野外坐标定位监测系统中任意姿态相机最少参数标定方法

摘要

针对野外复杂地形环境下，对于靶场多个监测区域进行野外坐标测量的情况，研究了一种基于双目立体视觉原理，仅由两个标定点即可同时对相机三个姿态角及焦距进行现场校准的最少参数标定方法。将传统的标定方法与最优化算法相结合，对相机标定方程进行迭代求解，在保证精度的情况下最大程度地减少标定参数，使得该标定方法仅需监测区域内任意两个标定点，根据其 GPS 坐标和在相机上的图像坐标即可求解出相机的三个姿态角和焦距。结合应用背景，通过建立统一的世界坐标系，使标定点选取不再受布局规则所限，大大简化了标定过程。通过现场实验验证了测量方法的精度，结果显示直径 200m 的圆形监测区域内，相对误差优于0.59%。该标定方法操作简单、适用范围广、精度较高，不需要高精度靶标，且克服了靶标摆放位置对坐标定位测量精度的影响，适用于远距离、复杂地形环境下的野外空间坐标测量，具有实际应用价值。 本论文主要研究内容包括： 1.研究了国内外双目立体视觉坐标定位测量及摄像机标定的发展现状，分析了各标定方法的优缺点，并提出应用背景下本文的研究内容。 2.对系统构成和测量流程进行了系统的介绍，构建了系统的双目立体视觉测量模型，并结合实际应用对模型进行简化，分析了空间坐标测量的原理。 3.重点研究了系统应用背景下的最少参数标定方法。构建了系统摄像机标定模型，根据应用背景建立了统一的世界坐标系，研究了系统标定方程求解的最优化算法，并详细阐述了最优化算法所需初始值的选取方法。该方法减少了所需标定方程数量，使标定方法利用最少的已知参数即可对四个未知参数进行标定，标定方法更具灵活性，适用范围更广。 4.通过 MATLAB 工具建立了系统的仿真模型，分析了标定点和监测点像素坐标提取误差、主点坐标误差、标定点布局及相机布局对测量误差的影响，并得出相机布局的优化原则。 5.结合软件界面阐述了野外坐标定位监测系统软件的实现。详细阐述了软件的界面关系、各个功能模块的操作和实现方法以及软件数据交互和管理的设计方法。 6.通过外场实际测试实验，对本文研究的标定方法进行验证，对实验数据进行分析，结果表明本文方法可以较好地完成系统需要的标定任务，符合系统精度要求。

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