一种大场景摄像机全局外参数标定装置及方法与流程
本发明涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种大场景摄像机全局外参数标定装置及方法。
背景技术：
全局标定是把各个摄像机的测量数据统一到一个总体世界坐标系中，也就是确定各个摄像机坐标系相对这一总体世界坐标系的位置和方向，即旋转矢量和平移矢量。这种位置和方向很难通过摄像机安装来获知，必须通过特定的手段在测量现场全局标定求出。全局标定是多摄像机视觉测量系统成功的关键，决定了整个系统的测试精度。全局标定精度与摄像机测量精度以及所用全局标定方法有着直接的联系。因此，高精度、实用、快速的全局标定装置及方法是十分必要的。
典型的小场景视觉测量系统，两摄像机基线小于1m，常用的标定方法采用摄像机拍摄平面模板等方法实现小场景的摄像机标定；标定模板特征间位置关系采用加工打印等得到；标定结果得到的是两摄像机间相互位置姿态关系。
对于多摄像机视觉测量系统的全局标定，传统的方法是利用一个已知精确工件作为标定依据；不过，对于大型工件，加工一个精确的标准件很昂贵，采用已知的但不必精确的工件作为标准件定期标定系统，该标准件是将一般的加工件送到坐标测量机测量后生成。这两种方法均采用标准间作为标定工具，在搬动和从定期标定的系统中取出来要防止标准间不受损害是很难的；而且，大型工件运输、装卸均存在很多问题。对于近红外摄像机标定控制点选取既要保证成像效果，又要尽量体积小，便于空间目标中心与图像坐标中心的对应。
在全局标定中，摄像机作为一测量模块，与外部测量设备同时对控制点进行测量，通过控制点的坐标转换完成摄像机坐标系的统一。由此可见，要实现测量系统的标定必须具备两个条件：能提供控制点的靶标；能确定靶标控制点坐标的外部测量设备－经纬仪。但是在船体在海上航行或漂浮作为不稳定平台时，电子经纬仪不能工作，只能等船体进坞坐墩状态下进行，这与视觉系统的定期或不定期标校需求相矛盾。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大场景摄像机全局外参数标定装置及方法，从而解决利用基准尺或标准物需要多次进行拍摄、不能求解摄像机相对于世界坐标系的关系以及标准件在使用、运输、装卸过程中存在的诸多问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
在基于本发明实施例的一个方面，提供了一种大场景摄像机全局外参数标定装置，包括过渡件、可伸缩件、发光装置及支撑件；所述可伸缩件与发光装置的数量均为n，n≥4；所述过渡件下部通过支撑件设置于测量现场，过渡件上部与每个可伸缩件的一端固连，每个可伸缩件的另一端设置有发光装置作为发光控制点。
在基于本发明装置的另一个实施例中，过渡件采用不锈钢材料，包括底盘和n个圆形管件，n≥4，圆形管件焊接在底盘上盘面上，过渡件底盘为圆盘，过渡件底盘下盘面中心加工螺纹孔，与支撑件通过、螺栓配合连接；n个可伸缩件分别可伸缩件固定在过渡件的n个圆形管件内，每个圆形管件开有孔并焊接螺母，利用螺栓紧固可伸缩件。
在基于本发明装置的另一个实施例中，可伸缩件采用高刚性材料，内部可通过与发光装置相连的供电线缆，可伸缩件能够根据需要调节长度并锁紧。
在基于本发明实施例的另一个方面，提供了一种大场景摄像机全局外参数标定的方法，包括以下步骤：
s1、预先设置基准点，得到基准点在全局坐标系下的三维坐标；
s2、设置摄像机全局外参数标定装置并将发光控制点标定在全局坐标系中；
s3、设置摄像机并将摄像机位置标定在全局坐标系中。
在基于本发明方法的另一个实施例中，全局坐标系为甲板坐标系。
在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s1具体包括：
s11、在甲板上理想着舰区域附近任选n个基准点，n≥4，要求n个基准点之间位置关系确定；
s12、利用测量设备，首先测量n个基准点相对于测量设备的三维坐标，然后测量甲板的理想着舰点相对于测量设备的三维坐标，最后经过坐标转换得到n个基准点相对于甲板坐标系的三维坐标值。
