一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法，采用移位寄存器生成伪随机序列，将其化为网格如图3所示。然后将生成网格图绘测到球面上；夹持着球体使在球面绘测的0度经度线出现在摄像机所成平面左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间；将球面所成图像进行一些特征点的提取，在一条纬度线与两条经度线上每条线提取四个点，将每组点的第一个点当作这四个点所在平面的原点计算出内参矩阵与外参矩阵。对于空间中小焦距，近距离的相机标定，标定物易于在空间中抓取且标定算法快、精度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法
本专利技术属于相机标定技术，涉及一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法。面对空间中小焦距，近距离的相机标定，提出一种基于球形物体的标定方法，标定物易于在空间中抓取且标定算法快、精度较高。
技术介绍
目前相机的标定技术有很多种。按照标定物的维度总共可以分为四种：零维、一维、二维和三维。零维，也就是说不采用标定物，研究摄像机通过光学透射原理所成照片中的一些特殊几何关系，当然有时也可以凭借摄像机的移动来增加信息量。一维、二维乃至三维都是通过解世界坐标系下的点到图像坐标系中所经过的单映射变换，三维方法采用的点多且计算精确，二维和一维则通过一些约束条件来求解单应性矩阵。在太空中，作为相机的标定物不可浪费空间且要易于拾取与储藏，而球形标定物则可以满足上述要求。球形标定物能提供较多特征点，通过一定的操作调整使得球面所成像能占据大部分成像平面，让标定结果更具有合理性。伪随机编码，在本专利中主要是用来生成球面上间距。球面的经纬角度间距序列就是一种伪随机序列，它是一种预先可以确定，复制和重复生产的一种序列，同时又具有随机序列的特性。根据随机序列的定义可知，采用移位寄存器产生的序列满足以下一些性质：移位性，生成的伪随机序列的起始位置无论左移还是右移，都可以作为一段伪随机序列。周期性，如果用p个元素，生成m位的序列，则它的最大周期为pm，一般情况下序列周期小于最大周期。窗口性，即以一个窗口在序列上移动，窗口内的元素作为新的序列，此序列也是一个伪随机序列，也具有以上这些性质。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法。技术方案一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、球面的绘制：采用移位寄存器生成伪随机序列，以伪随机序列生成网格，然后将网格图绘测到球面上；竖线为球面的经度线，经度角记为j，取值范围为(0,π)，横线为球面的纬度线，纬度角记为w取值范围为(-w1,w1)；步骤2、方位的调整：夹持绘制后的球体，并使在球面上的0度经度线出现在被标定摄像机所成平面的左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间；步骤3、图像数据处理：提取步骤2所成图像中经纬线的交点作为特征点，提取出的特征点每一点都对应着已知的位置；所述特征点为球面上的点(wi,ji)，对应着以球心为原点，零度纬度平面为XOY平面，垂直于零度纬度平面并经过原点的直线为Z轴所形成的坐标系下的点(X,Y,Z)；其中：wi为纬度角的集合，ji为经度角的集合；关系如下：球体的半径为r，世界坐标系下的点与图像中对应的点表示如下：步骤4：在一条纬度线与两条经度线上每条线提取四个点共12个点，四个点解算出一个单应性矩阵；每次计算时，将每组点的第一个点当作这四个点所在平面的原点；通过这12个点的计算得出内参矩阵与外参矩阵。所述w1的值由实际球体的尺寸和计算精度的需求确定。有益效果本专利技术提出的一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法，采用移位寄存器生成伪随机序列，将其化为网格如图3所示。然后将生成网格图绘测到球面上；夹持着球体使在球面绘测的0度经度线出现在摄像机所成平面左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间；将球面所成图像进行一些特征点的提取，在一条纬度线与两条经度线上每条线提取四个点，将每组点的第一个点当作这四个点所在平面的原点计算出内参矩阵与外参矩阵。对于空间中小焦距，近距离的相机标定，标定物易于在空间中抓取且标定算法快、精度较高。附图说明图1为相机标定示意图图2为伪随机序列表示间距图图3为序列生成的网格图图4为球面绘制间距示意图图5为标定方位示意图图6为提取特征点示意图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术通过三维球面上的特征点来进行相机的标定，为了计算的方便，也可以将此三维方法分解为众多二维标定计算的结合。如下图1所示图1总结为如下公式：其中s表示尺度因子，为图像平面点的其次坐标，A为摄像机的内参数矩阵，r表示旋转矩阵，T表示平移矩阵，为世界坐标系下点的其次坐标。