[发明专利]一种用于摄影测量的相机外参数标定装置及标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于摄影测量的相机的标定的技术领域，具体涉及一种用于摄影测量的相机外参数标定装置及标定方法。

背景技术

摄影测量被广泛应用于三维模型重建、物体表面尺寸测量、目标位置和姿态测量、空间对接、医学诊断以及运动恢复等领域。为了获取目标三维信息，摄影测量一般需要两台或以上的相机进行交会测量从而形成立体视觉测量系统，因此，标定多个相机在统一基准坐标系的位置和姿态就成为测量系统测量精度的一个关键影响因素。本发明中相机的外参数即相机相对于基准坐标系的旋转矩阵和平移向量。传统的相机参数标定比较典型的有zhang提出了基于共面标定参照物方法，该方法允许共面参照物在视场内自由移动，通过获取多幅高质量的标定图像，进行相机的内参数标定，固定拍摄某一幅，可以标定相机相对于此时固定的标定参照物坐标系的外参数，该方法标定过程简单，对靶标的要求低，但该方法不能实现多个平面坐标系和基准坐标系的统一，只适用于测量范围较小的相机标定场合；此外，还有一种使用辅助像机进行全视场法标定，要求辅助像机同时采集到标定参考系控制点和基准系控制点的图像，这需要辅助像机有较大的视场范围，从而其成像分辨率会比较低，影响标定的精度；上述标定方法中的辅助像机可以用激光跟踪仪(Laser Tracker)代替，激光跟踪仪能够高精度测量空间点，对于“全视场”的范围很大的情况，以激光跟踪仪代替辅助像机进行全视场法标定有利于提高标定精度，但激光跟踪仪成本较高，且标定流程较为繁琐。

从上述分析可知，立体视觉测量系统中的相机外参数标定既要满足精度要求，也尽量使得标定靶标使用简便，成本低廉，适用范围广，可重复多次使用。从这个角度出发，如何将上述两种典型方案中，取其精华弃其糟粕，设计一套立体视觉系统中的外参数标定方法和装置，成为了一个有待解决的关键问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一套外参数标定装置和方法，该装置测量范围广，便于加工和使用，测量精度高，为大范围全视场中多相机立体标定提供很好的解决方案。

本发明采用的技术方案为：一种用于摄影测量的相机外参数标定装置，整个相机外参数标定装置由靶标杆、对中杆、调平机构和测量基准点四个部分组成。靶标杆在标定杆机构上方，靶标杆上面安装有10个一列的圆形标志点，标志点圆心在靶标平面成直线排列。机构的下方是对中杆，用于对准测量基准点，保证标定架设的位置精度，且标志点连线与对中杆中轴线在同一直线上，且每个标志点圆心到对中杆底部的距离已知，即相对标定杆下方基准点的位置已精确获得，若使得对中杆垂直于水平面，则通过预先标定的基准点坐标(基准坐标系的Y轴垂直于水平面)，即可以获得每个圆形标志点的中心在基准坐标系下的坐标。为了使得对中杆垂直于水平面，那么要求与对中杆垂直的调平机构所在平面保证水平，因此，该装置在对中杆后面有两根支撑杆，支撑杆底部靠近地面位置有调平螺钉，用于调节使靶标杆垂直于水平面；调平时，首先将倾斜角传感器固定在载物台上，然后通过旋转调平螺钉，使传感器读数达到最接近0值即可。此外，当对中杆下端与基准点位连接后，且调平机构调整水平，整个标定装置可以绕基准点竖直方向进行360°旋转，使得靶标杆可以被多个相机观测，从而可以实现多台相机同时标定。

基于上述装置，本发明提供一种相机外参数标定方法，相机外参数标定的方法流程如下：

步骤1)、对外参数标定的相机现进行内参数标定，内参数包括：相机的光心坐标、等效焦距和畸变系数；

步骤2)、在标定杆安放位置预埋有四个测量基准点，每个测量基准点的在基准坐标系下的坐标事前已测量得到；

步骤3)、首先将靶标下方的对中杆放置在点位1上，然后调整标定杆支架底部的两个调平机构使整个靶标杆垂直于水平面，如图5所示。在靶标杆底部的安装平板上有倾斜量传感器，可根据其读数判断当前位置是否已调平；

步骤4)、然后使用相机拍摄当前的靶标杆图像并记录。接着将靶标杆移动到点位2，重复上述对准和调平的过程，然后拍摄在点位2处的靶标杆图像。直到四个点位的图像拍摄完毕；

步骤5)、根据预先标定四个基准点在基准坐标系下的坐标，可以标定装置调节水平后，其平面板上的十个标志点在基准坐标系下的坐标；

步骤6)、通过外参数标定装置采集四幅圆形标志点图像，如图6所示，利用椭圆拟合的方法提取标志点中心坐标，通过拼接，组合成四十个标志点成像数据；