可配置多光谱遥感立体成像系统及设计方法技术方案

可配置多光谱遥感立体成像系统及设计方法，涉及多光谱倾斜遥感成像技术领域。为了解决现有的基于无人机的多光谱成像系统存在倾斜影像信息采集能力受限的问题，以及多相机之间缺乏采集同步性和累计误差的问题。本发明专利技术针对复杂遥感场景多角度多光谱数据采集需求，对可配置相机挂载结构、同步触发控制模块以及相机内外参数标定方法进行设计，采用合页式结构和固定插销实现相机数量配置、倾斜角度调节功能，基于微控制器与脉宽调制技术设计开发相机同步触发模块实现数据同步采集，设计开发多相机标定方法获得相机之间精确的空间变换关系，实现对多相机位置和姿态信息的修正。实现对多相机位置和姿态信息的修正。实现对多相机位置和姿态信息的修正。

【技术实现步骤摘要】
可配置多光谱遥感立体成像系统及设计方法


[0001]本专利技术涉及多光谱倾斜遥感成像
，具体涉及一种可配置多光谱遥感立体成像系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着传感器技术和相关算法的发展，多光谱成像技术可以同时获取应用场景多个波段的光谱和空间信息，被广泛应用于生态监测、地物识别等领域。在包含植被、建筑等地物的复杂场景中，地物遮挡现象严重、覆盖类型复杂，非常需要从不同视角采集完整的空间、光谱信息，从而提高三维重建模型的几何与纹理精度。倾斜摄影相机通常包含一个正射镜头和多个倾斜镜头，能够从不同视角对应用场景拍摄，有效提高地物侧视影像信息获取能力，减少重建模型扭曲变形现象，逐渐应用于无人机大场景三维重建任务中，在农林信息监测、古建筑保护以及实景三维城市建设中发挥着关键性的作用。
[0003]目前商用的多光谱遥感相机通常以固定的正射视角拍摄地面影像，倾斜影像信息采集能力受限，制约了多维度数据分析的应用。随着遥感技术与应用的发展进步，未来多光谱遥感成像技术将向着多角度、小型化、低成本、可定制方向发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有的基于无人机的多光谱成像系统存在倾斜影像信息采集能力受限的问题，以及多相机之间缺乏采集同步性和累计误差的问题。
[0005]可配置多光谱遥感立体成像系统设计方法，包括对可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构进行设计的过程，对同步触发控制模块进行设计的过程以及对多相机内外参数进行标定的设计过程；
[0006]对可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构进行设计时，设计可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构包括一块中央水平主板、2N块活动副板、无人机快拆器；中央水平主板用于挂载一台正射相机，2N块活动副板分别用于挂载多个倾斜视角的相机；无人机快拆器用于与无人机的连接；
[0007]对同步触发控制模块进行设计时，设计同步触发控制模块对多个相机同步触发进行控制，设计的同步触发控制模块对多个相机同步触发进行控制过程包括以下步骤：
[0008]上电后首先对时钟、定时器、输入输出端口等进行初始化，读取GPIO电平以检测跳线器所连接的端子序号并设置触发周期T，等待T时间后逐个触发每台相机，直到触发所有相机后完成一个周期；微控制器输出的触发信号根据相机对信号的要求进行设计，相机在收到触发信号后会经过一定的延迟开始曝光，为使各相机的曝光时间一致，在触发第i台相机后应延迟D
i
时间，调整D
i
使各相机同步曝光；
[0009]对多相机内外参数进行标定的设计过程如下：
[0010]首先绘制双棋盘格相机标定板，用多光谱遥感成像系统对其拍照，通过调整视角、距离使得两相机同时分别拍摄到标定板上两个棋盘格；
[0011]然后拍摄多组相片并利用张正友标定法进行单相机标定，获得每个相机的内参数与每张相片的外参数，相机坐标系O
‑
xyz中的一点到像素坐标系O
‑
uv对应点的变换关系用内参数表示，即内参矩阵K，设有相机坐标系中一点P
c
，即其对应的像素坐标系中的点为p，即(p
u
,p
v
)，则二者变换关系如下式：
[0012][0013]上式中p
u
,p
v
分别表示该像素点的u和v方向的像素坐标(坐标原点定义在图像左上角，向右为u方向，向下为v方向)，λ是一个比例系数，其值等于f
x
,f
y
分别是相机传感器的x,y方向的等效焦距，其值为焦距除像素宽度，c
x
,c
y
是像主点坐标；
[0014]世界坐标系O
‑
XYZ中的一点到相机坐标系对应点的变换关系用外参数表示，包括旋转矩阵R和平移向量T，设有世界坐标系中一点P
w
，即其对应的相机坐标系中的点为P
c
，则二者变换关系如下式：
[0015][0016]上式中的R
ij
是用三角函数表示的世界坐标系到相机坐标系的旋转关系，t
i
表示世界坐标系到相机坐标系的各方向的平移量；
[0017]最后推算出两相机的相对外参数：设C1、C2是两台相机，P1和P2是标定板中两棋盘格上一对对应点，两点平移向量t已知，则P1到C1相机坐标p
C1
的变换关系如下：
[0018][0019]式中R1表示P1所在棋盘格的世界坐标系到C1相机坐标系的旋转矩阵，T1表示P1所在棋盘格的世界坐标系原点到C1相机坐标系原点的平移向量；将P1棋盘格世界坐标系扩展为多光谱遥感成像系统的公共世界坐标系，将C1的相机坐标系经过旋转矩阵R
C
和平移向量T
C
变换到与C2重合，变换后的相机坐标为：
[0020][0021]假设C2视野无穷大，则P1点落在C2相机坐标系的坐标为：
