一種基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方法，對自動跟蹤與 測量系統(tǒng)進行各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和整個系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)，屬于測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動跟蹤與測量系統(tǒng)包含大地、場合、轉(zhuǎn)臺、相機等4個主要坐標(biāo)系，準(zhǔn)確標(biāo)定出 轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系或場地坐標(biāo)系，才能實現(xiàn)各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，是準(zhǔn) 確得出測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。由于轉(zhuǎn)臺構(gòu)架、承重和全向動態(tài)等特點，采用慣性器件的標(biāo)定方 式，存在一定的安全問題，由此發(fā)明一種基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的自動跟蹤與測量系統(tǒng) 整體的校準(zhǔn)方法，確保系統(tǒng)的測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明創(chuàng)造的目的是設(shè)計基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方法，在 自動跟蹤與測量系統(tǒng)中，對系統(tǒng)進行整體校準(zhǔn)，在實施跟蹤與測量過程中，確保系統(tǒng)測量精 度，為飛行安全提供有效保證。
[0004] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校 準(zhǔn)方法，包括以下步驟： (1) 進行相機內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定； (2) 轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的關(guān)系Hrc手眼標(biāo)定，利用轉(zhuǎn)臺手抓和相機相對關(guān) 系不變的性質(zhì)，固定靶標(biāo)位置，在保證靶標(biāo)在視野內(nèi)的條件下，多次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，則第i次和 第j次圖像相對與第一次的外參數(shù)計算出手抓和相機間的R和t。從而求出轉(zhuǎn)臺與相機之 間的轉(zhuǎn)換矩陣Hrc0
[0005] (3)轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與場地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hpr或者轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān) 系Hrg的標(biāo)定，根據(jù)實際情況，選擇基于視覺的標(biāo)定方法，即可得出Hpr或者Hrg。
[0006] (4)在取得Hrg、Hpr、Hrc的基礎(chǔ)上，就可以將相機、轉(zhuǎn)臺、場地、大地四個坐標(biāo)系統(tǒng) 統(tǒng)一起來。
[0007] (5)控制轉(zhuǎn)臺拍攝目標(biāo)，結(jié)合轉(zhuǎn)臺方位、俯仰角度與鏡頭焦距信息，即可將目標(biāo)相 關(guān)信息映射到特定坐標(biāo)系下，實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。
[0008] 在所述步驟1中，相機的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定是將設(shè)計好的高精度黑白靶標(biāo)置于相機前 (距離視其占整個畫面比例而定，需要讓靶標(biāo)位置可以遍及視場的各個方位)，相機的位置 保持不變，通過改變靶標(biāo)來獲得圖像，在每個合適的位置進行拍攝。然后再計算機上，對每 個位置的靶標(biāo)圖像進行角點提取，可獲得相應(yīng)的單應(yīng)矩陣。當(dāng)所用圖像的單應(yīng)矩陣得出后， 利用其與內(nèi)參的關(guān)系列出矩陣方程并奇異值分解得出內(nèi)參，進而求出外參。
[0009] 所述步驟3中，轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)與場地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hpr或者轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與大地坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hrg的標(biāo)定，根據(jù)實際情況，選擇基于視覺的標(biāo)定方法，即可得出Hrg或者Hpr。 基于視覺的標(biāo)定方法包括角度轉(zhuǎn)換、手眼標(biāo)定、場地坐標(biāo)系與手抓坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。
[0010] (1)角度轉(zhuǎn)換 上述過程中總線傳輸?shù)接嬎銠C上的是兩個方向的角度，而這個角度換算成R坐標(biāo)的形 式有公式如下：
上式中0代表光軸的旋轉(zhuǎn)角度，實際為〇，巾為相機光軸在手抓坐標(biāo)系的XY平面上的 投影與X軸的夾角，巾為相機光軸和手抓坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)之間的夾角。
