【技术实现步骤摘要】
立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法及系统
本专利技术涉及数字摄影测量
，更具体地，涉及一种立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法及系统。
技术介绍
随着现代系统集成技术和农业信息获取技术在精细农业领域的迅猛发展，农业及其他社会行业中相关的表型测量、操作机械量检测、几何量检测和结构测试等对测量的高通量、无标、无接触、廉价、高精度和网络化的要求越来越高。视觉测量系统具有这些方面的优势，在农业和社会其他领域的测量工作中发挥着越来越重要的作用，数字摄影测量结合数字图像解析方法已经在三维测量中被广泛应用。由于视觉系统的光学误差，光学系统测量的可行性和测量精度受到很大的影响。因此许多学者运用各种方法对其进行校正，按照其对校正数据处理的方式，可分为参数化校正和非参数化校正。由于非参数化模型更加适应于非量测摄影系统的像差校正，它已经成为国内外立体摄影测量标定的研究热点。农业生产中需要获取大量的作物生产信息。为了通过图像获取植物表型信息，实现农业生产的自动监测，需要对田间植物进行三维点云的测量。目前的测量系统的近景测量方法，在农田或温室等农业和类似的高通量自然光环境中对大多数结构数据未知的测量目标经常无法实施，无标和无接触精确测量的问题尚没有完全解决。解决非量测设备的视觉测量一体化系统的光学像差和利用运动结构参数立体标定建立仿射坐标系进行前方交会的光束平差测量这两个问题，可以构建无标精确测量的视觉测量系统，解决视觉测量的农田普及应用问题，还可以解决其他行业的机器人手眼视觉测量系统的广泛应用问题，带来巨大社会和经济效益。因此，亟需提供一种方法能够解决立体...
【技术保护点】
1.一种立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，包括：S1，基于标定板角点的世界坐标系与像面坐标的对应关系构建空间‑像面误差分度映射表，建立立体视场垂轴像差标定模型；S2，基于轴向像差旋量的计算方法建立立体视场轴向像差校正模型，所述立体视场轴向像差校正模型包括立体视场中的像元轴向像差通道校正模型和泽尼克多项式轴向像差校正模型；S3，基于所述立体视场垂轴像差标定模型和立体视场轴向像差校正模型，构建以焦距为变量的立体视场中垂轴像差校正模型和轴向像差校正模型；S4，建立基于云台或手眼系统的世界坐标系及其仿射坐标系，在所述世界坐标系和仿射坐标系中进行前方交会的光束平差测量；并在测量过程中加入以估计距离参数为初值的像点非单应性迭代校正。
【技术特征摘要】
1.一种立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，包括：S1，基于标定板角点的世界坐标系与像面坐标的对应关系构建空间-像面误差分度映射表，建立立体视场垂轴像差标定模型；S2，基于轴向像差旋量的计算方法建立立体视场轴向像差校正模型，所述立体视场轴向像差校正模型包括立体视场中的像元轴向像差通道校正模型和泽尼克多项式轴向像差校正模型；S3，基于所述立体视场垂轴像差标定模型和立体视场轴向像差校正模型，构建以焦距为变量的立体视场中垂轴像差校正模型和轴向像差校正模型；S4，建立基于云台或手眼系统的世界坐标系及其仿射坐标系，在所述世界坐标系和仿射坐标系中进行前方交会的光束平差测量；并在测量过程中加入以估计距离参数为初值的像点非单应性迭代校正。2.根据权利要求1所述的立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S11，对所用视觉系统进行内参标定，获取焦距f，并提取内参标定后的理想参照数据；其中，所述提取内参标定后的理想参照数据的步骤，具体为：建立靶标世界坐标系，将靶标的世界坐标直接作为物方理想参照数据；或者，通过焦距f以及光学台架上光轴方向尺度坐标推导角点的像方像素理想坐标数据；S12，提取标定板的角点数据，建立立体视场标定区域，在所述立体视场标定区域内多切面提取垂轴像差的角点图像坐标，反推出靶标控制点的世界坐标摄测值和其中，i,j对应图像坐标，并建立分度映射表，所述分度映射表即为空间-像面误差分度映射表；其中，所述建立分度映射表的步骤，具体为：根据理想值与实际测量值计算畸变量：利用计算获得的畸变量通过实际测量值和视场刻度将畸变点反推到未畸变点位置，构建从(Xd,Yd)映射到(