一种激光摄影测量系统及相机标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种激光摄影测量系统及相机标定方法，属于测量装置标定方法技术 领域。
【背景技术】
[0002] 随着计算机技术的发展，摄影测量与Ξ维重构技术在机器人视觉、工业制造、工程 建筑、文物保护和医学图像分析等领域得到广泛应用。相比于利用Ξ坐标测量仪等接触式 测量仪器对实物外表面进行测量，激光扫描等非接触式测量利用非接触的光电方法对曲面 的Ξ维形貌进行快速测量，具有非接触、速度快、精度高、应用广泛等优点，在工业工程等领 域有着一定的应用前景。在测量过程中，基于视觉传感器(如摄像机)获取的图像，建立二维 像点与Ξ维物点的对应关系，利用图像中的二维数据反算出对应的Ξ维物体的形貌和相关 位置等信息。
[0003] 要想获得高精度的测量结果，首先需要设计的测量系统具有较高的精度;其次建 立二维像点与Ξ维物点的对应关系，也即摄像机标定技术，又包括摄像机建模与摄像机标 定方法。相机标定主要是标定相机固有的内部几何参数和相机相对物方坐标之间的位置关 系等外部参数，其标定结果的好坏直接决定测量得到的Ξ维坐标点的精确程度，尤其是对 度量领域，因此需要研究相机的标定方法和研制相应的装置。
[0004] 目前相机标定技术根据解算相机内部几何参数和外部位置关系参数时所使用的 方法，将其分为线性方法、非线性方法和自标定方法。线性方法如直接线性变换方法(DLT变 换），根据环境点与相机图像对应点的关系，通过线性方法求得线性模型参数，进而建立线 性模型来描述相机的成像过程，该方法估计相机参数过程效率较高，但是没有考虑成像过 程中的非线性崎变问题，因此精度较低。非线性方法对提高摄像机标定精度提供了一条很 好的途径，非常适合于多参数的非线性崎变模型的标定，在能提供较好初值的情况下，能更 好地模拟和补偿各种像差，可W较快地收敛，得到高精度优化结果，但是它对标定时摄像机 模型参数的初始值要求较高，计算量大，计算速度慢。自标定方法在场景未知和相机运动参 数未知的情况下也可W标定相机的内外参数，在标定过程中仅依靠多幅图像对应点之间的 关系进行，其灵活性高、应用广泛，但是标定的过程主要是基于绝对二次曲线和绝对二次曲 面方法，此外还需要求解多元非线性方程，因此只适用于一些对精度要求不高的场合。
[0005] 造成目前所采用的标定方法存在上述问题的原因主要是其对应的测量系统较为 复杂。不同的测量系统需要采用不同的标定方法来标定，因此为了将标定方法简单化，尽可 能避免复杂标定方法造成的标定误差，首先需要使设计的测量系统简单，然后在针对设计 的测量系统设计标定方法。
[0006] 此外，针对大型的被测物，实际测量时往往是利用多台相机同时测量，而多台相机 之间没有相对位置关系，因此需要单独对每台相机进行标定，运样就增加了标定工作量，同 时还会增加标定误差，造成测量精度降低。所W在设计测量系统及标定方法时还应考虑同 时标定两台及W上的相机。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种激光摄影测量系统。
[0008] 本发明还提供上述一种激光摄影测量系统中相机的标定方法。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] -种激光摄影测量系统，包括测量装置，所述测量装置包括底座、支架及计算机； 所述支架设置在底座上，在支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与 线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧对称设置两台所述的相机，所述计算 机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。