A的具体表达式如下：α＝f/dx，β＝f/dy，f为相机的焦距，dx，dy为成像平面每个像素所占的尺寸，γ代表像素点在x，y方向上尺度的偏差。因为标定物上的点是同一个平面上，所以把世界坐标系构造在Z＝0的平面上。然后进行单应性矩阵计算。令Z＝0，即计算赤道上的特征点，将上式转换为如下形式：由其次坐标表示的矩阵可知，存在8个未知量，所以选出四个图像点即可构造8个方程从而解算出图像平面到世界平面的单应性矩阵H。将单应性矩阵写成三个列向量的形式，即：H＝[h1h2h3][h1h2h3]＝λA[r1r2T]可知H是内参和外参矩阵相乘所得，λ是从单应性矩阵中提取的一个系数，上述旋转加平移矩阵又提供了两个约束条件，这两个约束条件都是围绕着旋转向量来的。r1，r2正交得：r1×r2＝0，旋转向量的模为1，即|r1|＝|r2|＝1。通过上述两个条件可得：h1，h2可解出，内参阵A包含5个参数：α，β，u0，v0，γ。解出3个单应性矩阵在2个约束下产生的6个方程就可以表示出内参矩阵。而这3个单应性矩阵就是表示的3组点。可知B是个对称矩阵等效如下6个元素组成的矩阵。b＝[B11B12B13B22B23B33]Tvij＝[hi1hj1hi1hj2+hi2hj1hi2hj2hi3hj1+hi1hj3hi3hj2+hi2hj3hi3hj3]T以上公式是只讨论了像素在x，y轴上的偏差以及成像中心点的偏差所进行的一些数学公式上的化简。本专利技术球面间隔采用伪随机编码的方式，因为常规的经纬度编码方式规律性较强，面对成像平面产生的一些畸变不能够全面的表现出来，在太空中的相机标定的主要内容在于内参的标定。伪随机编码表示的间距如图2。具体实施方式：第一步：球面的绘制：采用移位寄存器生成伪随机序列，将其化为网格如图3所示。然后将生成网格图绘测到球面上，球面上竖线为经度线，经度角记为j，取值范围为(0,π)，横线为纬度线，纬度角记为w取值范围为(-w1,w1)，w1的值决定于实际球体的尺寸和计算精度的需求。绘测示意图如图4所示。第二步：方位的调整夹持着球体使在球面绘测的0度经度线出现在摄像机所成平面左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间，方位示意如图5所示。第三步：图像数据处理将球面所成图像进行一些特征点的提取，提取出的特征点每一点都对应着已知的位置。如球面上的点(wi,ji)(wi为纬度角的集合，ji为经度角的集合)对应着以球心为原点，赤道平面为XOY平面，垂直于赤道平面并经过原点的直线为Z轴所形成的坐标系下的点(X,Y,Z)。有如下关系：球体的半径为r，世界坐标系下的点与图像中对应的点表示如下：如图6为提取出的特征点，通过在一条纬度线与两条经度线上每条线提取四个点(四个点可解算出一个单应性矩阵)，三组共12个点。每次计算时，都要将每组点的第一个点当作这四个点所在平面的原点。通过这12个点的计算即可以计算出内参矩阵与外参矩阵。此种标定方法包含的数据点多。计算时，取点可以按照一条纬度线与两条经度线的组合算出一组内外参来取。也可以选取不同经度线或是不同纬度线来计算。将所算的参数进行一些统计学上的优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、球面的绘制：采用移位寄存器生成伪随机序列，以伪随机序列生成网格，然后将网格图绘测到球面上；竖线为球面的经度线，经度角记为j，取值范围为(0,π)，横线为球面的纬度线，纬度角记为w取值范围为(‑w1,w1)；步骤2、方位的调整：夹持绘制后的球体，并使在球面上的0度经度线出现在被标定摄像机所成平面的左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间；步骤3、图像数据处理：提取步骤2所成图像中经纬线的交点作为特征点，提取出的特征点每一点都对应着已知的位置；所述特征点为球面上的点(wi,ji)，对应着以球心为原点，零度纬度平面为XOY平面，垂直于零度纬度平面并经过原点的直线为Z轴所形成的坐标系下的点(X,Y,Z)；其中：wi为纬度角的集合，ji为经度角的集合；关系如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于伪随机编码球面进行空间相机标定的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、球面的绘制：采用移位寄存器生成伪随机序列，以伪随机序列生成网格，然后将网格图绘测到球面上；竖线为球面的经度线，经度角记为j，取值范围为(0,π)，横线为球面的纬度线，纬度角记为w取值范围为(-w1,w1)；步骤2、方位的调整：夹持绘制后的球体，并使在球面上的0度经度线出现在被标定摄像机所成平面的左侧，0度纬度线出现在所成图像的中间；步骤3、图像数据处理：提取步骤2所成图像中经纬线的交点作为特征点，提取出的特征点每一点都对应着已知的位置；所述特征点为球面上的点(wi,ji)，对应着以球心为原点，零度纬度平面为XOY平面，垂直于零度纬度平面并...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，张海涛，孟中杰，陈路，张夷斋，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61