Xu,Yu)的分度映射表；S13，分别计算x坐标方向的垂轴像差和y坐标方向的垂轴像差：利用靶标世界坐标作为物方理想参照数据Xij和Yij，提取靶标控制点的世界坐标摄测值和与物方理想参照数据的实际畸变误差量和或者，利用焦距f以及光学台架上光轴方向尺度坐标推导出的角点的像方像素理想坐标数据作为像方理想参照数据xij和yij，提取靶标控制点的像方坐标摄测值和与像方理想参照数据的实际畸变误差量和S14，分别建立x坐标方向的垂轴像差和y坐标方向的垂轴像差的插值多项式，构建垂轴像差权值曲面：设WX＝zx和WY＝zy，分别选择曲面方程拟合，以下以z代表zx或zy:BT·A＝z(6)，其中，为x和y的误差的系数矩阵，B(x,y)x和B(x,y)y分别为x和y方向误差的曲面方程；令li＝(xi,yi)，li表示曲面的坐标(xi,yi)，i＝1,2,…,N，一组基函数[b1(l),b2(l),…,bn(l)]控制整个曲面，一般n＝N，对任意li都满足：设在等精度测量的N组数据中(xi,yi)是像素坐标值，摄测值与理想值的差是zi，曲面函数为f(li)，将zi作为观测值，用泛函误差δ表示:式(8)中的ai值影响着δ的大小，对δ求最小值，即对参数使用最小二乘法估计时，需要获得对δ偏差加权平方和的极值，即对δ偏差加权平方和中的ai分别求偏导，求导后得到：将图像的所有角点li代入，则有：BBTA＝BZ(10)其中，ZT＝(z1,z2,…,zn)解得，最终畸变量方程为：S15，计算立体视场垂轴像差曲面系数函数：通过对视场中每一个成像平面的畸变曲面系数A进行曲线拟合，建立基于立体视场的垂轴像差曲面系数函数矩阵，实现相机在焦距成像范围内任何位置都能通过所述分度映射表进行成像图像畸变的校正；其中，所述基于立体视场的垂轴像差曲面系数函数矩阵为：3.根据权利要求2所述的立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S21，建立立体视场限差区域，在所述立体视场限差区域内多切面提取角点图像坐标，并计算出靶标控制点的世界坐标摄测值及其八邻域像素的世界坐标摄测值，通过后方交会光束平差法求取f点的光轴方向尺度坐标，根据轴向像差矢量场的四元素表达，采用物方计算方法或像方计算方法计算图像角点八邻域的轴向像差WA；其中，所述根据轴向像差矢量场的四元素表达，采用物方计算方法或像方计算方法计算图像角点八邻域的轴向像差WA的步骤，具体为：根据完善成像的余弦定理条件和正弦条件，令:sinα/sinβ＝sinα′/sinβ′(13)根据轴向像差矢量场的四元素表达，采用物方计算方法或像方计算方法计算图像角点八邻域的轴向像差WA，当采用物方计算方法时：当采用像方计算方法时：解得四元数函数为：其中，u是一个标量，是一个矢量，WA表示角点轴向像差为标量场和矢量场的和，(Xf,Yf,Zf)是当前焦点的世界坐标，f是当前焦距焦距，(XW,YW,ZW)是待测物点的世界坐标，(X′W,Y′W,Z′W)待测物点的摄测世界坐标，(x,y,z)待测点图像世界坐标，(x′,y′,z′)待测点图像的摄测世界坐标，(α,β)分别是成像光线与光轴和过主点的水平线构成的平面的间的夹角，(α′,β′)则是相邻像素的成像光线角；S22，利用哈密顿算子▽，由像点八邻域求得轴向像差的矢量流的面积分获得四元数表示的轴向像差面积分为：S23，求解轴向像差旋量：根据Stokes定理，设像点处的旋度为八邻域轴向像差矢量的单位面积积分，得：其中，S代表图像面积，S1是垂直四邻域像素的面积，S2是对角四邻域像素的面积，省略大于八邻域范围的矢量；S24，对角点的轴向像差旋量间进行B样条亚像素插值，求得每个像元的轴向像差并构建像素点位轴向像差通道，建立像元轴向像差通道校正模型，其中，所述像元轴向像差通道校正模型为：其中，A是以z轴坐标为自变量的函数，为像素点位的轴向像差值；S25，以泽尼克多项式拟合曲面简化所述像元轴向像差通道校正模型，并计算立体视场轴向像差泽尼克面参数函数：若用A(x,y)表示视场中某一轴向像差拟合曲面，在笛卡尔坐标系下N项泽尼克多项式为：其中，qj是多项式中的第j项系数，Zj是多项式中的第j项，n为多项式的项数，(x,y)为该像差的坐标值；若由m个离散点数据Ai(xi,yi),i＝1,2,…,m带入多项式中得到：因A向量在光轴方向z上，上式(19)可记为A＝QZ，其中Q和Z均为m×n维矩阵，轴向像差矩阵为：A＝(A1,A2,…,Am)T像点像差的泽尼克各项表达式为：系数矩阵为：根据像差曲面方程A＝QZ，对轴向多组图像进行拟合计算求得Q(z)表达式，根据视场空间进行参数拟合建立轴向系统误差补偿模型，则立体视场中可记为A(z)＝Q(z)Z，其中，系数矩阵Q(z)控制轴向像差矩阵A(z)和泽尼克Z矩阵的形式。