用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法技术

本发明专利技术涉及用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，包括：建立远心相机坐标系到图像坐标系转换关系，并结合世界坐标系到相机坐标系以及图像坐标系到像素坐标系的转换，综合建立世界坐标系到图像坐标系的转换模型，根据转换模型，获取远心相机的投影矩阵；标定远心相机，求解投影矩阵，获取标定后的投影矩阵；基于标定后的投影矩阵进行三维重建，重构降水粒子的三维形状

【技术实现步骤摘要】
用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法


[0001]本专利技术涉及降水粒子立体成像测量
，特别是涉及用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法
。

技术介绍

[0002]雨滴
、
雪花
、
冰雹
、
霰等不同相态降水粒子具有不同的尺度
、
形状和取向特征，现有的雨滴谱仪只能获取降水粒子在某个角度的剖面信息，这适用于旋转对称的雨滴，但是无法有效揭示非球形固态降水粒子的三维特征
。
而实际上，这些三维微物理特征是数值模式参数化方案
、
雷达定量估计降水
、
电磁波散射与衰减计算等领域的基本参数，目前缺乏非球形固态降水粒子的准确输入信息
。
[0003]利用多角度立体成像获取多角度图像并进行三维重构，是目前获取物体三维结构信息的主要手段，这其中，相机标定和三维重建是关键环节
。
不同于传统的仪器标定，相机标定是寻找三维空间点与二维图像点之间的对应关系，即求解相机的内外参数，这是三维重构的前提和基础
。
远心镜头可以消除常规镜头存在的透视误差和景深效应，实现降水粒子在大采样空间内的无景深清晰成像，但是传统的针孔单目相机标定方法不再适用，因此需要研究适用于远心相机的标定方法，并在此基础上开展适用于降水粒子特征的三维重构
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供了用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，采用可视外壳算法对粒子形状进行了三维重构，有效地测量出固态降水粒子非球形形状
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，包括：
[0007]建立远心相机坐标系到图像坐标系转换关系，并结合世界坐标系到相机坐标系以及图像坐标系到像素坐标系的转换，综合建立世界坐标系到图像坐标系的转换模型，根据所述转换模型，获取远心相机的投影矩阵；
[0008]标定远心相机，求解所述投影矩阵，获取标定后的所述投影矩阵；
[0009]基于标定后的所述投影矩阵进行三维重建，重构降水粒子的三维形状
。
[0010]可选地，建立所述远心相机坐标系到所述图像坐标系转换关系的方法为：
[0011][0012]其中，
β
为远心相机的远心物镜的放大率，和分别表示二维图像坐标系和三维相机坐标系的齐次形式，
(x
，
y)
为图像坐标系下点坐标，单位是毫米；
(X
c
，
Y
c
，
Z
c
)
为相机坐标系下的点的三维坐标
。
[0013]可选地，建立所述世界坐标系到所述相机坐标系以及所述图像坐标系到像素坐标系的转换的方法为：
[0014][0015]其中，为相机内部参数，为相机外部参数，表示相机的位姿，
r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
、r
33
均为从世界坐标系到相机坐标系的旋转过程，
t
x
、t
y
、t
z
均为从世界坐标系到相机坐标系的平移过程，
β
为远心相机的远心物镜的放大率，
S
u
、S
v
为像元长和宽尺寸，
(u
，
v)
为像素坐标系下点的坐标；
(u
o
，
v0)
为主点坐标，即摄像机成像平面与相机光轴的交点坐标，单位为像素；
(X
w
，
Y
w
，
Z
w
)
为世界坐标系下点坐标，单位为毫米
。
[0016]可选地，获取远心相机的投影矩阵的方法为：
[0017][0018]其中，为相机内部参数，为相机外部参数，表示相机的位姿，
r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
