[发明专利]一种适用于图谱及结构信息同步探测系统的相机标定方法

说明书

一种适用于图谱及结构信息同步探测系统的相机标定方法，该方法利用相位条纹靶标生成与图像逐像素对应的密集标志点，利用神经网络算法建立图像像点与对应空间直线的映射关系并求解激光光平面方程。由于不需要显式地计算含有明确物理意义的相机内外参数，且不需要对成像畸变形式进行建模，因此该方法不仅适用于图谱及结构信息同步探测系统，对于其他光学系统结构复杂，尤其包含非轴对称光学器件的成像系统，该方法相比于传统的相机标定过程能够显著提高标定精度。

所属技术领域

本发明属于相机标定领域，适用于图谱及结构信息同步探测系统以及其他光学结构中包含非轴对称元件的成像系统，解决利用传统针孔模型标定这类复杂光学系统误差较大的问题。

背景技术

发展光谱、图像、三维结构联合探测的仪器是遥感领域的迫切需求。声光画幅式成像光谱仪采用声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter,AOTF)作为分光器件，具有完全电控、无运动部件、波段调谐快、可靠性好、体积小巧等特点。由于其特殊的分光特性，AOTF能够将入射光束分为衍射光和透射光两个通道。其中衍射光通道用于光谱探测，透射光通道用于图像探测。外置的激光摆扫装置能够产生用于三维结构探测的结构光，结合AOTF成像光谱仪的透射光通道成像，构成一个典型的结构光三维结构测量系统。由于光谱、图像、三维结构探测共用AOTF成像光谱仪的前置光学系统，因此这种联合探测仪器能够提供同步探测、自动配准的谱图结构数据，在遥感探测领域有着广泛的应用前景。

在利用图谱及结构信息同步探测系统进行三维结构数据测量之前要对探测系统进行精确的相机标定。此处的相机标定是针对整个成像系统进行内外参数的计算，即“相机”应包含前置光学系统、AOTF分光器件、后置成像系统与末端成像CCD相机。

传统的相机标定过程中，通常将相机成像等效为针孔模型，利用几何相似性描述从物空间到相机靶面的投影过程。对于由于镜头畸变以及加工装调误差等因素带来的影响，通常引入相机畸变模型来进行校正。传统的相机畸变模型包含三种常见的畸变形式：径向畸变、切向畸变以及薄棱镜畸变。

然而，传统的针孔模型与畸变模型通常只针对结构简单的相机进行建模，适用于常见的成像光线关于光轴轴对称分布的相机。而图谱及结构信息同步探测系统光学系统结构复杂，包含离轴非球面反射镜、双胶合棱镜等非轴对称器件，同时其核心分光器件AOTF也是一个典型的非轴对称光学器件。多个非轴对称器件的联合使用使得图谱及结构信息同步探测系统偏离了传统相机标定领域的针孔模型，同时其畸变形式也更加复杂，难以用常见的畸变模型进行描述。因此，为了精确地进行三维结构探测，亟需提出一种能够适用于图谱及结构信息同步探测系统的相机标定方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对图谱及结构信息同步探测系统无法使用传统的针孔模型与畸变模型进行相机标定的问题，提出了一种新的相机标定方法。该方法不需要显式地解算包含明确物理意义的相机内外参数，直接建立图像点与其对应的空间直线的映射关系，并利用该映射关系计算结构光探测所需要的激光光平面方程。该方法不仅适用于图谱及结构信息同步探测系统，对于光学系统结构复杂，尤其包含非轴对称光学器件的成像系统，相比于传统的相机标定过程，该方法能够显著提高相机标定精度。

本发明的技术解决方案是：一种适用于图谱及结构信息同步探测系统的相机标定方法，其包括以下步骤：

1)制作带有水平和竖直正弦条纹的平面靶标，记为靶标1和靶标2，制作不含条纹的平面靶标，记为靶标3；

2)将靶标1放置于三轴转台上，转台置于电动位移台上，利用光学准直方法调节转台，使得靶标1的法线方向与电动位移台的移动方向平行；

3)建立右手世界坐标系，使坐标原点位于靶标1所在平面内，z轴平行于靶标1法线方向，x轴平行于水平方向；

4)利用位移台将靶标1移动到探测系统景深内适当位置，记录位移量，即为当前靶标平面在世界坐标系内的z坐标；