在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s2具体包括：
s21、将组装好的摄像机全局外参数标定装置稳固摆放在理想着舰区域后方，发光控制点个数为n个，调整可伸缩件使发光控制点与基准点位置一一对应；
s22、分别测量每个发光控制点到相应基准点的直线距离；
s23、根据基准点甲板坐标系三维坐标值及发光控制点到基准点距离值计算得到发光控制点在甲板坐标系下的三维坐标值。
在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s23中基准点的个数n为4，具体包括：
s231、输入4个基准点的空间坐标，选定一个发光控制点作为测试点p；
s232、选择其中3个基准点，记为a，b，c，其中
c＝|pc|，b＝|pb|，a＝|pa|；
s233、计算三角形abc的面积和四面体pabc的体积；
s234、计算p点距离面abc的距离以及a，b，c在面abc上投影线段长度a’,b’,c’；
s235、计算△p′ab，△p′bc和△p′ca的面积，其中p’为p在面abc上的投影；
s236、在△p′ab，△p′bc，和△p′ca中的选择面积最大的三角形并计算的位置矢量；
s237、计算p点的位置矢量；
s238、从4个基准点中挑选出其余的3个基准点组合，对于每个组合，重复s232-s237，总共得到4个p点的位置矢量，求其平均值，即得到一个发光控制点相对于甲板坐标系下的坐标。
在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤s3具体包括：
s31、将两台以上摄像机分别固定在舰尾两侧；
s32、给摄像机外参数标定装置上电并调节发光控制点亮度，使在摄像机拍摄图像中发光控制点呈高斯分布；
s33、摄像机各采集一张摄像机外参数标定装置发光控制点图像；
s34、从图像中初步确定n个发光控制点图像像素位置，然后利用质心法求取每个发光控制点的亚像素图像坐标；
s35、确立每个发光控制点在每台摄像机的亚像素图像坐标与每个发光控制点的甲板坐标系坐标的对应关系；
s36、确定每个摄像机的内参数，根据步骤s35得到的对应关系即可实现对每个摄像机外参数的标定。
在基于本发明方法的另一个实施例中，当基准点数量为4个时，选定矩形理想着舰区大框四个内角点为基准点，摄像机全局外参数标定装置的四个发光控制点分别指向舰艉、舰艏、左舷和右舷。
本发明的有益效果：解决了大场景下多摄像机全局外参数标定问题；标定方法一次空间位置测量计算可用于标定多个摄像机，有效的节省了标定时间，提高了标定效率；标定装置为多个非平面特征点，摄像机只需拍摄一次，既可以利用非线性优化求解该摄像机外参数；标定方法使用设备简单，测量快速，且可以在相对晃动的水面上使用。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为过渡件侧视图；
图2为过渡件俯视图；
图3为右侧观察标定设备仿真效果图；
图4为左侧观察标定仿真设备效果图；
图5为一种大场景摄像机全局外参数标定方法流程图；
图6为利用基准点求特征点p三维坐标示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
外参数标定的测量现场的平面可以是地面或其他静平面或动平面，比如海上漂浮或航行状态下的船体。在本发明的一个具体实施例中，以甲板作为测量现场的平面。
在本发明的一个实施例中公开了一种大场景摄像机全局外参数标定装置，包括过渡件、可伸缩件、发光装置及支撑件；可伸缩件与发光装置的数量均为n，n≥4；过渡件下部通过支撑件设置于测量现场，过渡件上部与每个可伸缩件的一端固连，每个可伸缩件的另一端设置有发光装置作为发光控制点。
