基于交比不变量的狭缝摄影测量相机标定和晃动问题研究

摘要

在近景摄影测量中，目标的运动参数测量是一个重要的研究课题。和传统的雷达、激光和GPS测量技术相比，基于光学图像的运动参数测量技术以传统的摄影测量和计算机视觉理论作为理论依据，具有非接触、精度高等特点，因而有不可替代的优势。
　　线阵相机在遥感领域是一种广泛使用的新型传感器。近些年来，线阵相机在近景摄影测量中也得到了很多的应用。和面阵相机相比，线阵相机具有更高的成像频率和一维分辨率，因而在很多运动参数测量应用中正逐步取代面阵相机。数字狭缝摄影测量系统是一种采用线阵相机作为成像传感器的靶场测量系统。该系统利用双像器得到弹丸目标在两个正交视角下的立体扫描图像并对弹丸目标的速度和攻角等运动参数进行测量。由于只在一个方向上成像，该系统中的线阵相机可以每秒拍摄几十万帧图像，因而在高速弹丸运动参数测量中具有独特的优势。同时，和面阵图像相比，单幅线阵图像所包含的几何信息很少，从而给数字狭缝摄影测量系统带来三个难点：一是利用线阵图像对线阵相机进行标定；二是确定线阵相机和双像器之间的相对位姿参数；三是利用线阵图像对双像器的晃动误差进行校正。
　　本文从线阵相机的几何成像模型出发，利用交比的射影不变性从一维线阵图像中计算出成像的空间点坐标，并对数字狭缝摄影测量系统中的上述三个难点开展了相应的研究。论文完成的工作和取得的创新点如下：
　　1、针对线阵相机的几何成像模型，提出了一种基于交比不变量的线阵相机标定方法。与传统的标定方法不同，该方法仅需要一块三维标定板而且在标定过程中标定板不需要沿特定方向移动。该标定方法首先利用三维标定板上的线性标定物基于交比的射影不变性求解出线阵相机成像平面与线性标定物的空间交点，然后利用线阵图像上的图像点和三维标定板上对应的空间交点，通过传统的两步法标定求解出相机的内参数。实验证明该标定方法效果稳定而且可以实现较高的标定精度。
　　2、提出了一种线阵相机与双像器之间相对位姿参数标定方法。该方法分为以下三步：
　　（1）将已标定的线阵相机与一个已标定的面阵相机组成一对立体相机。利用线阵相机和面阵相机对一块平面标定板在不同位置和姿态下的多次成像结合旋转矩阵约束求解出线阵相机和面阵相机之间的相对位姿参数。
　　（2）在双像器上布设6个坐标已知的合作标志，利用面阵相机对合作标志的成像求解出双像器和面阵相机之间的相对位姿参数。
　　（3）利用前两步求解出的双像器、面阵相机、线阵相机三者之间的相对位置和姿态参数间接确定双像器相对于线阵相机的位姿参数。
　　3、提出了一种双像器晃动误差校正方法。该方法通过在双像器上下边缘刻画类似的线性标定物，然后利用交比的射影不变性求解出了双像器在每帧线阵图像拍摄时的位置和姿态，并由此对弹丸目标的线阵扫描图像进行校正，从而减小由双像器晃动引起的弹丸运动参数测量误差。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作及创新点

第二章 线阵相机几何成像模型和交比不变量

2.1 线阵相机几何成像模型

2.2 交比不变量

2.3 本章小结

第三章 基于交比不变量的线阵相机标定方法

3.1 引言

3.2 标定原理

3.3 误差分析

3.4 本章小结

第四章 基于交比不变量的线阵相机与双像器相对位姿参数标定方法

4.1 引言

4.2 线阵相机和面阵相机之间的相对位姿参数标定方法

4.3 双像器相对于线阵相机的相对位姿参数求解

4.4 误差分析

4.5 本章小结

第五章 基于交比不变量的晃动误差校正方法

5.1 数字狭缝摄影测量系统的工作原理

5.2 双像器晃动误差校正

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 未来研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

作者在学期间参与的科研任务

附录A 旋转矩阵的组成及性质

附录B 齐次线性方程组解法