[0011] 优选的，所述支架的底部设置有水平分度盘。此设计的好处在于，当旋转支架时， 通过水平分度盘能够清楚直观地观察到支架旋转的角度。
[0012] 优选的，所述激光摄影测量系统还包括标定装置，所述标定装置包括物方标识点 和Ξ个物方板，Ξ个物方板的外形均为正方形，Ξ个物方板前后依次同轴平行设置且Ξ个 物方板的边长依次增大，在每个物方板上设置八个所述的物方标识点，八个物方标识点按 如下方式分布:在每条边的中点设置一个物方标识点，在相邻两条边的交点设置一个物方 标识点。
[001引优选的，所述立个物方板的尺寸分别为：100mm X 100mm X 10mm，200mm X 200mm X 10mm,300mmX300mmX10mm0
[0014] 优选的，所述物方标识点采用直径5mm的圆形薄片。
[0015] 优选的，所述标定装置还包括导轨，Ξ个物方板通过滑动支架设置在导轨上。此设 计的好处在于，将Ξ个物方板通过底部的滑动支架安装在导轨上，方便调节Ξ个物方板之 间的间距。
[0016] -种激光摄影测量系统的相机标定方法，包括W下步骤，
[0017] (1)将测量装置放置在标定装置的正前方，建立物方坐标系，并记录各物方标识点 在物方坐标系下的物方坐标(Xci，Yci，Zci)(i = l，2·-24):
[0018] (2)通过计算机控制相机对Ξ个物方板拍照，得到物方标识点的图像数据，通过计 算机内部执行程序识别出图像数据中物方标识点在相机的像坐标系下的实际像坐标(Χ01, y〇i)(i = l ,2---24)；
[0019] (3)对每台相机的9个相机参数赋初值，9个相机参数包括相机的线坐标(Xs，Ys， Zs)、角坐标(知W，K)、像主点相对于影像中屯、的位置X0、yo和焦距f，各参数初始化赋值如下：
[0022] 利用相机角坐标林，W，K)的初始值确定旋转矩阵R:
[0023]
[0024] (4)根据公式(2)计算各物方标识点(沿，打，21)。= 1，2-，24)在像坐标系下的理论 像坐标(xi，yi)(i = l，2···24)，
[0027] 然后根据旋转矩阵R、理论像坐标^1，7〇(1 = 1，2-，24)和实际像坐标^(^，7()〇(1 =1，2-'24)按照最小二乘法计算得到误差方程式系数矩阵心。=1，2-'24)，并利用物方标 识点的实际像坐标^〇1，7〇0。= 1，2，，，24)减去理论像坐标值^1，7〇(1 = 1,2，，，24)构成误 差矩阵k(i = l，2...24):
[002引 [lx, ]_y]T= [x0i-Xi,y0i_yi]T;
[0029] (5)根据各物方标识点的误差方程式系数矩阵Αια = 1，2···24)和误差矩阵^(i = 1，2···24)分别构造两大矩阵A和レA=[Al A2……A24]t，L=[Li L2……L24]t;
[0030] 然后构造法方程，X=(aTa)-1aTl=[Ms ΔΚ,么爲匈> Aw Δκ·Δ/Δ?0 Δ細 （雖
[0031] (6)求解法方程(3)便可从公式右端得到各相机参数的修正量，判断Ξ个角坐标（ 9，w，K)对应的修正量(Δ;0，Aw，Δκ)是否都小于规定的阔值Δ，若满足条件则计算结束;若 不满足条件，通过解算出来的9个相机参数的修正量修改相机参数值，然后重复步骤(3)~ (6);若迭代解算次数超过20次仍然不满足条件，则说明硬件摄影测量系统有问题。
[0032] 优选的，步骤（1)中，在物方板的中屯、建立物方坐标系ΧΥΖ，其中水平向右为X轴正 方向，竖直向上为Υ轴正方向，垂直于物方板为Ζ轴。
[0033] 本发明的有益效果在于：
[0034] (1)相比于目前已有的摄影测量系统的标定装置，本发明的标定装置由物方板和 物方标识点组成，结构简单，成本低、安装方便、操作简单、精度高。
[0035] (2)传统方法中将定位定姿数据转换到相机中屯、，如果存在两个或两个W上的相 机时，需要建立多个相机坐标系，给计算增加了难度，且不便于数据的归一化处理;本发明 中将坐标系建立在标定装置上，将两台相机