[发明专利]一种基于正方形点阵合作目标的相机姿态测量方法

说明书

本发明涉及一种基于正方形点阵合作目标的相机姿态测量方法，先通过确定相机内参、确定合作目标点为正方形点阵；然后通过相机对合作靶标进行拍照，并提取图像中合作目标点的像素坐标；最后通过公式解出相机相对于靶标的姿态角。该方法改进了现有的P4P相机标定算法，使得相机对不同规格目标进行姿态测量时，无需进行合作目标尺寸规格的测量和参数输入，只要合作目标点按正方形等间距分布，均可使用同一公式进行相机坐标系相对于合作目标坐标系姿态角的测量，拓展了单相机姿态测量的使用范围。

技术领域

本发明属于视觉测量、姿态检测技术领域，涉及一种使用正方形点阵合作目标进行相机姿态测量的方法。

背景技术

相机标定作为视觉测量中重要的一个环节，目前已经有广泛的研究。在一些摄影测量类的书籍中，对标定原理有比较详尽的描述。目前常用的方法是PNP标定技术，利用世界坐标已知的N个点目标，根据在这些点在相机所成图像中的对应像素坐标，解算出相机相对于世界坐标系的位置和姿态关系，表述为相机坐标系与世界坐标系的转换矩阵和平移向量。在PNP标定方法中，N通常取3以上，P3P法中，解不唯一，通常要采用其他方法判断多解的合理性，以获取正确解。N取6以上时，包含异面点，可获取唯一解，但异面点目标靶标制作困难、三维坐标测量过程复杂、误差较大。N取4时，若4点共面，利用坐标系转换矩阵的单位正交性，仍可获取唯一的位姿关系。由于共面靶标制作简单，坐标定位方便，故P4P为常用的相机标定方法，为了消除图像提取误差和计算误差，在专门的相机标定场合，将靶标共面4点扩展到多点，利用最小二乘法，提升标定精度，如棋盘格靶标、多点阵靶标等。

应用方面，相机标定技术通常用于三个方面，一是用于摄影测量的相机标定，为多相机交会测量或结构光辅助测量提供先验信息；二是用于单相机对目标的位姿测量，如机器臂上相机对被抓取物体的位姿测量；三是用于相机相对于目标的位姿测量，如飞机起飞前对地面合作目标的测量，以确定飞机初始方位角度，飞机落地前对地面合作目标的测量，以引导飞机降落等。这三个方面的测量原理是相同的，只是用途或基准坐标系的选取不同而已。

在这些测量过程中，均以合作目标上的点目标三维信息已知为前提(共面时，深度信息Z一般设为0)，必须对靶标进行精确设计和位置标定。这限制了单相机测量的应用，比如，在机器臂抓取物体时，对不同规格的被抓取物体，必须在程序中重新输入合作目标的位置参数，测量过程很不方便；在飞机初始角度测量时，由于不同型号的飞机配备的地面合作目标大小不同，也必须对单目相机配置不同的程序参数，无法进行统一批次性的生产。

发明内容

为了解决现有相机姿态测量方法均以合作目标上的点目标三维信息已知为前提，必须对靶标进行精确设计和位置标定的问题，本发明一种基于正方形点阵合作目标的相机姿态测量方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于正方形点阵合作目标的相机姿态测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)确定相机内参，即确定相机像元尺寸e、焦距f′、光轴与探测器交点像素坐标(C_x,C_y)，计算

2)确定合作靶标上的四个合作目标点，四个合作目标点呈正方形点阵分布；

3)通过相机对合作靶标进行拍照，并提取图像中各合作目标点的像素坐标(x_i,y_i)，通过式(2)计算(k_xi,k_yi)；

其中X_Ci、Y_Ci、Z_Ci为合作目标点在相机坐标系中的坐标值，i的取值为1～4；

4)通过式(12)～式(14)，计算方位角A_Z、俯仰角A_X、横滚角A_Y；