本發(fā)明涉及相機標(biāo)定，具體涉及一種基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法、裝置及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、相機標(biāo)定是從相機拍攝的圖像中確定實際物體三維信息的關(guān)鍵步驟，通常利用標(biāo)定平面網(wǎng)格拍攝多張圖像實現(xiàn)，即僅能處理共面點，而對于室外視覺測量系統(tǒng)相機標(biāo)定場景，空間點往往異面分布，難以構(gòu)建共面配置，且在遠距離觀測條件下，空間點沿景深方向分布又遠遠小于觀測距離，屬于奇異配置。基于戶外場景的上述情況，利用大尺寸立體靶標(biāo)或絕對共面的標(biāo)定板進行標(biāo)定或利用自身運動約束實施自標(biāo)定都不太現(xiàn)實。野外多相機組標(biāo)定中，內(nèi)外參數(shù)存在一定程度耦合，并且隨著焦距的增加，視場角會迅速減小，導(dǎo)致相機透視成像模型大大減弱，內(nèi)外參數(shù)之間的復(fù)相關(guān)性急劇增大，耦合程度也隨之增大，無法實現(xiàn)無公共視場的相機組內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法、裝置及設(shè)備，以解決無法實現(xiàn)無公共視場的相機陣列內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，相機陣列包括至少一個相機，各相機之間不存在公共視場，各相機的視場內(nèi)包括多個非共線的預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點，方法包括：

3、獲取相機陣列中目標(biāo)相機采集的基準(zhǔn)圖像，并提取基準(zhǔn)圖像中各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在像素坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，各目標(biāo)相機的基準(zhǔn)圖像為同步采集；

4、獲取各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并利用相機透視成像模型構(gòu)建各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；

5、基于各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用光心坐標(biāo)先驗和零空間分析確定目標(biāo)相機的參數(shù)；

6、利用預(yù)設(shè)優(yōu)化方法對目標(biāo)相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標(biāo)相機的優(yōu)化參數(shù)。

7、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，通過多個非共線基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，利用零空間分析確定相機參數(shù)，實現(xiàn)對無公共視場相機陣列的標(biāo)定，無需標(biāo)定板，更加靈活，提高相機陣列現(xiàn)場標(biāo)定的效率、精度和穩(wěn)定性，從而保障視覺測量系統(tǒng)的測量精度。

8、在一種可選的實施方式中，獲取各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并利用相機透視成像模型構(gòu)建各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括：

9、以全站儀設(shè)站坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，利用全站儀獲取各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在全站儀設(shè)站坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，作為各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；

10、基于相機透視成像模型構(gòu)建各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

11、

12、其中，為深度因子，即每個控制點在相機坐標(biāo)系下的z軸方向的分量；為第i個點在像素坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；為第i個點在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；為世界坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為世界坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的平移向量；為相機內(nèi)參矩陣：

13、

14、其中，、分別表示相機在x軸、y軸方向的等效焦距，、是像素坐標(biāo)系下的相機主點坐標(biāo)。

15、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，利用全站儀設(shè)站坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，并利用全站儀獲取各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的三維坐標(biāo)，三維坐標(biāo)更加準(zhǔn)確，且獲取方式簡單，不受場景限制，應(yīng)用更加靈活。

16、在一種可選的實施方式中，基于各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用零空間分析確定目標(biāo)相機的參數(shù)，包括：

17、通過逐一打點估算得到相機的光心坐標(biāo)；

18、根據(jù)相機的光心坐標(biāo)、基于世界坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到用旋轉(zhuǎn)矩陣表示平移向量的矩陣轉(zhuǎn)換公式；

19、將各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行預(yù)處理，得到不包含深度因子的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式；

20、將矩陣轉(zhuǎn)換公式代入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，并進行預(yù)設(shè)矩陣轉(zhuǎn)換處理，得到齊次方程組；

21、利用零空間分析對齊次方程組求解，得到目標(biāo)相機的參數(shù)。

22、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，通過將各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，減少未知量，降低相機參數(shù)的計算難度，提高相機標(biāo)定效率。

