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一种交会对接用相机内参数的标定方法

阅读:425发布:2023-02-04

专利汇可以提供一种交会对接用相机内参数的标定方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且交会对接用相机内参数的标定方法,是一种基于光学外标法对相机有效焦距和图像中心进行标定并精确建立相机 坐标系 的方法,通过利用光学镜头光轴指向基准建立相机视线方向的坐标轴和相机测量数学模型中焦距随距离变化而变化的思想建立有效焦距曲线等方法,解决了难以同时实现 位置 和 姿态 测量 精度 ,以及沿视线方向位置测量精度较低的技术难题。,下面是一种交会对接用相机内参数的标定方法专利的具体信息内容。

1.一种交会对接用相机内参数的标定方法,其特征在于步骤如下:
(1)建立CCD相机坐标系,原点为CCD相机上放置的基准镜相互垂直的三个面的过十字刻线中心的法线在空间上的交点,所述三个面中法线与基准镜前端面法线平行的镜面的法线方向为Z轴,指向大地方向的基准镜面的法线方向为Y轴,X轴与Y轴和Z轴符合右手定则;
(2)选取均匀覆盖相机测量距离和相机视场的点作为已知测点,利用CCD相机对已知测点测量,对相机的相面中心坐标xp,yp和焦距fp进行标定,步骤为:
(21)选取相机中心坐标和焦距的初值
(22)计算Fk=(f1,f2,...,fn)(f1,f2,...,fn)T,其中
i=1,2.....,n,n为已知测点个
数,<>表示内积运算, 为第i个已知测点在大地坐标系下的坐标,χj为相机在不同位置下测量的第i个已知测点在CCD相机坐标系的坐标,和 为与χj对应的位置下测量的第i个已知测点在相机像平面上的坐标, 和 分别为矩阵R的第一行、第二行和第三行,R为大地坐标系和CCD相机坐标系之间的转换矩阵;
(23)若求得的Fk满足精度要求,则求得的 分别作为第i个已知测点下相机的相面中心坐标和焦距,否则调整 直至Fk满足精度要求;
(24)不断重复步骤(21)~(23),将得到的各已知测点下相机的相面中心坐标进行几何平均,得到相机的相面中心坐标xp,yp,同时将得到的各已知测点下相机的焦距连接起来形成相机的焦距曲线;
(3)将步骤(2)确定的相机焦距曲线和相面中心坐标作为相机自带姿态位置求解软件的初始值,对所有已知测点计算姿态位置并与步骤(2)的测量结果进行比较,由此得到CCD相机的测量误差。

说明书全文

一种交会对接用相机内参数的标定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种相机内参数的标定方法。

背景技术

[0002] CCD光学成像敏感器是交会对接任务的关键测量部件,由CCD相机和目标标志器组成。CCD相机安装在追踪器上,目标标志器按安装在目标飞行器上。其功能是在追踪器与目标飞行器交会对接时在一定距离范围内,通过CCD相机对目标标志器成像和测量,得到光学敏感器坐标系相对于目标标志器坐标系的相对位置和相对姿态
[0003] CCD光学成像敏感器研制难点之一是要求在一定距离范围内具有较高的位置和姿态测量精度。现有方法主要使用利用了固定模板信息和成像点的信息,可计算出摄相机的内部参数。在单目视觉实时测量系统中,需要对成像点的畸变实时矫正,来得到理想像点的坐标,并由此计算出目标与相机间的位姿参数。例如Zhang Zheng-you,A flexible new technique for camera calibration,Technical Report MSR-TR-98-71,1998所公开的标定方法,标定过程中由于采用固定模版不能保证沿视线方向位置测量高精度的实现,而且对固定模版的测量会对标定结果产生很大影响,从而影响CCD光学成像敏感器的正常测量。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题是:克服现有技术难以同时实现位置和姿态测量精度,以及沿视线方向位置测量精度较低的技术难题,提出了一种交会对接用相机内参数的标定方法。
[0005] 本发明的技术解决方案是:一种交会对接用相机内参数的标定方法,步骤如下:
[0006] (1)建立CCD相机坐标系,原点为CCD相机上放置的基准镜相互垂直的三个面的过十字刻线中心的法线在空间上的交点,所述三个面中法线与基准镜前端面法线平行的镜面的法线方向为Z轴,指向大地方向的基准镜面的法线方向为Y轴,X轴与Y轴和Z轴符合右手定则;
[0007] (2)选取均匀覆盖相机测量距离和相机视场的点作为已知测点,利用CCD相机对已知测点测量,对相机的相面中心坐标xp,yp和焦距fp进行标定,步骤为:
[0008] (21)选取相机中心坐标和焦距的初值
[0009] (22)计算Fk=(f1,f2,...,fn)(f1,f2,...,fn)T,其中
[0010] i=1,2.....,n,n为已知测点个数,<>表示内积运算, 为第i个已知测点在大地坐标系下的坐标,χj为相机在不同位置下测量的第i个已知测点在CCD相机坐标系的坐标,和 为与χj对应的位置下测量的第i个已知测点在相机像平面上的坐标, 和 分别为矩阵R的第一行、第二行和第三行,R为大地坐标系和CCD相机坐标系之间的转换矩阵;
[0011] (23)若求得的Fk满足精度要求,则求得的 分别作为第i个已知测点下相机的相面中心坐标和焦距,否则调整 直至Fk满足精度要求;
[0012] (24)不断重复步骤(21)~(23),将得到的各已知测点下相机的相面中心坐标进行几何平均,得到相机的相面中心坐标xp,yp,同时将得到的各已知测点下相机的焦距连接起来形成相机的焦距曲线;
[0013] (3)将步骤(2)确定的相机焦距曲线和相面中心坐标作为相机自带姿态位置求解软件的初始值,对所有已知测点计算姿态位置并与步骤(2)的测量结果进行比较,由此得到CCD相机的测量误差。
[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于:本发明标定方法利用测量精度较高的光学外标测量结果,对相机内部参数进行标定,标定参数为有效焦距、图像中心、以及相机坐标系与基准镜坐标系间转换矩阵,这些标定参数写入CCD光学成像敏感器软件,即可以保证全测量范围内的位置和姿态测量精度。该方法设计思路新颖,标定参数过程简单,运算量小,占用硬件资源小,并极大提高了沿视线方向的位置测量精度,克服了常用标定方法设计复杂、运算量大、占用内存资源大、以及沿视线方向的位置测量精度低的不足,非常适应工作环境复杂的空间相机使用。附图说明
[0015] 图1为本发明方法的流程框图

