[发明专利]一种空间相机内参在轨实时标定方法

权利要求书

1.一种空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：空间相机在自身位于两个不同位置时，分别拍摄一幅目标航天器(2)上太阳能电池板(3)的图像；获取空间相机在两个拍摄位置的相对位姿信息；

步骤2：对步骤1拍摄的两幅图像进行预处理；

步骤3：对步骤2预处理后的两幅图像均进行直线检测，分别得到多条线段；利用所述太阳能电池板(3)包括多条相互平行的横向肋条以及多条相互平行的纵向肋条，且横向肋条和纵向肋条正交的结构特点，每幅图中得到的所述多条线段均包括多条相互平行的横向线段以及多条相互平行的纵向线段，且横向线段和纵向线段正交；

步骤4：对步骤3从两幅图中分别得到的多条线段，均进行角点检测，在每幅图中，各提取四个角点在图像像素坐标系中的坐标；两幅图中的所述四个角点一一对应，且均对应于太阳能电池板(3)同一位置上的两条横向肋条和两条纵向肋条正交构成的长方形或正方形的四个顶点；

步骤5：根据步骤1获取的空间相机在两个拍摄位置的相对位姿信息，以及步骤4在两幅图中各提取的四个角点在图像像素坐标系中的坐标，采用正交消隐点法计算空间相机内参，完成空间相机内参的标定。

2.根据权利要求1所述的空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于：步骤1中，所述空间相机安装在空间转台(4)上，通过空间转台(4)获取空间相机在两个拍摄位置的相对位姿信息。

3.根据权利要求2所述的空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于：步骤3中，所述对步骤2预处理后的两幅图像均进行直线检测，分别得到多条线段所采用的方法为Hough变换方法。

4.根据权利要求3所述的空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于：步骤4中，所述对步骤3从两幅图中分别得到的多条线段，均进行角点检测，在每幅图中，各提取四个角点在图像像素坐标系中的坐标所采用的方法为Harris角点检测算法。

5.根据权利要求1至4任一所述的空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于：步骤2中，所述预处理包括彩色图像灰度化处理、图像滤波、直方图均衡化、边缘锐化以及图像去噪处理中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的空间相机内参在轨实时标定方法，其特征在于：步骤5中，所述采用正交消隐点法计算空间相机内参，包括以下步骤：

步骤5.1：空间相机采用针孔成像模型

空间相机成像过程用针孔成像模型来描述，其中涉及到四个坐标系的转化，分别是世界坐标系(O_w-x_wy_wz_w)，空间相机坐标系(O_c-x_cy_cz_c)，图像物理坐标系(O_i-x_iy_i)，图像像素坐标系(O_u-x_uy_u)；世界坐标系中的点P_w通过空间相机镜头的光心O投影到图像平面的P_u点，图像像素坐标系和世界坐标系下的点坐标的转换关系如下式(1)所示：

sP_u＝K[R T]P_w                 (1)；

其中：s为尺度因子，[R T]为空间相机外参矩阵，K为空间相机内参矩阵，且K用下式(2)表示：

其中：f_u和f_v分别为图像像素坐标系u轴和v轴上的尺度因子，单位为像素，[u₀,v₀]为图像平面的主点坐标；γ为像素倾斜率；

步骤5.2：确定消隐点坐标

定义：在步骤4中，在两幅图中各提取四个角点在图像像素坐标系中的坐标的点分别为A₁、B₁、D₁、C₁以及A₂、B₂、D₂、C₂，A₁、B₁、D₁、C₁以及A₂、B₂、D₂、C₂一一对应且均依次按顺时针或逆时针排列；

利用平行直线AB和CD的方程，计算直线AB和CD对应的消隐点P的坐标的方程如下式(3)所示:

其中：(u_A,v_A)、(u_B,v_B)、(u_C,v_C)、(u_D,v_D)、(u_P,v_P)分别为点A、B、C、D和消隐点P的图像像素坐标；

根据步骤4在两幅图中各提取的四个角点在图像像素坐标系中的坐标，采用上述公式(3)计算出平行直线A₁B₁和C₁D₁对应的消隐点V₁的图像像素坐标(u₁,v₁)，平行直线A₂B₂和C₂D₂对应的消隐点V₂的图像像素坐标(u₂,v₂)，平行直线A₁C₁和B₁D₁对应的消隐点V₃的图像像素坐标(u₃,v₃)，以及平行直线A₂C₂和B₂D₂对应的消隐点V₄的图像像素坐标(u₄,v₄)；

步骤5.3：相机内参的线性求解

假设空间点A为空间平面S上任意一点，其在空间相机自身位于两个不同位置时的像分别为A_i和A_j，两个像点的二维射影关系称为单应关系，用下式(4)的方程描述：

sA_j＝HA_i                      (4)；

其中：矩阵H称为平面S诱导的两幅图像间的单应矩阵；在欧式几何中，平面S诱导的单应矩阵H用下式(5)的方程描述：

H＝K(R_ji-tn^T/d)K^-1             (5)；

其中：n代表平面S的单位法向量，d代表在拍摄第一幅太阳能电池板(3)图像时，诱导平面S与空间相机光心的距离，t代表两个拍摄位置之间的平移向量，R_ji为两拍摄位置之间的相对旋转矩阵；

选择无穷远平面S_∞作为诱导平面，则(5)式中的d为无穷大，而两个拍摄位置之间的平移向量t为有限值，因此，(4)式中的单应矩阵H即为无穷单应矩阵H_∞，可由下式(6)描述：

H_∞＝KR_jiK^-1                  (6)；

根据步骤5.2计算得到的消隐点V₁、V₂、V₃、V₄的图像像素坐标，则消隐点V₁、V₂、V₃、V₄的齐次坐标分别为V₁＝[u₁,v₁,1]^T、V₂＝[u₂,v₂,1]^T、V₃＝[u₃,v₃,1]^T和V₄＝[u₄,v₄,1]^T；在欧式几何中，V₁和V₂为一对消隐点，V₃和V₄为一对消隐点；将消隐点V₁和V₂以及V₃和V₄的齐次坐标分别代入式(4)的方程中，得到下式(7)和(8)：

根据步骤1获取的空间相机在两个拍摄位置的相对位姿信息，获取空间相机在两个拍摄位置之间的相对旋转矩阵R_ji，假设拍摄位置2相对于拍摄位置1的相对滚动角、偏航角和俯仰角分别为φ,和θ，则拍摄位置2相对于拍摄位置1的相对旋转矩阵R_ji由下式(9)计算获取：

求得相对旋转矩阵R_ji后，联立式(2)、(6)、(7)、(8)，即可求出相机内参f_u、f_v以及[u₀,v₀]，完成相机内参的标定。