组网和动平台摄像测量应用中的像机标定技术

发布时间：2020-06-01 22:30

【摘要】：组网和动平台摄像测量在军事和民用领域上都具有极高的应用价值。典型地,组网摄像测量应用中通过多个像机构建像机网络来测量高铁路基和桥梁等大型结构的形变参数,为大型结构的质量监测提供数据支撑。动平台摄像测量应用中利用无人机等飞行平台搭载的像机和惯性测量单元等设备对地面目标的三维位置进行测量,是现代战争精确打击的重要环节。像机标定是摄像测量应用中的基础技术问题。由于标定场景的限制,像机标定技术依然面临着诸多挑战,相关技术也一直是摄像测量学重要的研究内容。本文围绕组网和动平台摄像测量应用中的像机标定问题展开研究工作,包括鱼眼镜头双目像机自标定、大视场像机和无重叠视场固联多像机的标定、像机与惯性测量单元旋转关系标定及惯性测量单元辅助的像机相对位姿估计。论文的主要创新内容概括如下:(1)针对径向畸变严重的鱼眼镜头双目像机,根据自然环境为平面场景或三维场景,分别提出了基于单应约束和极线约束的鱼眼镜头双目像机自标定方法。传统的自标定方法直接采用包含径向畸变的图像匹配点对来估计双目像机之间的几何关系,仅在非线性优化中考虑径向畸变的影响,非线性优化很可能陷入局部最优。而本文方法在确定双目像机之间几何关系的同时,对双目像机各自的径向畸变参数进行建模,通过图像匹配点对同时求解两个像机的径向畸变参数和两个像机之间的几何关系,并结合RANSAC剔除图像匹配点集中的野值,确定图像匹配内点集;然后再利用图像匹配内点集优化双目像机的内参数和外参数。本文方法能够高精度地标定径向畸变严重的鱼眼镜头双目像机。(2)针对对空拍摄大视场像机和无重叠视场固联多像机的标定问题,由于不同像机视场内没有公共自然特征,无法采用自标定技术,因此需要根据实际情况设计出方便适用的标定方法。首先提出了针对晃动平台上对空拍摄大视场像机的标定方法,该方法利用无人机作为动态控制点来标定像机内外参数,实验中无人机运动轨迹可以根据待标定像机视场进行调整,较易满足控制点在空间和图像上都合理分布的要求。然后提出了利用像机之间的固联约束标定无重叠视场固联多像机的方法,该方法通过平面靶板同时标定像机的内参数和像机之间的相对位姿关系。最后提出了利用线激光器投影生成的激光平面来标定无重叠视场固联多远心像机的方法,该方法利用穿过不同像机视场的激光平面来连接无重叠视场固联多远心像机,根据激光平面的共面性约束求解远心像机之间的旋转关系。(3)针对像机与惯性测量单元的标定问题,提出了基于单应约束的像机与惯性测量单元旋转关系标定方法。首先针对像机旋转和平移运动条件下、像机纯旋转运动条件下以及像机纯旋转运动和焦距未知条件下像机与惯性测量单元旋转关系的标定,分别提出了相应的最小配置解;然后结合RANSAC剔除图像匹配点集中的野值,确定图像匹配内点集;最后再利用图像匹配内点集对标定参数进行非线性优化,得到最终的标定结果。本方法不依赖标定物和其他特殊的设备,直接利用图像特征来标定像机坐标系和惯性测量单元坐标系之间的旋转关系,而且最小化图像对中所有图像匹配内点集的单应转换误差,具有明显的几何意义。(4)针对惯性测量单元辅助的像机相对位姿估计问题,根据不同的应用场景和是否使用惯性测量单元提供的像机偏航角,推导了三种惯性测量单元辅助的像机相对位姿估计方法。首先针对无人机应用场景,在已知像机的滚转角、俯仰角和偏航角条件下,提出了通过2个图像匹配点对估计像机相对平移的方法;然后针对无人机应用场景,仅已知像机的滚转角和俯仰角(即已知像机的垂直方向)条件下,提出了利用地面提供的单应约束,通过地面上2个图像匹配点对估计像机相对位姿的方法;最后针对自动驾驶应用场景,同样已知像机的垂直方向,提出了多种解耦分步估计像机相对旋转和相对平移的方法。通过惯性测量单元为像机坐标系提供姿态角信息,减少了像机相对位姿估计问题的自由度,有效提高了像机相对位姿估计的精度和鲁棒性。
【图文】：

面靶板和线激光器的标定方法。四章为像机与惯性测量单元旋转关系的标定研究。通过像机对地面用单应约束方便地标定出像机坐标系和惯性测量单元坐标系之间的据像机的运动情况和像机内参数是否已知，分别提出了三种标定像单元旋转关系的方法：像机旋转和平移运动条件下的标定方法、像条件下的标定方法和像机纯旋转运动和焦距未知条件下的标定方法五章为惯性测量单元辅助的像机相对位姿估计研究。在第四章标定惯性测量单元坐标系之间的旋转关系后，惯性测量单元能够为像机态角信息，用于像机坐标系的校正。考虑到惯性测量单元提供的偏俯仰角和滚转角要低，因此根据像机坐标系是否采用惯性测量单元和不同的应用场景，推导了三种惯性测量单元辅助的像机相对位姿知三个姿态角条件下的像机相对平移估计方法和两种仅已知俯仰角已知像机的垂直方向)条件下的像机相对位姿估计方法。六章为总结与展望，主要是对本文主要研究工作进行总结，并对下向进行展望。

国防科技大学研究生院博士学位论文第二章 鱼眼镜头双目像机自标定2.1 引言组网摄像测量应用中常用的结构形式，其标定的双目像机的标定通常指确定像机的内参数和外参焦距，，主点和畸变参数；外参数包括两个像机坐。鱼眼镜头像机具有较大的视场，同时其成像存切向畸变等。如图 2.1 所示，利用鱼眼镜头像机拍在图像中存在明显的弯曲，而且越靠近图像的边镜头像机的主要畸变类型为径向畸变，本章着重
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P231

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本文编号：2692166