[发明专利]基于差分GPS系统的外场大视场条件下的摄像机标定方法

说明书

本发明涉及基于差分GPS系统的外场大视场条件下的摄像机标定方法。本方法将差分GPS系统的移动部分装载到飞行平台上构成空间控制点单元，通过控制飞行平台在待标定摄像机视场内运动获得空间控制点单元在当地世界坐标系下的空间坐标，再用目标跟踪定位或者人工提点的方法提取控制点对应像点的图像坐标。本方法解决了外场大视场条件下难以获得空间控制点的问题，差分GPS系统的测量精度能达到厘米级，且只需控制点在视场内均匀分布就能解算出结果，故本方法精度高、简单实用。

技术领域

本发明主要利用差分GPS系统高精度、简单快速地获得摄像机空间控制点坐标及控制点对应像点的图像坐标的优点，对外场大视场条件下的摄像机进行标定。

背景技术

随着科学技术的不断发展，摄影测量技术已经广泛应用于各种精密测量和运动测量，涉及航空航天、国防试验、勘察勘测、交通运输等领域。它相对于其他测量技术的主要优势在于其高精度、非接触、运动和动态测量、实时测量等显著特点。高精度标定摄像机参数是进行高精度摄像测量的基础，包括主点、焦距等内参数、描述摄像机安装位置、姿态的外参数和描述镜头畸变的像差系数。因此研究具有精度高、实用性强、操作简单等特点的摄像机标定方法有着重要的理论意义和应用价值。

近年来，摄像机标定的方法发展迅猛。摄像机标定实施方式有两大类：一类是通过经纬仪、准直光管、标定试验场等专用设备进行标定；另一类用摄像机拍摄标定参照物，即标定靶标的图像，再通过分析图像来求解像机参数。在摄像机标定方法发展过程中，比较经典的标定方法包括Tsai、Weng、以及Zhang等人的标定方法。这些方法是通过精确给定的空间控制点或控制线等结构已知的参照物进行成像，或者是从不同角度拍摄多幅棋盘格图像得到标定结果。但这些标定方法由于参照物尺寸较小，只适用于实验室等视场较小的情况，在外场等大视场环境下则不能使用，故局限性显而易见。在笔者的工程实践中，经常遇到在外场等大视场环境下的摄像机标定问题，摄像机的视场范围达到3KM×50M。传统的标定方法要求控制点或者控制线均匀分布在摄像机视场中，才能得到比较稳定、精确的标定结果，这些条件在小视场或实验室条件下是容易满足的，如实验室常用的十字丝标靶、棋盘格标板等。但在上述的外场大视场环境下，特别是在空旷的、没有高大建筑物的外场环境下，则无法轻易获取均匀分布在摄像机视场的控制点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用差分GPS系统高精度、简单快速地获得摄像机空间控制点坐标及控制点对应像点的图像坐标的优点，对外场大视场条件下的摄像机进行标定。该发明解决了外场大视场条件下难以获得空间控制点的问题，且由于差分GPS系统的测量精度能达到厘米级，理论上只需要控制点布满视场内就能解算出结果，故该标定方法精度高、简单实用。

本发明的技术方案是将差分GPS系统的移动部分装载到飞行平台上构成空间控制点单元，基准部分放在世界坐标系的原点。控制飞行平台在待标定摄像机视场内运动，获得空间控制点单元在当地世界坐标系下的空间坐标，用目标跟踪定位或者人工提点的方法提取控制点对应像点的图像坐标。再根据控制点的空间坐标和对应像点的图像坐标的标定方法计算像机的内外参数初值，最后经优化得到精确的标定参数。方案主要分为以下三步：首先控制飞行平台在待标定摄像机视场内运动，获得空间控制点单元在当地世界坐标系下的空间坐标，然后利用目标跟踪定位或者人工提点的方法提取控制点对应像点的图像坐标，最后标定出外场大视场条件下的摄像机内外参数。

1、差分GPS系统定位测量，获得空间控制点单元在当地世界坐标系下的空间坐标；

GPS单点定位的精度不高，究其原因，主要的因素有卫星星历误差、大气延迟(电离层延迟、对流层延迟)误差、多路径误差和卫星的钟差等。为了消除这些误差，如果能在已知点上放置一台固定不动的GPS接收机(称为基准站)，与用户(称为移动站)一起进行GPS观测，再将基准站的误差改正数发送到移动站，其定位精度就能大幅提高，这就是差分GPS的基本原理。附图1为差分GPS原理图。