专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种新的数码相机标定技术，尤其是涉及ー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參矩阵及相机畸变參数的过程。相机内參一旦确定，相机成像时的小孔成像模型就唯一确定了，相机内參直接反映ニ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參数的变化，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測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參数和畸变參数，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)外的其它相机參数，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中的相机内參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參。主动标定法的特点是不依赖于标定參照物，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年将其方法进ー步改进，提出基于多组两正交运动的主动视觉标定方法；另ー种方法是由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，这些方法无ー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。相机的内參是非常敏感的參数，相机变焦或对焦都会导致内參的改变，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，急需ー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測量。
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ー种快速便捷、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ー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)中所采集的每ー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參；
(5)利用步骤(4)中所得的各个拍摄点的相机内參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)通过识别測量程序，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；
(7)标准标定线实际宽度或标准标定面实际面积与步骤(6)中所得平均值的比值为R，拍摄距离为D，进行曲线拟合后得到标定函数R (D)0本发明中，所述的步骤(I)的具体步骤如下
(11)选取大小合适的Halcon特制标定板；
(12)制作标准标定线或标准标定面
标准标定线用于代替盾构隧道中的ー维病害；
标准标定面用于代替盾构隧道中的ニ维病害；
标定线宽度不小于3mm,标定面面积不小于15mm*15mm。( 13)将准备好的标定板、标准标定线或标准标定面图像张贴到有一定刚度的平板上，保证表面平滑。本发明中，所述的步骤(2)的具体步骤如下
(21)根据所要拍摄的盾构隧道的实际大小选择拍摄范围，确定最大和最小拍摄距离；
(22)根据拍摄所用的相机的性能，设定拍摄点之间的间距
(221)在同一张纸上打印15条墨线，宽度分别为0.1,0. 2,0. 3,0. 4,0. 5,0. 6,0. 7,0. 8、0. 9、I. O、I. I、I. 2、I. 3、I. 4、I. 5，单位为 mm ；
(222)将准备好的纸张贴在平滑的垂直面上，根据步骤(21)中确定的最小拍摄距离开始，每隔0. Im用相机拍ー张图像，直到最大拍摄距离；(223)利用Halcon中的检测程序去识别每张图像中的墨线，根据检测结果记录下每个测点处能够有效识别的图像的最小检测宽度；
(224)以(223)中获得的最小有效检测宽度为Y轴，拍摄距离为X轴，做出散点 (225)根据散点图中，最小有效检测宽度每变化0.1mm时拍摄距离的变化范围，确定标定时所设的拍摄点间距，间距单位取0. lm。本发明中，所述的步骤(3)的具体步骤如下
(31)将相机固定在三脚架上，将相机调到手动模式，选择合适的焦距并固定，拍摄过程中相机镜头应固定在同一焦距处；
(32)在每ー个拍摄点处需要拍摄10~20张标定板图像；
(33)在姆ー个拍摄点处拍摄三张标准标定线或标准标定面的图像。本发明中，所述的步骤(4)的具体步骤如下
(41)使用Halcon图像处理平台編制程序，对所获图像进行分析，实现图像中标定板的自动识别、标定板中标志点的自动寻找和圆形标志点中心的亚像素定位；
(42)每个拍摄点需要确定8个相机内參主距八镜头径向畸变參数左、横纵向比例系数Sx和Sy、主点位置[cX，cY]、像宽wI 像高hI。本发明中，所述的步骤(5)的具体步骤如下
(51)在相机内參标定过程中，同时确定镜头畸变參数；
(52)根据标定相机所得镜头畸变參数，对标准标定线或标准标定面图像的径向畸变进行校正，常用校正公式为
权利要求