、r
33
均为从世界坐标系到相机坐标系的旋转过程，
t
x
、t
y
、t
z
均为从世界坐标系到相机坐标系的平移过程，
β
为远心相机的远心物镜的放大率
。
[0019]可选地，获取标定后的所述投影矩阵包括：
[0020]拍摄棋盘格，获取每个角点的世界坐标和图像中的像素坐标，构建超定线性模型，根据所述超定线性模型，获取最优投影矩阵的第一最佳估计值，即标定后的所述投影矩阵
。
[0021]可选地，获取标定后的所述投影矩阵后包括：
[0022]获取所述远心相机的部分内部参数，设置所述远心相机成像平面与所述远心相机光轴的交点为主点坐标，且位于图像的中心处；所述部分内部参数包括：图像分辨率
、
像元尺寸和放大倍率；
[0023]根据所述第一最佳估计值，获取从世界坐标系到相机坐标系的旋转过程和平移过程的第二最佳估计值，进一步获取远心相机的全部估计内外参数
。
[0024]可选地，设置所述远心相机成像平面与所述远心相机光轴的交点为主点坐标后包括：
[0025]判断所述主点坐标是否位于图像的中心处，若所述主点坐标未在图像的中心处，则进行多次远心相机标定，拍摄不同位姿的棋盘，利用
L
‑
M
算法，获取每个所述主点坐标的第三最佳估计值，根据所述第三最佳估计值，消除主点偏差若所述主点坐标在图像的中心处，则不做任何处理
。
[0026]可选地，获取所述第二最佳估计值后包括：
[0027]获取所述远心相机的位置及角度，根据所述远心相机的位置及角度以及所述全部估计内外参数，将每个远心相机的外部参数进行关联，并获取每个远心相机的投影矩阵
。
[0028]可选地，获取所述第一最佳估计值的方法为：
[0029]KM
LS
＝
U
i
W
iT
(W
i
W
iT
)
‑1[0030]其中，
U
i
为
i
个点像素下的坐标；
W
i
为
i
个点世界坐标系下的坐标，
KM
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，其特征在于，包括：建立远心相机坐标系到图像坐标系转换关系，并结合世界坐标系到相机坐标系以及图像坐标系到像素坐标系的转换，综合建立世界坐标系到图像坐标系的转换模型，根据所述转换模型，获取远心相机的投影矩阵；标定远心相机，求解所述投影矩阵，获取标定后的所述投影矩阵；基于标定后的所述投影矩阵进行三维重建，重构降水粒子的三维形状
。2.
根据权利要求1所述的用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，其特征在于，建立所述远心相机坐标系到所述图像坐标系转换关系的方法为：其中，
β
为远心相机的远心物镜的放大率，和分别表示二维图像坐标系和三维相机坐标系的齐次形式，
(x
，
y)
为图像坐标系下点坐标，单位是毫米；
(X
c
，
Y
c
，
Z
c
)
为相机坐标系下的点的三维坐标
。3.
根据权利要求1所述的用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，其特征在于，建立所述世界坐标系到所述相机坐标系以及所述图像坐标系到像素坐标系的转换的方法为：其中，为相机内部参数，为相机外部参数，表示相机的位姿，
r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
、r
33
均为从世界坐标系到相机坐标系的旋转过程，
t
x
、t
y
、t
z
均为从世界坐标系到相机坐标系的平移过程，
β
为远心相机的远心物镜的放大率
,
S
u
、S
v
为像元长和宽尺寸，
(u
，
v)
为像素坐标系下点的坐标；
(u0，
v0)
为主点坐标，即摄像机成像平面与相机光轴的交点坐标，单位为像素；
(X
w
，
Y
w
，
Z
w
)
为世界坐标系下点坐标，单位为毫米
。4.
根据权利要求1所述的用于降水粒子多角度成像的远心相机标定和三维重构方法，其特征在于，获取远心相机的投影矩阵的方法为：其中，为相机内部参数，为相机外部参数，表示相机的位姿，
r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
、r
33
均为从世界坐标系到相机坐标系的旋转过程，
t
x
、t

【专利技术属性】
技术研发人员：石家屹，刘西川，刘磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：