具体实施方式

[0016] 如图1所示,为本发明方法的原理框图,主要步骤如下:
[0017] (1)CCD相机坐标系原点建立;
[0018] 利用立方镜与相机光轴垂直的面上的十字刻线提供CCD相机的位置测量基准,根据该基准可以准确定位CCD相机测量坐标系的原点,基准镜相互垂直三面过十字刻线中心的法线在空间上的交点,即为相机坐标系的原点。
[0019] (2)CCD相机坐标系指向建立
[0020] 利用立方镜与相机光轴垂直的面上的十字刻线提供CCD相机的三轴指向测量基准,立方镜安装在相机本体上,是相机的方向基准,称为基准镜,相机镜头的第一片镜面法线和基准镜前端面法线平行是相机坐标系的Z轴,指向大地方向的基准镜面法线为Y轴,三轴符合右手坐标系。
[0021] (3)CCD相机图像中心和有效焦距标定方法;
[0022] 在前述两个步骤完成后,再进行图像中心和有效焦距标定,利用CCD相机坐标系,测出测例位置在CCD相机坐标系下的结果作为相机在标定规定测例位置下的外测值,测例选取的一般原则是均匀覆盖相机测量距离和相机视场。
[0023] 为相机在第i个标定测例下的外测值,相机需要标定的参数(CCD像面中心坐标和焦距)设为 根据相机成像公式可知存在
[0024]
[0025] 其中i=1,2.....,n,n为已知测点个数,<>表示内积运算, 为第i个已知测点在大地坐标系下的坐标,χj为相机在不同位置下测量的第i个已知测点在CCD相机坐标系的坐标,和 为与χj对应的位置下测量的第i个已知测点在相机像平面上的坐标, 和 分别为矩阵R的第一行、第二行和第三行,R为大地坐标系和CCD相机坐标系之间的转换矩阵;
[0026] 对于实系数超越方程组:
[0027]
[0028] 式中αi(i=1,2,3)分别代表CCD图像中心坐标和焦距。
[0029] 定义目标函数:T
[0030] F(α1,α2,α3)=(f1,f2,...,fn)(f1,f2,...,fn) =0[0031] 显然此时满足极小值条件的α1,α2,α3也是方程的解。
[0032] (31)以外测值为期望测量结果选择误差最小的相机测量内参数值(焦距与像面中心) 作为初值;
[0033] (32)计算
[0034] (33)若Fk<ε,ε=10-8,则 为所求的解,否则转入第(4)步;
[0035] (34)对求解参量 迭代计算,重新代入(2)。
[0036] l=1,2,3, 完成上述步骤可以获得第i个标定测例下的内参数 根据规定的测例可以建立焦距fp随距离变化的曲线即为最终相机的焦距曲线,对不同测例求解的图像中心(xp,yp)进行几何平均即可获得最终相机图像中心的结果。
[0037] (4)CCD相机坐标系和基准镜坐标系关系确定
[0038] 将已经确定的相机焦距曲线和图像中心重新放入相机姿态位置求解软件,计算所有规定测例下的相机计算结果和外部测量结果比较,计算[θi,φi,Ψi]三轴姿态测量误差,从i=1,2,...,n进行几何平均,将最终的统计误差最为系统常值误差,用于对最终测量结果修正,即CCD相机最终测量结果=相机姿态位置计算结果+系统常值误差。
[0039] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
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