宽基线近红外相机位姿估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种宽基线近红外相机位姿估计方法，特别是涉及一种无人机自主着 舰导引系统宽基线近红外相机位姿估计方法。
【背景技术】
[0002] 基于视觉的无人机自主着舰导航是目前研究热点的导航技术，具有仿生学意义和 来源，与传统的惯性导航和卫星导航技术相比，具有系统独立、抗干扰性强、精度高的特性。 无人机自主着舰导航是指测量相机安装在降落跑道上的导航系统，导航系统中的定焦相机 在跟踪定位的时候往往会受到环境光的影响，为了避免这种影响，在现有视觉导航系统中 采用近红外相机来获取发光点发出的某个特定波长的光线。此外，为了获取空间中三维坐 标点与摄像机图像坐标之间的对应关系，必须对摄像机进行标点，并且摄像机标定的精度 直接影响了光学定位的精度。
[0003] 常用的标定方法需要在待标定相机前放置标定参照物，通常用已知形状和尺寸大 小的标定板来进行标定，如棋盘格、十字架等，但是由于近红外相机不能够获取普通光学相 机标定板的纹理信息，所以无法用普通可见光摄像机的标定板来标定近红外摄像机。视觉 导航系统需要覆盖足够范围的降落跑道，所以需要对摄像机加装长焦镜头，由于长焦镜头 景深短，难以精确调焦，给传统拍摄精密标定物的方法带来了很大的难度。
[0004]文献"Acameracalibrationmethodforlargefieldopticalmeasurement， Optik123 (2013) 6553-6558"提出了一种针对大场景宽基线多相机系统的标定方法，该方 法首先利用棋盘格标定板计算相机的内参矩阵，然后利用地方放置标志点的方式来计算相 机的外参矩阵，其中标志点的放置在相机图像上的投影是近似于平行于图像的横向矩阵， 由此可以简化纵向镜头畸变系数的计算。就无人机自主着舰系统而言，场景中可见光的会 产生极大的干扰。并且对于红外相机，常用的标定方法需要在待标定相机前放置标定参照 物，通常用已知形状和尺寸大小的标定板来进行标定，如棋盘格、十字架等，但是由于近红 外相机不能够获取普通光学相机标定板的纹理信息，所以无法用普通可见光摄像机的标定 板来标定近红外摄像机。并且视觉导航系统需要覆盖足够范围的降落跑道，所以需要对摄 像机加装长焦镜头，由于长焦镜头景深短，难以精确调焦，给传统拍摄精密标定物的方法带 来了很大的难度。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有方法实用性差的不足，本发明提供一种宽基线近红外相机位姿估计 方法。该方法在着舰跑道上各相机的公共视野大场景区域内选取左右对称的六对基准点， 利用全站仪精确测量基准点的世界坐标；进行标定时在基准点位置放置标志灯，通过检测 标志灯精确计算各相机的位姿。该方法考虑到了，近红外相机无法拍摄有效的标定板照片， 无法利用传统标定方法进行位姿估计。并且在无人机着陆的场景中的复杂自然场景中可见 光对标定结果的影响以及红外相机本身的特性。设计使用了红外激光等作为合作标志灯， 并且在红外相机上加装滤光片。在着陆跑道两侧设置六对基准点，并且利用全站仪对基准 点的空间坐标进行级的空间精度测量。经测试，标定结果精确，图像上的重投影误差达到 0. 05像素以下。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽基线近红外相机位姿估计方 法，其特点是包括以下步骤：
[0007] 步骤一、对无人机自主降落跑道建立一个世界坐标系，近红外相机置于无人机下 降跑道的两侧并对称分布，选取相机基线中点为世界坐标系原点，沿跑道中线方向为X轴， 垂直于跑道方向为Y轴方向，竖直向上为Z轴，坐标系满足右手定理。