发光控制点采用固定于可伸缩件端头的大功率全光谱光源，其亮度可调，当把标定装置放置于甲板区域理想着舰点附近，设置在测量现场的近红外摄像机可对发光控制点有效成像；光源在近红外摄像机上成像特性为高斯分布，像心与物心一致，可用质心法提取发光控制点图像中心；光源为发光灯具，发光灯具的360°发光特性使从各个角度很容易观察标定装置的发光控制点。标定装置空间控制点采用大功率全光谱光源可标定近红外摄像机外参数及可见光摄像机，并根据环境要求可调节发光控制点亮度。
控制装置通过电控线缆组件与发光装置相连统一控制发光灯具的开关及亮度，根据环境要求灯具亮度调节采用调压方式实现。
如图1、图2所示，过渡件采用不锈钢材料，包括底盘、n个圆形管件，n≥4，圆形管件焊接在底盘上盘面上，过渡件底盘为中心对称图形，在本实施例中过渡件底盘为圆盘，过渡件底盘下盘面中心加工3/4英寸管螺纹孔，支撑件为三脚架，底盘与三脚架通过3/4英寸管螺栓配合连接。
每个圆形管件的轴心线分别与底盘盘面成一定角度，以在摄像机拍摄的图像中呈近似矩形为原则，加工精确角度采用线切割。具体地，当圆形管件的数量为四个时，顺次为34°、11°、45°、45°(以上角度可以在±3°范围内调整)。
这样设计可有效保证左右侧摄像机中拍摄的图像中有类似的形状分布，便于人机交互中选择对应发光控制点在图像位置；经仿真及实践这样的角度设计在测量控制点与基准点距离时不会与装置本身发生干涉。
如图3、图4所示，可伸缩件为可伸缩圆管，可伸缩圆管外径小于焊接在底盘上的圆形管件的内径，可伸缩圆管的数量与圆形管件的数量对应，可伸缩圆管一端伸入圆形管件内部，通过螺栓将可伸缩圆管与圆形管件相连，实现过渡件与可伸缩件一端的固连。
具体地，每个可伸缩圆管开两个孔焊接螺母，利用螺栓可有效紧固伸缩杆；优选地，在钢管下侧开孔方便给发光装置供电的小航插通过。
可伸缩件采用高刚性材料，内部可通过与发光装置相连的电控线缆组件，可伸缩件可根据需要调节长度并锁紧。伸缩杆选用高刚性材料，测量现场平面为不稳定平台如航行中的船舶时，发光控制点相对于甲板位置偏差小。
通过调节可伸缩件及支撑件可以实现根据不同的测量现场和摄像机距离等参数对于外参数标定装置的尺寸要求，外参数标定装置的长、宽、高最大与最小分别可达到3.3m×3m×2.6m与1.0m×0.9m×1.2m。
进一步，外参数标定装置还包括测量现场平面连接部件，保证了测量现场平面在不稳定状态下支撑件在测量现场平面的稳定性。当标定装置摆放在甲板上时，因重心设计在中间下部，并且有测量现场平面连接部件，结构稳定，保证船体纵横摇角度小于20°情况下保证正常使用。
支撑件用于固定和支撑上部组件，标定装置组件满足快速拆卸设计要求，质量轻，便携性好，设备组成简单，可靠性高。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种大场景摄像机全局外参数标定方法，如图5所示，具体包括以下步骤：
s1、预先设置基准点，得到基准点在全局坐标系下的三维坐标值，本实施例以甲板作为测量现场；甲板坐标系即为选取的全局坐标系。具体包括以下子步骤：
s11、在甲板上理想着舰区域附近任选n个基准点，n≥4，要求n个基准点之间位置关系确定。
具体地，基准点数量为4个，可以为矩形理想着舰区大框四个内角点。
s12、利用电子经纬仪或相似精确测量设备，首先测量n个基准点相对于测量设备的三维坐标，然后测量甲板上已选定的理想着舰点相对于测量设备的三维坐标，最后经过坐标转换可得到n个基准点相对于甲板坐标系的三维坐标值。坐标变换的方法为现有的任何可以实现坐标变换的方法，在本发明实施例中不另行说明。
s2、设置摄像机全局外参数标定装置并将发光控制点标定在全局坐标系中；
s21、将组装好的摄像机全局外参数标定装置稳固摆放在理想着舰区域后方，发光控制点个数为n个，调整可伸缩件使发光控制点与基准点位置一一对应；
具体地，当基准点个数为四个时，摄像机全局外参数标定装置后发光控制点指向舰艉，前发光控制点指向舰艏，左发光控制点指向左舷，右发光控制点指向右舷。
优选地，标定装置中心点大致在理想着舰区着舰点垂向舰尾方向3m。
s22、分别测量每个发光控制点到相应基准点的直线距离，具体地，利用钢卷尺或激光测距仪等距离测量设备进行测量；
