本發(fā)明屬于相機標(biāo)定技術(shù)，涉及一種基于偽隨機編碼球面進行空間相機標(biāo)定的方法。面對空間中小焦距，近距離的相機標(biāo)定，提出一種基于球形物體的標(biāo)定方法，標(biāo)定物易于在空間中抓取且標(biāo)定算法快、精度較高。

背景技術(shù)：

目前相機的標(biāo)定技術(shù)有很多種。按照標(biāo)定物的維度總共可以分為四種：零維、一維、二維和三維。零維，也就是說不采用標(biāo)定物，研究攝像機通過光學(xué)透射原理所成照片中的一些特殊幾何關(guān)系，當(dāng)然有時也可以憑借攝像機的移動來增加信息量。一維、二維乃至三維都是通過解世界坐標(biāo)系下的點到圖像坐標(biāo)系中所經(jīng)過的單映射變換，三維方法采用的點多且計算精確，二維和一維則通過一些約束條件來求解單應(yīng)性矩陣。

在太空中，作為相機的標(biāo)定物不可浪費空間且要易于拾取與儲藏，而球形標(biāo)定物則可以滿足上述要求。球形標(biāo)定物能提供較多特征點，通過一定的操作調(diào)整使得球面所成像能占據(jù)大部分成像平面，讓標(biāo)定結(jié)果更具有合理性。

偽隨機編碼，在本專利中主要是用來生成球面上間距。球面的經(jīng)緯角度間距序列就是一種偽隨機序列，它是一種預(yù)先可以確定，復(fù)制和重復(fù)生產(chǎn)的一種序列，同時又具有隨機序列的特性。

根據(jù)隨機序列的定義可知，采用移位寄存器產(chǎn)生的序列滿足以下一些性質(zhì)：移位性，生成的偽隨機序列的起始位置無論左移還是右移，都可以作為一段偽隨機序列。周期性，如果用p個元素，生成m位的序列，則它的最大周期為p^m，一般情況下序列周期小于最大周期。窗口性，即以一個窗口在序列上移動，窗口內(nèi)的元素作為新的序列，此序列也是一個偽隨機序列，也具有以上這些性質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于偽隨機編碼球面進行空間相機標(biāo)定的方法。

技術(shù)方案

一種基于偽隨機編碼球面進行空間相機標(biāo)定的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、球面的繪制：采用移位寄存器生成偽隨機序列，以偽隨機序列生成網(wǎng)格，然后將網(wǎng)格圖繪測到球面上；豎線為球面的經(jīng)度線，經(jīng)度角記為j，取值范圍為(0,π)，橫線為球面的緯度線，緯度角記為w取值范圍為(-w1,w1)；

步驟2、方位的調(diào)整：夾持繪制后的球體，并使在球面上的0度經(jīng)度線出現(xiàn)在被標(biāo)定攝像機所成平面的左側(cè)，0度緯度線出現(xiàn)在所成圖像的中間；

步驟3、圖像數(shù)據(jù)處理：提取步驟2所成圖像中經(jīng)緯線的交點作為特征點，提取出的特征點每一點都對應(yīng)著已知的位置；所述特征點為球面上的點(wi,ji)，對應(yīng)著以球心為原點，零度緯度平面為xoy平面，垂直于零度緯度平面并經(jīng)過原點的直線為z軸所形成的坐標(biāo)系下的點(x,y,z)；其中：wi為緯度角的集合，ji為經(jīng)度角的集合；

關(guān)系如下：

球體的半徑為r，世界坐標(biāo)系下的點與圖像中對應(yīng)的點表示如下：

步驟4：在一條緯度線與兩條經(jīng)度線上每條線提取四個點共12個點，四個點解算出一個單應(yīng)性矩陣；每次計算時，將每組點的第一個點當(dāng)作這四個點所在平面的原點；通過這12個點的計算得出內(nèi)參矩陣與外參矩陣。

所述w1的值由實際球體的尺寸和計算精度的需求確定。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于偽隨機編碼球面進行空間相機標(biāo)定的方法，采用移位寄存器生成偽隨機序列，將其化為網(wǎng)格如圖3所示。然后將生成網(wǎng)格圖繪測到球面上；夾持著球體使在球面繪測的0度經(jīng)度線出現(xiàn)在攝像機所成平面左側(cè)，0度緯度線出現(xiàn)在所成圖像的中間；將球面所成圖像進行一些特征點的提取，在一條緯度線與兩條經(jīng)度線上每條線提取四個點，將每組點的第一個點當(dāng)作這四個點所在平面的原點計算出內(nèi)參矩陣與外參矩陣。對于空間中小焦距，近距離的相機標(biāo)定，標(biāo)定物易于在空間中抓取且標(biāo)定算法快、精度較高。

附圖說明

圖1為相機標(biāo)定示意圖

圖2為偽隨機序列表示間距圖

圖3為序列生成的網(wǎng)格圖

圖4為球面繪制間距示意圖

圖5為標(biāo)定方位示意圖

圖6為提取特征點示意圖

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明通過三維球面上的特征點來進行相機的標(biāo)定，為了計算的方便，也可以將此三維方法分解為眾多二維標(biāo)定計算的結(jié)合。如下圖1所示