[0008] 为估计世界三维坐标与相机图像二维坐标之间的变换矩阵，需要获得若干个三维 点与图像坐标的对应点，故在跑道两侧选择12个基准点：
[0009] 基准点1，2 :基准点2指向基准点1的方向为Y轴正方向，基准点1，2两点连线 1_12中点为世界坐标系原点。1_12长度为15m。
[0010] 基准点3, 4 :基准点3, 4的连线1_34与基准点1，2的连线1_12平行，1_12与1_34 之间的垂直距离为50m，1_34长度为15m。
[0011] 基准点5, 6 :基准点5, 6的连线1_5, 6与基准点1，2的连线1_12平行，1_12与 1_5, 6之间的垂直距离为100m，1_5, 6长度为15m。
[0012] 基准点7, 8 :基准点5, 6的连线1_5, 6与基准点1，2的连线1_12平行，1_12与 1_5, 6之间的垂直距离为150m，1_7, 8长度为15m。
[0013] 基准点9, 10:基准点9, 10的连线1_9, 10与基准点1，2的连线1_12平行，1_12与 1_5, 6之间的垂直距离为200m，1_9, 10长度为15m。
[0014] 基准点11，12:基准点11，12的连线I_ll. 12与基准点1，2的连线1_12平行，1_12 与1_5, 6之间的垂直距离为300m，1_11，12长度为15m。
[0015] 在12个基准点中选取一部分为高出地面的基准点。其中，基准点7,8为高点，高 度为2. 8m;基准点11，12为高点，高度为2. 6m。
[0016] 选点完成后，在基准点放置全站仪棱镜，将全站仪放置在世界坐标系原点处，将全 站仪正方向定位沿跑道中线方向，使用全站仪精确测量12个基准点在全站仪坐标系下的 坐标。
[0017] 步骤二、选取近红外激光灯作为着陆导航系统中的近红外相机的合作标志灯，并 且在相机镜头上加装滤光片。打开各个合作标志灯后，使用着陆导航系统中的相机拍摄图 片，采用手动选点与领域检测方式相结合的方式获取基准点的图像坐标。
[0018] 步骤三、假定三维世界坐标系中的坐标点X与相机图像坐标点X之间有对应关系， 摄像机矩阵P便能够被确定。对于每一组对应X与X，导出关系式：
[0019]
[0020] 其中PlT是矩阵P的第i行，是一个四维矢量。
[0021] 步骤四、利用前三个步骤计算得到的相机变换矩阵P，通过公式x=PX计算出图像 二维坐标系在三维世界坐标系中的坐标。
[0022] 本发明的有益效果是：该方法在着舰跑道上各相机的公共视野大场景区域内选取 左右对称的八对基准点，利用全站仅精确测量基准点的世界坐标；进彳丁标定时在基准点位 置放置标志灯，通过检测标志灯精确计算各相机的位姿。该方法考虑到了，近红外相机无法 拍摄有效的标定板照片，无法利用传统标定方法进行位姿估计。并且在无人机着陆的场景 中的复杂自然场景中可见光对标定结果的影响以及红外相机本身的特性。设计使用了红外 激光等作为合作标志灯，并且在红外相机上加装滤光片。在着陆跑道两侧设置六对基准点， 并且利用全站仪对基准点的空间坐标进行级的空间精度测量。经测试，标定结果精确，图像 上的重投影误差达到0. 05像素以下。
[0023] 下面结合【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【具体实施方式】
[0024] 本发明宽基线近红外相机位姿估计方法具体步骤如下：
[0025] 1、基准点的选取与坐标测量。
[0026] 相机的位姿估计过程实际是对世界坐标系对相机坐标系之间变换矩阵的计算，因 此需要先对无人机自主降落跑道建立一个世界坐标系，本发明中世界坐标系的选取如下： 相机位于下降跑道的两侧对称分布，选取相机基线中点为世界坐标系原点，沿跑道中线方 向为X轴，垂直于跑道方向为Y轴方向，竖直向上为Z轴，坐标系满足右手定理。
[0027] 为估