1.一种适用于盾构隧道灾害数字照相检测的数码相机标定方法，其特征在于，具体步骤如下 (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，合理选择拍摄点之间的间距； (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； (7)标准标定线实际宽度或标准标定面实际面积与步骤(6)中所得平均值的比值即为该距离处的标定比例R，以R为纵坐标，拍摄距离D为横坐标，将各点描绘在坐标系上，进行曲线拟合后得到标定函数R (D)0
2.根据权利要求I所述的一种适用于盾构隧道病害检测的数码相机标定方法，其特征在于，所述的步骤(I)的具体步骤如下 (11)选取大小合适的Halcon特制标定板； (12)制作标准标定线或标准标定面 标准标定线用于代替盾构隧道中的一维病害； 标准标定面用于代替盾构隧道中的二维病害； 标定线宽度不小于3mm,标定面面积不小于； (13)将准备好的标定板、标准标定线或标准标定面图像张贴到有一定刚度的平板上，保证表面平滑。
3.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(2)的具体步骤如下 (21)根据所要拍摄的盾构隧道的实际大小选择拍摄范围，确定最大和最小拍摄距离； (22)根据拍摄所用的相机的性能，设定拍摄点之间的间距 (221)在同一张纸上打印15条墨线，宽度分别为0.1,0. 2,0. 3,0. 4,0. 5,0. 6,0. 7,0. 8、0.9、I. O、I. I、I. 2、I. 3、I. 4、I. 5，单位为 mm ； (222)将准备好的纸张贴在平滑的垂直面上，根据步骤(21)中确定的最小拍摄距离开始，每隔0. Im用相机拍一张图像，直到最大拍摄距离； (223)利用Halcon中的检测程序去识别每张图像中的墨线，根据检测结果记录下每个测点处能够有效识别的图像的最小检测宽度； (224)以步骤(223)中获得的最小有效检测宽度为Y轴，拍摄距离为X轴，做出散点图； (225)根据散点图中，最小有效检测宽度每变化0.Imm时拍摄距离的变化范围，确定标定时所设的拍摄点间距，间距单位取0. lm。
4.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(3)的具体步骤如下(31)将相机固定在三脚架上，将相机调到手动模式，选择合适的焦距并固定，拍摄过程中相机镜头应固定在同一焦距处； (32)在每一个拍摄点处需要拍摄1(T20张标定板图像； (33)在每一个拍摄点处拍摄三张标准标定线或标准标定面的图像。
5.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(4)的具体步骤如下 (41)使用Halcon图像处理平台编制程序，对所获图像进行分析，实现图像中标定板的自动识别、标定板中标志点的自动寻找和圆形标志点中心的亚像素定位； (42)每个拍摄点需要确定8个相机内参主距八镜头径向畸变参数左、横纵向比例系数Sx和主点位置[cx, cr]、像宽&、像高hj。
6.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(5)的具体步骤如下 (51)在相机内参标定过程中，同时确定镜头畸变参数； (52 )根据标定相机所得镜头畸变参数，对标准标定线或标准标定面图像的径向畸变进行校正，常用校正公式为
7.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(6)的具体步骤如下 (61)利用亚像素边缘检测对标准标定线或标准标定面进行图像分割； (611)根据下述二维高斯滤波函数对图像进行平滑
8.根据权利要求I所述的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，其特征在于，所述的步骤(7)的具体步骤如下 (71)将标准标定线实际宽度或标准标定面实际面积与步骤(6)中所得到的平均值相除，得到的比值为该距离处的标定比例R ； (72)得到所有拍摄点的标定比例R后，以拍摄距离D为横坐标，R为纵坐标，将各点描绘在坐标系中； (73)对坐标系中的点进行曲线拟合，得到标定函数R(D)0
9.一种适用于盾构隧道病害数字照相检测的数码相机标定装置，其特征在于，包括数码相机、激光测距仪、三脚架以及笔记本工作站，所述的数码相机通过三脚架设于激光测距仪的上方，并通过数据线与笔记本工作站连接。
10.根据权利要求I所述的一种适用于盾构隧道病害数字照相检测的数码相机标定装置，其特征在于，所述的数码相机采用sonyA550单反数码相机，该数码相机的镜头固定为18 55mm 长。
全文摘要
本发明涉及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，具体为制作标准标定线及计算机视觉工具包Halcon的标定板；设定拍摄点位置，考虑实际盾构隧道现场可能出现的最大和最小拍摄距离；将相机固定在三脚架上对各拍摄点依次拍摄，获取标定图像；利用Haocon标定程序对各拍摄点处的标定板图像进行处理，得到该点处的相机内参；利用所得各个拍摄点的相机内参对该点处所得到的标准标定线图像进行镜头径向畸变校正；通过识别测量程序，根据校正畸变后的图像得到三根标定线的像素宽度，并求得平均值；标准标定线实际宽度与所得平均值的比值为R，拍摄距离为D，曲线拟合后得到标定函数R(D)。本发明具有计算量少、结果稳定、便捷快速等优点。
文档编号G06T7/00GK102768762SQ201210199699
公开日2012年11月7日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者孙仕敏, 朱合华, 李晓军, 牛耘诗, 胡传鹏 申请人:同济大学