4.根据权利要求3所述的立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：S31，建立所述立体视场垂轴像差曲面系数函数与焦距f的函数关系，构建以焦距为变量的立体视场中垂轴像差校正模型：将垂轴像差曲面的系数矩阵根据焦距变量进行拟合，得到其中，a(z,f)为以视场位置和焦距为变量的垂轴像差曲面系数函数，构建立体视场中的不同光学系统焦距的垂轴像差校正模型：S32，建立所述立体视场轴向像差泽尼克面参数函数与焦距f的函数关系，构建以焦距为变量的立体视场中轴向像差校正模型：将所述立体视场轴向像差泽尼克面参数函数Q(z)表达成以视场位置和焦距为变量的函数矩阵，所述函数矩阵如下：根据所述函数矩阵构建立体视场中的不同光学系统焦距的轴向像差校正模型：A(z,f)＝Q(z,f)Z(24)。5.根据权利要求4所述的立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：S41，根据所述垂轴像差权值曲面和像元轴向像差通道校正模型，构建立体视场的三维垂轴像差校正和轴向像差校正的初始权值矩阵W＝[Wx(z,f),Wy(z,f),WA(z,f)]；S42，执行仿射坐标系中的前方交会光束平差测量过程：利用测量系统结构参数和旋转结构参数建立仿射空间坐标系统，获取不同视角的含有待测点的多个图像的空间旋转矩阵，并计算对应像点和焦点的世界坐标，取拍摄的一组相片中的同一待测点的不同空间位置的像点世界坐标，然后与对应的各自所在位置的焦点世界坐标组成两组数据点集，将两组数据点集进行光束平差交会得到所述待测点的坐标位置；S43，在所述仿射坐标系中的前方交会光束平差测量过程中进行迭代校正：通过设置初始距离值和校正前后的前方交会测量结果的差值门限，利用所述立体视场的三维垂轴像差校正和轴向像差校正的初始权值矩阵，校正所述前方交会光束平差测量过程中的图像世界坐标集合，其中每迭代运算一次，利用得到的距离参数Zi代入W矩阵的系数拟合矩阵，并运算相应的W权阵，非单应性校正一次图像坐标，并将校正后的图像坐标代入L矩阵，求得新的改正数，测出前方待测点的坐标值A(Xs,Ys,Zs)＝A(XW,Yw,ZW)，迭代计算直至前后两次测量值达到门限要求，输出测量值A(XW,Yw,ZW)。6.根据权利要求5所述的立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法，其特征在于，所述步骤S42具体为：在某一焦距系统中，利用测量系统结构参数dz0i和旋转结构参数即半径R作为焦点的初始位置的世界坐标F0i(0,R,dz0i)，建立以云台或手眼系统的旋转中心O为世界坐标原点，以初始位置的光轴方向为世界坐标Z方向，以初始像平面位置的u，v方向为的世界坐标X，Y方向的仿射空间坐标系统，其中测量系统结构参数dz0i为不同焦距下焦点至水平旋转中心轴线的距离；获取不同视角的含有待测点的多个图像的空间旋转矩阵，并计算对应像点和焦点的世界坐标：将云台或手眼系统旋转，由传感器获取位姿信息，根据初始位姿计算旋转矩阵为：随云台或手眼系统的旋转，依次建立不同视角的仿射坐标系统，以旋转中心O为原点，则焦点Fi的世界坐标为像点的世界坐标为其中，(Xf0,Yf0,Zf0)为焦点的初始世界坐标位置，(X0,Y0,Z0)为像点的初始世界坐标位置；取拍摄的一组相片中的同一待测点的不同空间位置的像点世界坐标(Xi,Yi,Zi)，然后与对应的各自所在位置的焦点世界坐标F(Xfi,Yfi,Zfi)组成两个数据点集，将两组数据点集进行光束平差交会得到该待测点的坐标位置A(XW,Yw,ZW)，实现无标前方交会视觉测量迭代运算：基于云镜摄平台，在不同位置的多张拍摄，在传统的前方...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建仑，张成林，刘文生，苏日娜，姜良宇，卜一译，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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