一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法技术

本发明专利技术属于相机内方位元素及几何畸变测试技术领域，公开了一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，包括以下步骤：步骤S1：搭建测试系统；步骤S2：待测相机与平行光管调平；步骤S3：开展待测相机的正式测量拍摄环节；步骤S4：利用以上测量记录和质心结果的计算数据，通过最小二乘法计算主点、主距和畸变，即相机的内方位元素和几何畸变。本发明专利技术方法仅需要改变测试设备的光源，测试工具和平台可以通用，具有很好的是适应性，是一种通用性较强的测试方法。测试方法。测试方法。

【技术实现步骤摘要】
一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法


[0001]本专利技术属于相机内方位元素及几何畸变测试
，涉及一种可见与红外相机通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，可适应多种参数的线阵以及面阵可见光相机，而且可实现高精度线阵以及面阵红外相机的内方位元素与几何畸变测定。

技术介绍

[0002]目前市场上主要的相机包括两大类，一种是可见光相机，一种是红外相机，红外相机包含短波、中波以及长波等多个谱段种类。通常可见光相机在测量内方位元素以及几何畸变时，可采用网格板或者棋盘格板的方式进行，但这种测量方式具有一定的局限性，对于大视场长焦距的相机，对测试时使用的平行光管具有较高的要求；而红外相机由于其独有的成像特点，无法制造高精度的网格或者棋盘格靶标，因此对于红外相机而言，测量其内方位元素以及几何畸变是个比较费力的工作，即使可以实现，也无法做到较高的精度。
[0003]相机的光学系统由于自身的设计以及最后装调工艺的偏差原因，均存在一定程度的几何畸变，对于高精度的测量设备，这些畸变对于准确定位图像中目标的位置或者建立测绘模型等方面均有着不可忽略的影响。目前对于不同设计参数不同谱段的相机，典型的棋盘格或者网格板测量方式仅可适用于部分面阵可见光相机，对于线阵可见光相机由于探测器焦面的特殊形式无法实现，尤其是红外相机，因为其对比度是通过温度差异体现的，制造像可见光一样的高分辨率棋盘格靶标成本极高，并且靶标的通用性也不高，同时由于红外辐射情况在经过大气传输以后，对比度会存在一定程度的下降，最终在所成的图像很难分辨准确的角点。

