利用Ladybug3全景系统相机测量物方空间点的三维坐标

【摘 要】论文从Ladybug3结构出发，研究全景相机的检校方法和物方点三维坐标的测量。Ladybug3全景视觉系统是全景技术应用的一个实例。由于它由六个鱼眼镜头组成，分别分布在侧面和顶部，能够用最少的相机得到更大的视场，可覆盖到整个全景360球面图像的75%以上。

鱼眼镜头相机属于非量测相机，视场角较大（能够达到180度以上），每张照片包含的信息量大，且厂商一般不提供内方位元素和镜头畸变系数。鱼眼镜头的投影模型不是人们习惯的透视投影，而是球面投影。对于透视投影模型及此类相机的标定，国内外已经进行了大量的研究。但对鱼眼镜头标定的研究相对较少，因此找出一种高精度标定鱼眼镜头的方法是十分必要的。

正确标定Ladybug3全景视觉系统后，利用全景三维控制场，可以获取每个相机的外方位元素，探讨了仅有少量控制点情况下的全景物方点坐标解算方法。

【关键词】：相机标定；全景视觉系统；鱼眼镜头；坐标

中图分类号： TB852 文献标识码： A 文章编号：

Abstract:This paper based Ladybug3 structure, the study of the panoramic camera calibration method and content party point 3 d coordinate measurement. Ladybug3 panoramic vision system is panoramic technology application a example. Because it by six fisheye lens composition, distributed in side and on the top, can with the least amount of camera get more view, can cover the entire sphere panorama 360 more than 75% of the image. Fisheye lens camera belongs to the measurement camera, the view Angle is bigger (can reach 180 degrees above), each picture contains large amount of information, and generally do not provide manufacturers the inside azimuth element and lens distortion coefficient. Fisheye lens of projection model is not the people used to perspective projection, but spherical projection. For perspective projection model and such camera calibration, domestic and foreign has done a great deal of research. But for fisheye lens calibration research opposite less, so find a high precision calibration fisheye lens method is very necessary. Right Ladybug3 panoramic vision calibration system, with its panoramic 3 d control field, can obtain each camera a foreign element, discusses the control points under the circumstance of only a whole scenery party point coordinates the solution method.

Key words:The camera calibration; Panoramic vision system; Fisheye lens; coordinates

一、引言

全景技术是以近景摄影测量原理为基本原理发展起来的一种视觉新技术，是目前全球范围内迅速发展并逐步流行的一门技术。Ladybug3是PointGrey公司最近推出的360度高性能全景视觉系统，系统采用6台鱼眼镜头相机组合，5台分布在侧面，1台在顶部，可以得到整个全景360球面图像的75%以上。该系统可以得到单台相机的图像，也能够将多台相机采集的图像组合成一幅数字全景图像，实时完成图像采集、处理、拼接和校正等工作。

相机参数的标定是计算机视觉工业测量系统的关键组成技术之一，参数的标定精度将直接影响到测量结果。将像机的内方位元素和镜头光学畸变系数统称为像机的内部参数，外方位元素称为外部参数。全景相机属于非量测用摄影机，一般不会提供内方位元素，光学畸变大，并且不具备记载外部定向参数的功能。鱼眼镜头成像不同于一般的透视投影成像，其投影面是一个近似球状的曲面，光学畸变较大，进行精确的标定是必不可少的。本文将采用王保丰（2007）提出的“两步法”标定鱼眼镜头的内部参数，并且进一步研究，在只知道少量控制点的情况下，利用Ladybug3全景视觉系统量测未知物方点坐标的方法。

二、全景相机标定

2.1 鱼眼镜头

鱼眼镜头作为全景视觉系统的重要组成部分，它是一个半球形或鱼眼形的镜头，可能是覆盖一个广泛的视野的最佳图像采集工具。使用鱼眼镜头能获得超过180°视场角图像。由于宽广的视场角，它已被用于许多领域，如林业、植被覆盖的研究、测绘中制作GPS任务的地点障碍图表。然而，只有少数刊物发表了关于这种镜头类型的摄影测量，鱼眼镜头图像的主要限制在于不能使用传统的数字摄影测量理论。

鱼眼镜头和普通直线镜头的根本区别在于，鱼眼相机的成像平面是近似于球状的曲面。根据不同的光线偏移量，式2.1给出了四种不同类型的投影公式：

1）极投影（等距离投影）：

2）正投影：

3）体视投影： （2.1）

4）等立体角投影：

其中：θ是视场角，R是球面半径，r是光学系统的理想像高。

2.2 鱼眼镜头的标定过程

所谓“两步法”标定鱼眼镜头，即先把鱼眼图像转化为透视投影图像，然后再采用试验场标定法，对相机内参数 ， ，R, ， ， ， ， 进行标定。具体步骤如下：

（1）空间直线经球面投影后，变为 平面上半长轴为R的椭圆弧。我们先标定镜头图像的光学中心坐标（ ， )和R，把鱼眼镜头转化为透视投影图像。在鱼眼图像中确定一条代表实际直线的椭圆弧，在其上找若干点（至少6个），测出坐标( ， )， 为点在图像矩阵中所在的行数(相当于横坐标)， 为列数(相当于纵坐标)。用最小二乘法确定这些点所在椭圆方程：

（2.2）

用下式计算像主点坐标（ ， ）和投影球面的R：

,

（2.3）

通过上述过程可以计算得到 ， 和R的初始值，并结合灰度双线性插值的方法，可以把图像纠正为透视投影图像。