s23、根据基准点甲板坐标系三维坐标值及发光控制点到基准点距离值计算得到发光控制点在甲板坐标系下的三维坐标值；
具体地，利用冗余信息非线性最优化方法计算得到发光控制点在甲板坐标系下的坐标。基准点的个数n为4，具体流程为：
s231、输入4个基准点的空间坐标，选定一个发光控制点作为测试点p；
s232、选择其中3个基准点，记为a，b，c，其中
c＝|pc|，b＝|pb|，a＝|pa|；
s233、计算三角形abc的面积和四面体pabc的体积；
c″＝|ab|，b″＝|ac|，a″＝|bc|；
s234、计算p点距离面abc的距离
计算a，b，c在面abc上投影线段长度a’,b’,c’:
s235、计算△p′ab，△p′bc和△p′ca的面积，其中p’为p在面abc上的投影；
s236、在△p′ab，△p′bc，和△p′ca中的选择面积最大的三角形，假设是△p′ab，计算
若把矢量
其中
显然，在点
s237、计算p点的位置矢量；
根据先验信息确定
s238、从4个基准点中挑选出其余的3个基准点组合，对于每个组合，重复s232-s237，都可以得到一个
选择其他发光控制点作为测试点p，重复上述步骤，得到每个发光控制点相对于甲板坐标系的坐标。
标定装置为n个非平面特征点，摄像机只需拍摄一次，即可以利用非线性优化求解该摄像机外参数；本标定方法使用设备简便，用钢卷尺实现，节省了电子经纬仪等复杂设备的成本。
s3、设置摄像机并将摄像机位置标定在全局坐标系中，具体包括以下步骤：
s31、将两台以上摄像机分别固定在舰尾两侧并测试其是否可以正常工作；
摄像机具体可以是可见光摄像机或近红外摄像机等。
s32、给摄像机外参数标定装置上电并调节发光控制点亮度，使在摄像机拍摄图像中发光控制点呈高斯分布；
本标定方法可以保证夜间及白天等各种天气状况下工作。
s33、摄像机各采集一张摄像机外参数标定装置发光控制点图像；
s34、从图像中初步确定n个发光控制点图像像素位置，然后利用质心法求取每个发光点的亚像素图像坐标；具体地，可采用人机交互的方法利用鼠标从图像中初步确定四个发光控制点图像像素位置，可以采用图像处理方法自动确定。
质心法具体为通过计算每个发光控制点的质心位置，该质心位置即为发光控制点在图像上的投影点。质心位置的计算较为简单，能提供恒增益，不收线性跟踪频率限制，在速度上容易满足系统要求，尤其适用于目标运动速度快，且背景较为简单的情况。当图像函数为h(x,y)时，其行、列的质心坐标(x,y)由以下式计算：
s35、确立每个发光控制点在每台摄像机的亚像素图像坐标与每个发光控制点的甲板坐标系坐标的对应关系；
摄像机标定，就是去解算已知标定控制点(本实施例中即为发光控制点)的全局坐标(本实施例中即为甲板坐标系坐标)和像素坐标(本实施例中即为每台摄像机的亚像素图像坐标)的对应关系。
s36、确定每个摄像机的内参数，根据步骤s35得到的对应关系即可实现对每个摄像机外参数的标定。
摄像机的内参数根据现有技术中的通用方法确定
进一步地，重复步骤s2、s3可以进行多次标定以实现对多个摄像机全局外参数的标定。
进一步地，如果摄像机安装基座相对于摄像机位置姿态关系已知，则可得到摄像机基座的位置姿态相对基准点坐标系的位置姿态值，本标定方法也可用于如引导雷达所在基座相对于甲板坐标系的位置姿态关系测量。
本标定方法一次空间位置测算可用于标定多个摄像机，有效节省了时间，提高了效率。
综上所述，本发明方法解决了大场景下多摄像机全局外参数标定问题；标定方法一次空间位置测量计算可用于标定多个摄像机，有效的节省了时间，提高了效率；标定装置为多个非平面特征点，摄像机只需拍摄一次，既可以利用非线性优化求解该摄像机外参数；标定方法使用设备简单，测量快速，且可以在相对晃动的水面上使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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