圖1總結(jié)為如下公式：

其中s表示尺度因子，為圖像平面點的其次坐標(biāo)，a為攝像機的內(nèi)參數(shù)矩陣，r表示旋轉(zhuǎn)矩陣，t表示平移矩陣，為世界坐標(biāo)系下點的其次坐標(biāo)。a的具體表達式如下：

α＝f/dx，β＝f/dy，f為相機的焦距，dx，dy為成像平面每個像素所占的尺寸，γ代表像素點在x，y方向上尺度的偏差。因為標(biāo)定物上的點是同一個平面上，所以把世界坐標(biāo)系構(gòu)造在z＝0的平面上。然后進行單應(yīng)性矩陣計算。令z＝0，即計算赤道上的特征點，將上式轉(zhuǎn)換為如下形式：

由其次坐標(biāo)表示的矩陣可知，存在8個未知量，所以選出四個圖像點即可構(gòu)造8個方程從而解算出圖像平面到世界平面的單應(yīng)性矩陣h。

將單應(yīng)性矩陣寫成三個列向量的形式，即：

h＝[h1h2h3]

[h1h2h3]＝λa[r1r2t]

可知h是內(nèi)參和外參矩陣相乘所得，λ是從單應(yīng)性矩陣中提取的一個系數(shù)，上述旋轉(zhuǎn)加平移矩陣又提供了兩個約束條件，這兩個約束條件都是圍繞著旋轉(zhuǎn)向量來的。r1，r2正交得：r1×r2＝0，旋轉(zhuǎn)向量的模為1，即|r1|＝|r2|＝1。通過上述兩個條件可得：

h1，h2可解出，內(nèi)參陣a包含5個參數(shù)：α，β，u0，v0，γ。解出3個單應(yīng)性矩陣在2個約束下產(chǎn)生的6個方程就可以表示出內(nèi)參矩陣。而這3個單應(yīng)性矩陣就是表示的3組點。

可知b是個對稱矩陣等效如下6個元素組成的矩陣。

b＝[b11b12b13b22b23b33]^t

vij＝[hi1hj1hi1hj2+hi2hj1hi2hj2hi3hj1+hi1hj3hi3hj2+hi2hj3hi3hj3]^t

以上公式是只討論了像素在x，y軸上的偏差以及成像中心點的偏差所進行的一些數(shù)學(xué)公式上的化簡。

本發(fā)明球面間隔采用偽隨機編碼的方式，因為常規(guī)的經(jīng)緯度編碼方式規(guī)律性較強，面對成像平面產(chǎn)生的一些畸變不能夠全面的表現(xiàn)出來，在太空中的相機標(biāo)定的主要內(nèi)容在于內(nèi)參的標(biāo)定。偽隨機編碼表示的間距如圖2。

具體實施方式：

第一步：球面的繪制：

采用移位寄存器生成偽隨機序列，將其化為網(wǎng)格如圖3所示。然后將生成網(wǎng)格圖繪測到球面上，球面上豎線為經(jīng)度線，經(jīng)度角記為j，取值范圍為(0,π)，橫線為緯度線，緯度角記為w取值范圍為(-w1,w1)，w1的值決定于實際球體的尺寸和計算精度的需求。繪測示意圖如圖4所示。

第二步：方位的調(diào)整

夾持著球體使在球面繪測的0度經(jīng)度線出現(xiàn)在攝像機所成平面左側(cè)，0度緯度線出現(xiàn)在所成圖像的中間，方位示意如圖5所示。

第三步：圖像數(shù)據(jù)處理

將球面所成圖像進行一些特征點的提取，提取出的特征點每一點都對應(yīng)著已知的位置。如球面上的點(wi,ji)(wi為緯度角的集合，ji為經(jīng)度角的集合)對應(yīng)著以球心為原點，赤道平面為xoy平面，垂直于赤道平面并經(jīng)過原點的直線為z軸所形成的坐標(biāo)系下的點(x,y,z)。有如下關(guān)系：

球體的半徑為r，世界坐標(biāo)系下的點與圖像中對應(yīng)的點表示如下：

如圖6為提取出的特征點，通過在一條緯度線與兩條經(jīng)度線上每條線提取四個點(四個點可解算出一個單應(yīng)性矩陣)，三組共12個點。每次計算時，都要將每組點的第一個點當(dāng)作這四個點所在平面的原點。通過這12個點的計算即可以計算出內(nèi)參矩陣與外參矩陣。

此種標(biāo)定方法包含的數(shù)據(jù)點多。計算時，取點可以按照一條緯度線與兩條經(jīng)度線的組合算出一組內(nèi)外參來取。也可以選取不同經(jīng)度線或是不同緯度線來計算。將所算的參數(shù)進行一些統(tǒng)計學(xué)上的優(yōu)化就可以得到較優(yōu)的結(jié)果。