，建立了相机成像集合的线性模型；德国MVTec公司研发的计算机视觉包Halcon中的相机内参标定方法对于不同角度拍摄的标定板图像进行分析计算得到相机内参。主动标定法的特点是不依赖于标定参照物，只利用相机在运动过程中周围环境图像之间的对应关系或图像自身的各类几何约束关系（如灭点关系），对相机进行标定，但要求相机的运动是精确已知的。目前基于主动视觉相机自标定方法可分为两类：第一种是由马颂德在1996年提出的通过相机在三维空间内作多组三正交运动来求解相机内方位元素的方法，吴福朝、胡占义等于2001年将其方法进一步改进，提出基于多组两正交运动的主动视觉标定方法；另一种方法是由Richard Hartley提出的通过相机的纯旋转来求解内方位元素的方法。

由上文可知，现有的数码相机标定方法并不是特别适用于盾构隧道病害检测。无论是被动标定法还是主动标定法，都存在着如下缺点。第一是标定过程繁琐。要想获得精度较高的标定结果，这些方法无一例外的都需要拍摄足够数量的高质量的标定板照片，求解大量的方程，进行多步反复操作，工作量大。第二是标定结果不稳定，无法适应实际工程需要。相机的内参是非常敏感的参数，相机变焦或对焦都会导致内参的改变，使得标定结果失效。而在实际工程中，由于盾构隧道病害出现位置及拍摄距离的随机性，基本上不可能在相机不变焦或不对焦的情况下获得清晰图像。而为了保证实际应用时的效率，也无法在拍每张图像后都对相机重新进行标定。

因此在实际盾构隧道中进行拍摄时，急需一种合适的新方法对相机进行标定，从而能够便捷、高效、准确地进行盾构隧道病害的识别与测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有标定技术存在的缺陷而提供一种快速便捷、结果稳定、高精度的、适用于盾构隧道病害数字照相检测的数码相机标定方法及其装置，基本思想是通过室内实验得到相机在一个特定焦距下的标定比例Ratio(mm²/pixel²)与拍摄距离Distance(m)之间的函数关系。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种适用于盾构隧道病害数字照相检测的数码相机标定方法，包括以下步骤：

（1）制作标准标定线或标准标定面，制作计算机视觉工具包Halcon的标定板；

（2）设定拍摄点位置，考虑实际盾构隧道拍摄现场可能出现的最大和最小拍摄距离；

（3）将相机固定在三脚架上，并将三脚架放在设定拍摄点依次拍摄，获取标定图像；

（4）利用Haocon标定程序对步骤（3）中所采集的每一个拍摄点处的标定板图像进行处理，得到该拍摄点处的相机内参； 

（5）利用步骤（4）中所得的各个拍摄点的相机内参对该拍摄点处所得到的标准标定线或标准标定面图像进行镜头径向畸变校正；

（6）通过识别测量程序，根据步骤（5）中所得的校正畸变后的图像得到三根标定线或标定面的像素宽度或像素面积，并求得平均值；