大空间视觉三维坐标测量中的像机内参数校准算法研究

摘要

随着信号处理理论、电子技术和计算机技术的发展，视觉坐标测量技术在近年来得到快速发展。视觉坐标测量技术具有非接触测量、实时性好和自动化程度高等优点，在国民经济、科学研究、工业领域和其它许多领域都得到了广泛的应用。大空间视觉三维坐标测量是近年来发展起来的视觉测量中重要的一种。大空间视觉三维坐标测量在工业方面的应用包括尺寸检测、逆向工程、变形测量及其它三维坐标测量任务。具体测量过程包括像机参数校准、特征点识别、特征点匹配、三维重构等步骤。像机内参数校准是大空间视觉三维坐标测量中的第一步，也是极为关键的一步。像机内参数校准的精度直接决定了整个系统测量的精度。 目前对于像机内参数有多种校准方法，包括独立内参数校准方法、平面靶标校准方法、双平面校准方法、立体靶标校准方法、灭点法和自校准方法等。但以上内参数校准方法由于受靶标尺寸的限制，未充分考虑到深度方向上的信息，同时由于校准算法的限制，校准的内参数不全，校准精度不够高，仅适用于小尺度低精度测量的校准场合。针对大空间三维视觉坐标测量系统，国外主要有关公司，如用于航天、航空和汽车测量的Metronor公司、Leica公司的V-Star系统、Krypton公司等，都采取了特殊的像机内参数校准方法，但均处于严格保密状态。 本课题针对大空间视觉三维坐标测量系统对CCD像机内参数校准精度的要求，在综合分析国内外像机内参数校准方法的基础上，采用了虚拟立体校准方法。虚拟立体校准方法使用三坐标测量机测量探头携带特征点，在接近于实际测量空间的三维空间形成虚拟立体靶标，利用被校准像机在多基站位置的成像，通过特殊的优化求解算法，获得精确的像机内参数。由于充分利用了特征点的空间信息，完整的像机内参数模型和全局优化的优化平差求解算法，使其在大空间范围内获得较高的校准精度，可以用于大空间视觉三维坐标测量系统并实现单机、双机或多机测量。多像机内参数校准结果验证了所提出方法的可行性。

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第一章综述

1.1大空间视觉三维坐标测量的必要性及方法分类

1.2大空间视觉三维坐标测量中的关键因素及对内参数校准的要求

1.3像机内参数校准的国内外研究现状

1.3.1传统的像机内参数标定方法

1.3.2像机内参数自校准方法

1.4本课题拟采用的方法及关键技术

本章小结

第二章CCD像机内参数校准原理及模型建立

2.1图像采集与处理

2.1.1特征点定位影响因素分析

2.1.2特征点的设计

2.1.3特征点的识别与定位算法

2.2摄像机成像几何

2.3摄像机内参数

2.4摄像机内参数模型的建立

本章小结

第三章虚拟立体的内参数优化平差校准方法研究

3.1虚拟立体内参数优化平差校准的过程及其特点

3.2虚拟立体靶标的设计

3.3共线性方程的提出

3.4模型求解

3.4.1共线性方程的线性化及优化平差求解

3.4.2优化平差迭代初值的确定

本章小结

第四章像机内参数校准试验验证

4.1像机内参数的校准规划及校准过程

4.2虚拟立体内参数校准方法的校准结果与分析

4.3像机内参数校准重复性验证

4.4像机内参数校准方法比较

4.4.1 Nikon D3像机不同方法校准结果及对比分析

4.4.2 DTA HiRes Ⅳ像机不同方法校准结果及对比分析

4.4.3 Redlake MegaPlus4.2i(No.1)像机不同方法校准结果及对比分析

4.4.4 Redlake MegaPlus4.2i(No.2)像机不同方法校准结果及对比分析

结论与展望

致 谢

参考文献

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