数码相机标定方法的优化研究

1、数码相机标定方法的优化研究第18卷第2期2004年6月五邑大学(自然科学版)journalofwuyiuniversity(naturalscienceedition)vo1.18n0.2jun.2oo4文章编号:l006.7302(2004)02.0027.03数码相机标定方法的优化研究胡华科,郑春燕(嘉应学院地理系,广尔梅州514015)摘要:在应用中,数码相机的标定是相当重要的.论文首先设计了一种进行精确内标定的测量方法,然后推导了可变焦距数码相机标定的数学模型.关键词:数码相机;标定;数学模型中图分类号:tb852.1文献标识码:a数码相机是一种集光,机,电为一体的数字化产品,集成了影

2、像信息的采集,转换,储存,传输等部件,可方便地传输至计算机内处理,是一种在日常生活和科学技术上都广泛使用的非测量型相机.和专业的测量型相机相比,数码相机镜头畸变大,没有框标,内定向元素也是未知的.但由于使用上的便利和价格优势,以及影像后处理的快捷,方便,适用性,数码相机受到越来越多的专业技术人员的关注.基于数码相机的数字摄影测量技术在工业制造,土木工程,医学,考古,地理测绘等行业的应用越来越广泛.而数码相机是一种非测量设备,如何对相机进行精确标定将直接影响最终测量的精度,国内外诸多学者对此作了许多研究,提出了各种内,外标定的方法和数学模型fl.】.这些数学模型有的误差较大,有的标定精度较高,但

3、处理复杂,只限于固定焦距.本文首先设计了一种进一步提高内标定精度的方法,然后对标定数学模型作了进一步的优化,使之能适应变焦距摄影的需要.1内标定参数确定的优化内标定精度直接影响点的定位精度,其中关键一步是测定标志点的相对位置以求得相邻像素的点距,难点在于精确测定标志的距离.姜大志等在文献【1中提出采用矩形贴纸的方法,该方法简便,成本低,但精度也低.管业鹏等在文献【2中提出十字刻画线的方法,并设计了以十字刻画线为特征点的二维图像特征点坐标求取方法,该方法精度较高,但算法复杂,十字刻画有时会很困难或根本不允许.邓文怡等在文献【3】中提出激光投射产生待测特征点法,该方法难以判断能量中心,成本也高.上

4、述这些方法仍需另外精确测定目标的实际距离,以求得像素点距本文设计了如下的实验方法.1.1标志的制作标志采用薄金属片或塑料片制作,也可制作大样然后缩小洗印在相纸上,精度更高,标志形状见图l所示,实验证明效果较好.标志颜色宜为黑底白色或白底黑色,考虑到摄影材料的感光度,可取蓝底桔红色或相反,底色和被摄物体颜色差别宜大不宜小.收稿日期:2003一l028作者简介:胡华科(1976一),男,江西临川人,助理工程师,学士,从事:_程测量教学科研工作.五邑大学(自然科学版)2o0i4年1.2测量如图2所示,为一铅垂面,pm,qjv为过标志中心铅垂线,采用经纬仪分别在控制点a,设站,测得水平角i,2,3,4

5、和竖直角,卢2,利用基线尺可测得距离,为进一步提高精度,还可采用多测回取平均值的方法.如图则有:am=saa_xsin3,且m=三,删=:=届sun=(,smn+s_mn)/2=sprseu=smxctg卢i,q=sanxctg卢see=,/(q一seu)-i-将上式依次代人,即可得到标志间实际距离,由此不难得到像素点距.若采用全站仪配合全反射标志,可直接测得标志点的三维世界坐标,并反算出距离.也可用对边测量方法直接测定标志的距离,求得点距,基本原理同上.本实验主要采用北光dj2型经纬仪进行,在墙面布设了4个标志,基本成3.5m2.5m矩形布置,基线和标志间实际距离用经鉴定的钢尺直接测量,和经

6、纬仪测角后计算距离进行了比较,实验结果见表1.限于实验室条件,未能采用更高精度的一级线纹米尺或高精度测距仪进行比对,但从理论上可以证明其是能达到亚毫米精度的.田目图1标志图样图2测量示意图表1标志点相对精度比较单位:mm该类型标志笔者在原天津海河大桥(独塔斜拉桥)变形监测项目中也设计过.2变焦距摄影数学模型的确定在外参数矩阵确定方面,一般所见文献提出数学模型均是基于固定焦距的.显然,在固定焦距情况下,获得的影像不总是最清晰的,在摄影场合受限时更是如此,因此,有必要确定一种适宜变焦距摄影的数学模型.数码相机摄影时满足共线条件方程的普遍式为第l8卷第2期胡华科等:数码相机标定方法的优化研究29.一