23、在一種可選的實施方式中，根據(jù)相機的光心坐標(biāo)、基于世界坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到用旋轉(zhuǎn)矩陣表示平移向量的矩陣轉(zhuǎn)換公式，包括：

24、世界坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

25、

26、其中，表示世界坐標(biāo)系中預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的坐標(biāo)，表示相機坐標(biāo)系中與對應(yīng)的預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的坐標(biāo)；

27、根據(jù)相機的光心坐標(biāo)，用旋轉(zhuǎn)矩陣表示平移向量的矩陣轉(zhuǎn)換公式為：

28、

29、其中，表示相機的光心坐標(biāo)，、、為旋轉(zhuǎn)矩陣的行向量。

30、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，借助光心坐標(biāo)將平移向量用旋轉(zhuǎn)矩陣表示，減少了平移向量中的未知量，便于快速準(zhǔn)確的計算得到相機標(biāo)定過程中各參數(shù)的值，提高計算效率。

31、在一種可選的實施方式中，將各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行預(yù)處理，得到不包含深度因子的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，包括：

32、將各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系兩邊同時乘以，假設(shè)，得到：

33、；

34、兩邊消去深度因子，得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

35、。

36、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，通過對各基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的預(yù)處理，消去了深度因子這個未知量，同時將矩陣計算轉(zhuǎn)換為代數(shù)式進行計算，降低了計算難度。

37、在一種可選的實施方式中，將矩陣轉(zhuǎn)換公式代入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，并進行預(yù)設(shè)矩陣轉(zhuǎn)換處理，得到齊次方程組，包括：

38、將矩陣轉(zhuǎn)換公式代入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，并進行移項、合并后兩邊同時除以等效焦距，得到：

39、；

40、定義兩個預(yù)設(shè)矩陣：

41、

42、

43、其中，表示第個預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點，多個預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點可以得到多個超定方程組，設(shè)，則得到齊次方程組。

44、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，通過定義兩個預(yù)設(shè)矩陣，并結(jié)合矩陣轉(zhuǎn)換公式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，得到齊次方程組，利用零空間分析對齊次方程組求解，相機參數(shù)的求解主要通過數(shù)學(xué)手段實現(xiàn)，降低了相機標(biāo)定過程對場景的依賴，適用性更強。

45、在一種可選的實施方式中，利用預(yù)設(shè)優(yōu)化方法對目標(biāo)相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標(biāo)相機的優(yōu)化參數(shù)，包括：

46、利用光束法平差優(yōu)化求解相機的內(nèi)外參數(shù)，單視場下的優(yōu)化公式為：

47、

48、其中，n表示預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的數(shù)量。

49、本發(fā)明提供的基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定方法，利用預(yù)設(shè)優(yōu)化方法對相機的參數(shù)進行優(yōu)化，提高了相機標(biāo)定的精度和相機成像的準(zhǔn)確性。

50、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標(biāo)先驗的相機陣列標(biāo)定裝置，相機陣列包括至少一個相機，各相機之間不存在公共視場，各相機的視場內(nèi)包括多個非共線的預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點，裝置包括：

51、二維坐標(biāo)確定模塊，用于獲取相機陣列中目標(biāo)相機采集的基準(zhǔn)圖像，并提取基準(zhǔn)圖像中各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在像素坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，各目標(biāo)相機的基準(zhǔn)圖像為同步采集；

52、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定模塊，用于獲取各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并利用相機透視成像模型構(gòu)建各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；

53、參數(shù)確定模塊，用于基于各預(yù)設(shè)基準(zhǔn)點的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用光心坐標(biāo)先驗和零空間分析確定目標(biāo)相機的參數(shù)；

54、參數(shù)優(yōu)化模塊，用于利用預(yù)設(shè)優(yōu)化方法對目標(biāo)相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標(biāo)相機的優(yōu)化參數(shù)。

55、第三方面，本發(fā)明提供了一種計算機設(shè)備，包括：存儲器和處理器，存儲器和處理器之間互相通信連接，存儲器中存儲有計算機指令，處理器通過執(zhí)行計算機指令，從而執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的方法。

56、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，該計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的方法。

57、第五方面，本發(fā)明提供了一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的方法。