[0011] (2)手眼標(biāo)定 在準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)臺手抓和場地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系前，要進行轉(zhuǎn)臺手抓和相機的手眼標(biāo)定。 手眼的標(biāo)定基本公式為： rc*r=r*rd 氺t+tD=R氺tD+tD 其中R和t為所求，其他部分由標(biāo)定得出。由于有兩次位置的擺放，所以會有四個關(guān) 系式?；谑肿ズ拖鄼C的相對關(guān)系不變，所以至少要有兩次位置的擺放，為了保證標(biāo)定的精 度，可進行多次位置的擺放標(biāo)定。傳統(tǒng)的手眼標(biāo)定是通過移動手抓的位置來進行的，由于這 里的標(biāo)定是以手抓為坐標(biāo)原點，所以通過移動靶標(biāo)也可以達到同樣的效果，只是R和t的簡 單轉(zhuǎn)化關(guān)系。
[0012] 靶標(biāo)的擺放相對位置是已知的，如此可以驗證標(biāo)定的精度，并加以驗證和誤差矯 正。（3)場地坐標(biāo)系與手抓坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 ①旋轉(zhuǎn)參數(shù)計算：
其中RcipI中的（aDh，C1)可由下式計算得到JZSplp2=K(X2-X1)i+(Y2I1)i+(Z2-Z1)k}，記 作aii+bd+Cik;式中：Splp2-Pjlj卩2的距離P^(X1, Z1),P2=(x2,y2, Z3)是構(gòu)造出的新坐標(biāo) 系的三維坐標(biāo)，同理得到（a'2,b'2,c'2)和（a3,b3,C3); ②確定平移量的初值，采用任意控制點ni坐標(biāo)，有公式：
已知未作變化3點Pl、P2、P3在坐標(biāo)系O-XYZ和0' -X'Y'Z'的坐標(biāo)分別為（Xi，Y1,Z1)，（Xn1,Yn1，Zn1),i=l，2,3。
[0013] 本發(fā)明有益效果：本發(fā)明基于視覺標(biāo)定方法及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方 法，能夠在各種陣地和場合對系統(tǒng)進行精度校準(zhǔn)，測量方法方便、快捷，不需借助其他設(shè)備， 消除系統(tǒng)動態(tài)操作過程中的各種安全隱患；另外，通過使用本發(fā)明的方法對自動跟蹤與測 量系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，節(jié)省了大量的人力、物力和時間，既滿足測量系統(tǒng)的精度要求，同時也可 以系統(tǒng)架設(shè)、迀移、定期維護等各種場合應(yīng)用進行系統(tǒng)精度重新校準(zhǔn)，有效保證自動跟蹤與 測量系統(tǒng)的監(jiān)測精度，保證飛機的飛行安全。
[0014]
【附圖說明】： 圖1視覺標(biāo)定示意圖。
[0015] 圖2坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明基于視覺標(biāo)定及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的測量系統(tǒng)整體校準(zhǔn)方法，包括以下步驟： (1) 進行相機內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定； (2) 轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的關(guān)系Hrc手眼標(biāo)定，利用轉(zhuǎn)臺手抓和相機相對關(guān) 系不變的性質(zhì)，固定靶標(biāo)位置，在保證靶標(biāo)在視野內(nèi)的條件下，多次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，則第i次和 第j次圖像相對與第一次的外參數(shù)計算出手抓和相機間的R和t。從而求出轉(zhuǎn)臺與相機之 間的轉(zhuǎn)換矩陣Hrc0
[0017] (3)轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與場地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hpr或者轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān) 系Hrg的標(biāo)定，根據(jù)實際情況，選擇基于視覺的標(biāo)定方法，即可得出Hpr或者Hrg。
[0018] (4)在取得Hrg、Hpr、Hrc的基礎(chǔ)上，就可以將相機、轉(zhuǎn)臺、場地、大地四個坐標(biāo)系統(tǒng) 統(tǒng)一起來。
[0019] (5)控制轉(zhuǎn)臺拍攝目標(biāo)，結(jié)合轉(zhuǎn)臺方位、俯仰角度與鏡頭焦距信息，即可將目標(biāo)相 關(guān)信息映射到特定坐標(biāo)系下，實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。
[0020] 在所述步驟1中，相機的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定是將設(shè)計好的高精度黑白靶標(biāo)置于相機前 (距離視其占整個畫面比例而定，需要讓靶標(biāo)位置可以遍及視場的各個方位)，相機的位置 保持不變，通過改變靶標(biāo)來獲得圖像，在每個合適的位置進行拍攝。然后再計算機上，對每 個位置的靶標(biāo)圖像進行角點提取，可獲得相應(yīng)的單應(yīng)矩陣。當(dāng)所用圖像的單應(yīng)矩陣得出后， 利用其與內(nèi)參的關(guān)系列出矩陣方程并奇異值分解得出內(nèi)參，進而求出外參。
[0021] 所述步驟3中，轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)與場地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hpr或者轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系與大地坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)換關(guān)系Hrg的標(biāo)定，根據(jù)實際情況，選擇基于視覺的標(biāo)定方法，即可得出