[0022][0023]式中R2表示P2所在棋盘格的世界坐标系到C2相机坐标系的旋转矩阵，T1表示P2所在棋盘格的世界坐标系原点到C2相机坐标系原点的平移向量，t为P1到P2的平移向量；由于P1与P2是一对共轭点，即P1在C1上的投影点经R
C
,T
C
变换后的点p
′
C1
与P2在C2上的投影点p
C2
重合，因此联立上述关系式可得：
[0024][0025]求解R
C
和T
C
，即获得一组C1、C2两相机的外参数标定结果，利用多对图像的结果进行优化，最小重投影误差对应的解即为最终标定结果，每两台相机进行一次上述标定过程并将结果变换到同一个相机坐标系下即完成多相机系统的外参数标定。
[0026]进一步地，设计的可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构如下：
[0027]2N块活动副板通过转轴对称地连接在中央水平主板的四周，转轴为一种可手动拆卸和安装的长螺栓结构；中央水平主板上设置有多个通过口；每块活动副板上均设置有角度调节器，角度调节器为半圆环形，角度调节器的一端固接在活动副板上，角度调节器的另一端能够穿过通过口并利用螺栓固定于中央水平主板，角度调节器具有多个预留孔用于调节并固定活动副板的倾斜角度；
[0028]中央水平主板与活动副板上开有与相机螺丝孔对应的通孔，中央水平主板用于挂载一台正射相机，2N块活动副板分别用于挂载多个倾斜视角的相机；
[0029]中央水平主板的一侧设置有与无人机匹配的无人机快拆器，用于与无人机的连接。
[0030]进一步地，设计的可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构还包括U形挂载结构，U形挂载结构设计在中央水平主板上与设置无人机匹配的无人机快拆器相背的一侧，即中央水平主板的另一侧，U形挂载结构用于固定同步触发控制模块。
[0031]进一步地，将连接中央水平主板和活动副板的转轴设计为可拆卸安装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可配置多光谱遥感立体成像系统设计方法，其特征在于，包括对可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构进行设计的过程，对同步触发控制模块进行设计的过程以及对多相机内外参数进行标定的设计过程；对可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构进行设计时，设计可配置多光谱遥感立体成像系统主体结构包括一块中央水平主板、2N块活动副板、无人机快拆器；中央水平主板用于挂载一台正射相机，2N块活动副板分别用于挂载多个倾斜视角的相机；无人机快拆器用于与无人机的连接；对同步触发控制模块进行设计时，设计同步触发控制模块对多个相机同步触发进行控制，设计的同步触发控制模块对多个相机同步触发进行控制过程包括以下步骤：上电后首先对时钟、定时器、输入输出端口等进行初始化，读取GPIO电平以检测跳线器所连接的端子序号并设置触发周期T，等待T时间后逐个触发每台相机，直到触发所有相机后完成一个周期；微控制器输出的触发信号根据相机对信号的要求进行设计，相机在收到触发信号后会经过一定的延迟开始曝光，为使各相机的曝光时间一致，在触发第i台相机后应延迟D
i
时间，调整D
i
使各相机同步曝光；对多相机内外参数进行标定的设计过程如下：首先绘制双棋盘格相机标定板，用多光谱遥感成像系统对其拍照，通过调整视角、距离使得两相机同时分别拍摄到标定板上两个棋盘格；然后拍摄多组相片并利用张正友标定法进行单相机标定，获得每个相机的内参数与每张相片的外参数，相机坐标系O
‑
xyz中的一点到像素坐标系O
‑
uv对应点的变换关系用内参数表示，即内参矩阵K，设有相机坐标系中一点P
c
，即其对应的像素坐标系中的点为p，即(p
u
,p
v
)，则二者变换关系如下式：上式中p
u
,p
v
分别表示该像素点的u和v方向的像素坐标，λ是一个比例系数，其值等于f
x
,f
y
分别是相机传感器的x,y方向的等效焦距，其值为焦距除像素宽度，c
x
,c
y
是像主点坐标；世界坐标系O
‑
XYZ中的一点到相机坐标系对应点的变换关系用外参数表示，包括旋转矩阵R和平移向量T，设有世界坐标系中一点P
w
，即其对应的相机坐标系中的点为P
c
，则二者变换关系如下式：上式中的R
ij
是用三角函数表示的世界坐标系到相机坐标系的旋转关系，t
i
表示世界坐标系到相机坐标系的各方向的平移量；
最后推算出两相机的相对外参数：设C1、C2是两台相机，P1和P2是标定板中两棋盘格上一对对应点，两点平移向量t已知，则P1到C1相机坐标p
C1
的变换关系如下：式中R1表示P1所在棋盘格的世界坐标系到C1相机坐标系的旋转矩阵，T1表示P1所在棋盘格的世界坐标系原点到C1相机坐标系原点的平移向量；将P1棋盘格世界坐标系扩展为多光谱遥感成像系统的公共世界坐标系，将C1的相机坐标系经过旋转矩阵R
C
和平移向量T
C
变换到与C2重合，变换后的相机坐标为：假设C2视野无穷大，则P1点落在C2相机坐标系的坐标为：式中R2表示P2所在棋盘格的世界坐标系到C2相机坐标系的旋转矩阵，T1表示P2所在棋盘格的世界坐标系原点到C2相机坐标系原点的平移向量，t为P1到P2的平移向量；由于P1与P2是一对共轭点，即P1在C1上的投影点经R
C
,T
C
变换后的点p
′
C1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷延锋，王子须，李贤，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：