技术实现思路

[0004](一)专利技术目的
[0005]本专利技术的目的是：如何通过一种简单而通用的方式实现可见及红外相机的内方位元素以及几何畸变的测量，为此，提供一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，通过调整测试用的光源设备，用同样的装置准确测定多种参数的可见光相机以及多个谱段红外相机的内部参数和畸变，为后续提高图像的几何定位精度提供数据支撑。
[0006](二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，仅调整测试用的光源设备，便可以用同样的装置准确测定多种参数的可见光相机以及多个谱段红外相机的内部参数和畸变，为后续提高图像的几何定位精度提供数据支撑。
[0008]本专利技术通过星点靶标和旋转相机的方式实现内方位元素和畸变的测试，测试简图如图1所示，测试方法包括以下步骤：
[0009]步骤S1：搭建测试系统。
[0010]测试系统包括光学平台、光源、平行光管、二维转台；平行光管和光源布置在光学平台上，光源位于平行光管的入光侧；待测相机布置在二维转台上，待测相机位于平行光管
的出光侧。
[0011]其中，平行光管上安装圆孔靶标。光源与待测相机相匹配，当待测相机为可见光相机时，使用积分球或者白炽灯等任意可见光源；当待测相机为红外相机时，使用黑体光源；所有光源的具体参数选择以待测相机所获得的图像不饱和为准。
[0012]平行光管选用2.5m焦距平行光管。
[0013]步骤S2：待测相机与平行光管调平。
[0014]为了保证畸变拟合和测试精度，需要将待测相机与平行光管调平。若有水平仪，利用水平仪将待测相机与平行光管调平；若没有水平仪，可仅利用待测相机和二维转台进行调平，即每次采集待测相机的一条扫描线之前，调整待测相机的位置，使待测相机采集到的靶标图像在视场范围内的纵坐标偏差＜2个像元，对于更高精度的相机，可以使待测相机采集到的靶标图像在视场范围内的纵坐标偏差＜1个像元。
[0015]步骤S3：开展待测相机的正式测量拍摄环节。
[0016]将待测相机对准平行光管上的圆孔靶标，使待测相机拍摄到清晰的靶标图像，按动快门完成一次拍摄。由于后续的计算需要，需要完成多点拍摄。
[0017]对于线阵相机，只需沿着线阵阵列方向实现多点成像即可，扫描点阵即是一条线上的多个点；对于面阵相机，需要使得所有扫描点阵构成的直线布满全视场，扫描点阵构成的直线的数目不少于4，至少包含水平0
°
、45
°
，90
°
和270
°
四个方向，如果为了提高测试精度，可以酌情增加一定数量的扫描线。
[0018]扫描点阵的整体分布确认以后，需要进一步确定点的位置和数量。为了描述选择方式，首先需要确定起始位置。如果待测相机有准确的光轴基准数据，则以光轴与探测器像面的交点作为起始位置；若待测相机无准确的光轴基准数据，在进行每条扫描线的测试时，以被测设备探测器的中心像元为起始位置，以目视状态下圆孔靶标与待测相机的中心十字光标对齐为准。以一台相机一条扫描线为例，以中心像元为起始点，两侧各选择一定数量的采样点，5～8个最佳，取决于待测相机的视场角，保证采样点之间角度间隔均布。在每个采样点均利用相机拍摄靶标图像，同时记录每个采样点对应的二维转台读数，二维转台相邻两次转动时的转动角度为ω
i
，采用图像处理的插值细分的方式精确计算靶标像质心坐标(x
i
，y
i
)，如果只有一个方向，则记为y
i
。
[0019]步骤S4：利用以上测量记录和质心结果的计算数据，通过最小二乘法计算主点、主距和畸变，即相机的内方位元素和几何畸变。
[0020]计算方法如下：以一个方向y为例，利用上述测量数据y
i
和转台转动角度ω
i
，采用最小二乘多元回归的方法，使用公式：
[0021]y
i
＝y0+f
·
tanω
i
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0022]上式中，y
i
为不同物方视场角下像点中心位置坐标；y0为主点位置坐标；f为相机主距；ω
i
为转台转动角度。
[0023]y
i
的误差方程为：
[0024]v
i
＝y
i
‑
(y0+f
·
tanω
i
) (i＝1，2，
…
n)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0025]根据多元函数的极小值条件，若使上式误差最小，则有：
[0026][0027]求上式方程组得到主点、主距的最佳估计值：
[0028][0029]y0＝[∑y
i
‑
(∑tanω
i
)
·
f]/n，
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030]各视场畸变：
[0031]D
i
＝v
i
＝y
i
‑
(y0+f
·
tanω
i
)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]x方向的计算方式与y方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：搭建测试系统；测试系统包括光学平台、光源、平行光管、二维转台；平行光管和光源布置在光学平台上，光源位于平行光管的入光侧；待测相机布置在二维转台上，待测相机位于平行光管的出光侧；步骤S2：待测相机与平行光管调平；步骤S3：开展待测相机的正式测量拍摄环节；将待测相机对准平行光管上的圆孔靶标，使待测相机拍摄到清晰的靶标图像，按动快门完成一次拍摄；对于线阵相机，沿着线阵阵列方向实现多点成像；对于面阵相机，使得所有扫描点阵构成的直线布满全视场；在每个扫描采样点均利用相机拍摄靶标图像，同时记录每个采样点对应的二维转台读数，采用图像处理的插值细分的方式计算靶标像质心坐标；步骤S4：利用以上测量记录和质心结果的计算数据，通过最小二乘法计算主点、主距和畸变，即相机的内方位元素和几何畸变。2.如权利要求1所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S1中，光源与待测相机相匹配，当待测相机为可见光相机时，使用可见光源；当待测相机为红外相机时，使用黑体光源；所有光源的具体参数选择以待测相机所获得的图像不饱和为准。3.如权利要求2所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S1中，可见光源使用积分球或者白炽灯。4.如权利要求3所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S1中，平行光管选用2.5m焦距平行光管。5.如权利要求1所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S2中，有水平仪时，利用水平仪将待测相机与平行光管调平；若没有水平仪，利用待测相机和二维转台进行调平，即每次采集待测相机的一条扫描线之前，调整待测相机的位置，使待测相机采集到的靶标图像在视场范围内的纵坐标偏差＜2个像元。6.如权利要求5所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S3中，对于面阵相机，扫描点阵构成的直线的数目不少于4，至少包含水平0
°
、45
°
，90
°
和270
°
四个方向。7.如权利要求6所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S3中，扫描点阵的整体分布确认以后，进一步确定点的位置和数量；首先确定起始位置，如果待测相机有准确的光轴基准数据，则以光轴与探测器像面的交点作为起始位置；若待测相机无准确的光轴基准数据，在进行每条扫描线的测试时，以被测设备探测器的中心像元为起始位置，以目视状态下圆孔靶标与待测相机的中心十字光标对齐为准。8.如权利要求7所述的通用的相机内方位元素与几何畸变测试方法，其特征在于，步骤S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭冰涛，王怡恬，韩琪，蔡鹏程，惠进，刘万刚，
申请(专利权)人：西安应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：