7、,三_,_j萋暑,一,蒜专等,式中(,yo)为像主点的像平面坐标;f为相机的焦距;(,),)为像点坐标;(x,y,z)为相应地面点坐标;(x,z)为投影中心在物方空间坐标系中的坐标;a,b,c=1,2,3)为由像方,物方两空间直角坐标系旋转角,cc),所确定的方向余弦值.在变焦情况下,应视作未知参数,则该模型共有7个参数,至少需要已知4个点的像空间坐标和大地坐标可建立转换关系,多余4个可按最小二乘平差原理平差处理,可获更高精度.将上式按泰勒公式展开后线性化,得每个点的误差方程式为=簧?+簧?+?+鼍?+?+芸.+等.+c一=?+簧?+?+?+-+芸?+等?+cy一y.用矩阵表示为v=bl,其中

8、v=【】t,b=szscc)t,l=,ly】t,l=(x)-x0,ly=(),)一y0.则:=(曰tb)-lbtl,为避免j角函数的计算,也可采用罗德里格矩阵.本实验采用了jvcgr-dvl970可变焦距式数码摄像机(10倍光学变焦.,=3.8mm至38.0mm)进行,对标志在5m和10m处分别进行了变焦摄影,计算后得=10.2mm.f2=21.3mm.3结语1)1,2章测量中的基线测量方法测定精度可根据实际需要精度进行设计,比如采用强制对中观测装置,多测回求平均等方法.而日.在测定内标定元素的同时,也建立了影像和物方控制间的关系,若控制点a,具有当地物方坐标,则整个影像可纳入物方坐标系中,这

9、在地理,测绘,军事等领域具有重要意义.2)和同定焦距相机相比,变焦距相机的内方位元素不是很稳定,在允许情况下.应优先考虑定焦距相机.若采用变焦距相机时,则应注意参数.厂的解算,文中变焦数学模型可以较好地适应实际的需要.参考文献:【l】姜大志.孙闵.刘淼,等.数码相机标定方法研究【j】1南京航空航天大学,2001.33(1):55-59.【2】管业鹏,童林夙,尹涵春.基于数码相机的一维物体空间儿何位置的摄影测最【j】1电子,2002,(6):849.852.【3j邓文怡.吕乃光.巫建坤.测量=i件三维曲而的工业视觉测量系统【j】.华中理j:大学.1999.27(1):81.83,(下转第5l页)

10、矽矽一r;一r;一一广x一y一aaaa旦呱第l8卷第2期刘文超等:绿色环保纤维的开发与应用5l参考文献:【l】林昕.彩棉产业化在我国西部崛起【j】.中国棉花,2003,(5):22.23.2】巩继贤,李辉芹.竹纤维制t纺织新材料j】.纤维技术,2003,(3):59.62【3】张慧.2l世纪的环保纤维tencei【j】.济南纺织化纤科技.2001,(2):2-4.【4】解谷声.聚乳酸纤维的染色.辽宁丝绸【j】.2001,(4):32.36.thedevelopmentandapplicationofgreenandenvironment-friendlyfibersliuwen-chao,di

11、jian-feng(dept.oftextile&clothing,wuyiuniv.,jiangmen529020.china)abstract:thispapermainlyintroducesthecurrentsituationandthetrendofthedevelopmentandapplicationofgreenandenvironment-friendlyfibersintheworld.italsogivesadetaileddescriptionofafewsuchfibers.keywords:greenfibers;naturalcoloredcotton;

12、lyocellfiber;bamboofiber;plafiber;chitinfiber;soyalbumenfiber(上接第29页)【4】于君明,黄小波.基于数码相机立体像对的物体j维信息快速获取方法j】.测绘学院.2002,(4):276.279.【5】郑南宁.计算机视觉和模式识别【m】.北京:航空:业出版社.1998.14.22.【6】debevecpe,taylorcj,malikj.modelingandrenderingarchitecturefromphotographs:ahybeidgeometryandimage-basedapproachj】.computergrap

13、hics,l996,3o(2):ll-2o.【7】tsaitaversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracy3dmachinevisionmetrologyusingoff-shelftvcamerasandlensesj.ieeejrobotocsautomation.l987.3(4):323-344.8】朱肇光,孙护,崔炳光.摄影测量学【m】.北京:测绘出版社,1995.astudyoftheoptimizationofdigitalcameracalibrationhuhuake,zhengchunyanp(dept.ofgeography,jiayingcollege,meizhou514015,china)abstract:thecalibrationofdigitalcamerasisveryimportantintheiruse.