[发明专利]一种分布式多像机系统的全局标定方法

摘要

本发明公开了一种分布式多像机系统的全局标定方法，包括以下步骤：使用由两组相互正交平行直线组成的二维标定靶标，基于灭点和灭线估计像机与靶标的相对位置姿态(位姿)，通过灭线方程和已知的靶标几何尺寸得到相对位姿初始值，通过求取重投影误差函数最小值得到像机与标定靶标的相对位姿的最优值；使用辅助像机拍摄相邻靶标图像得到相邻靶标间的坐标变换矩阵，通过增量方法求得各标定靶标相对于参考靶标的相对位姿初始值，通过求取基于闭合图像序列的重投影误差函数的最小值，得到各靶标相对于参考靶标的变换矩阵的最优值；通过相应的坐标变换，求得各像机相对于参考像机的变换矩阵的最优值，进行分布式多像机系统的全局标定。

主权项

1.一种分布式多像机系统的全局标定方法，其中：设分布式多像机系统由M个像机构成，CkCF和AiCF分别表示第k个像机的像机坐标系和拍摄相邻靶标(i,j)的辅助像机的像机坐标系，1≤k≤M，1≤i≤M；IkCF表示第k个像机的图像像素坐标系，IkCF的坐标原点位于像平面的中心；设靶标由两组相互正交且长度已知的平行线组成，平行线长度为L₁，间距为L₂；分别表示靶标k的第m个角点和第m条特征直线，1≤m≤6；T_kCF表示靶标k的坐标系，o_t为坐标系原点，x_t,z_t分别表示x轴和z轴；ECF表示地面坐标系，ECF的原点固联于地面，为北东地坐标系；设p＝[u,v]^T和P＝[X,Y,Z]^T分别表示二维像平面和三维空间内的点，u和v为图像坐标系内的像素坐标，X,Y,Z表示三维坐标，分别表示对应的齐次坐标，靶标坐标系TCF内的点向像机像平面的投影表示为：其中：s表示尺度因子，K为内参数矩阵，f_x和f_y为等效焦距，(u₀,v₀)为主点坐标；T表示从标靶坐标系到像机坐标系的坐标变换矩阵，R是3×3维的旋转矩阵，t是3×1维的平移向量；旋转矩阵R可用欧拉角(Y‑X‑Z)：偏航角俯仰角θ和滚转角φ来表示：设表示T_kCF到C_kCF的坐标转换矩阵，表示T_iCF到A_iCF的坐标转换矩阵，表示T_jCF到A_iCF的坐标转换矩阵，表示T_iCF到T_jCF的坐标转换矩阵，表示C_iCF到C_jCF的坐标转换矩阵；选取像机1作为参考像机，选取靶标1作为参考靶标，其特征在于，一种分布式多像机系统的全局标定方法包括以下几个步骤：步骤一、像机与标定靶标的相对位姿估计；使用由两组相互正交平行直线组成的二维标定靶标，基于灭点和灭线估计像机与靶标的相对位置姿态，通过灭线方程和已知的靶标几何尺寸得到相对位姿初始值，通过求取重投影误差函数最小值得到像机与标定靶标的相对位姿的最优值；具体包括：步骤1.1、分别完成各像机的内参数标定，将像机内参数视为固定常量，且像机的姿态在标定过程中保持不变；步骤1.2、将靶标放置在各像机的视场内，靶标的对称轴指向其所对应的像机，Ik表示被像机k所拍摄的靶标k的图像，得到图像序列I＝{Ik|1≤k≤M}；步骤1.3、根据图像序列I计算变换矩阵具体为：步骤1.3.1、获取灭线方程两组平行线在像平面上分别会聚于灭点v1和v2，过灭点v1,v2的直线即是灭线；在靶标坐标系中，两条相互不平行的直线方程为：aix+ciz+di＝0,y＝0   (3)其中：a1c2‑a2c1≠0，ai,ci,di为直线方程的相关系数，i＝1,2；V1和V2分别表示两条直线上的无穷远点，有：其中：s_i为尺度因子，为第i个灭点在图像坐标系下的齐次坐标，K表示像机k的内参数矩阵；由式(1)和式(4)，有：其中，Rij表示旋转矩阵R的第i行第j列元素；灭线l由计算得到，根据式(5)，有：根据式(2)和式(6)，灭线方程表示为：步骤1.3.2、获取旋转矩阵根据特征直线上的特征点，使用最小二乘法得到灭线方程：其中，为所得的直线方程的系数；根据式(7)和式(8)，得到滚转角φ和俯仰角θ：灭点坐标与平行线在像机坐标系中的方向向量有如下关系：其中，di是直线在CkCF中的3×1维方向向量；和分别与T_kCF的z轴和x轴重合，有：由式(2)和式(11)，求得和的值，从而求得的旋转矩阵R；步骤1.3.3、获取平移向量设特征点是靶标平面上的一个虚拟点，由于和在向量d₂上的投影相等，有：由式(1)和式(12)，有：其中：z₁和z₂分别是点P₁^k和在C_kCF的z轴坐标；由于的长度已知，有：由式(13)和式(14)，求得z₁和z₂，得到P₁^k在C_kCF中的位置坐标；P₁^k是T_kCF的坐标原点，则的平移向量t表示为：步骤1.3.4、非线性优化表示靶标k的第m个角点在T_kCF中的齐次坐标，其在图像I_k中的对应其次坐标是1≤m≤6，有：其中：为尺度因子；设图像点受到独立且相同分布的高斯噪声的干扰，通过使得特征直线与重投影点的距离的平方和最小得到最大似然估计，使用Levenberg‑Marquardt方法求得函数的最小值，得到变换矩阵的最优值：其中：函数自变量空间分别表示图像I_k中靶标k的第m条和第n条直线，d(·)表示点到直线的距离；步骤二、分布式靶标的全局标定；使用辅助像机拍摄相邻靶标图像得到相邻靶标间的坐标变换矩阵，通过增量坐标变换方法求得各标定靶标相对于参考靶标的相对位姿初始值，通过求取基于闭合图像序列的重投影误差函数的最小值，得到各靶标相对于参考靶标的变换矩阵的最优值；步骤三、计算变换矩阵，完成全局标定。