一种集成式图像采集设备竖直方向水平位置检校方法
阅读说明：本技术 一种集成式图像采集设备竖直方向水平位置检校方法 (method for checking horizontal position of integrated image acquisition equipment in vertical direction ) 是由 邢诚 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种集成式图像采集设备竖直方向水平位置检校方法,包括室内检校场布设,镜头内参标定,测定图像采集设备竖直方向近似水平位置,包括利用图像采集设备先后拍摄两块坐标网格板,计算主光轴近似方向与水平方向的夹角,确定图像采集设备竖直方向近似水平位置；精确测定图像采集设备水平位置参数,包括起始方向控制点图像采集及参数计算,以及多方向控制点图像采集及参数计算；在各方向计算出的夹角值较差小于设定阈值的情况下,求取平均值设定云台竖直照准部方向的水平方向零位。本发明技术方案适用于各类集成的图像采集设备的竖直方向水平位置的检校,特别适合应用于高精度摄影测量任务中集成式图像采集系统的检校。(The invention provides a method for checking the horizontal position of integrated image acquisition devices in the vertical direction, which comprises the steps of arranging indoor checking fields, calibrating a camera lens internal reference, and measuring the approximate horizontal position of the image acquisition devices in the vertical direction, wherein the method comprises the steps of utilizing the image acquisition devices to shoot two coordinate grid plates in sequence, calculating the included angle between the approximate direction of a main optical axis and the horizontal direction, determining the approximate horizontal position of the image acquisition devices in the vertical direction, accurately measuring the horizontal position parameters of the image acquisition devices, including initial direction control point image acquisition and parameter calculation, and multi-direction control point image acquisition and parameter calculation, and solving an average value to set the horizontal direction zero position of a vertical alignment part direction of a tripod head under the condition that the calculated included angle value in each direction is less than a set threshold value.)
技术领域
本发明属于数字摄影测量领域，尤其涉及集成式图像采集设备的竖直方向水平位置检校方法。
背景技术
集成式图像采集设备通常用于建筑物外观图像采集，一般情况下目标物表面面积较大，拍摄图像覆盖整个表面需要架设多个拍摄站点。由于集成式图像采集设备不具有测量功能，因此，为了统一多个拍摄站点的坐标系，对拍摄站点及拍摄姿态的规划需要利用全站仪进行。
利用全站仪布设各控制点后，再在各控制点上假设集成式图像采集设备。为使拍摄的图像分辨率能够满足工程检测需求，采集的图像需要满足一定的重叠度要求以及分辨率要求，所以必须按照规划设计过程中计算好的角度控制图像采集设备。
由于全站仪在小区域范围内测量的基准面是水平面，因此集成式图像采集设备也需要在水平状态下进行拍摄。采集设备的水平状态可以通过加装高精度整平基座完成，这样便可以利用数控云台水平方向的旋转实现图像采集设备的水平角度测量，但竖直角度测量还需要首先获取竖直方向上摄影设备主光轴的精确水平位置，才能实现竖直角度的测量，即需要完成集成式图像采集设备的竖直方向水平位置检校。
相对于专业摄影测量设备，集成式图像采集设备检校方法的难点及存在的问题主要在于：
(1)没有专门为集成式图像采集设备设计的室内检校场，无法对图像采集设备各项参数进行精确检校；
(2)集成式图像采集设备不具备专业测量仪器的测量功能，但在使用过程中需要实现角度测量。水平方向的角度控制可在自动摄影定向方式基础上完成，但竖直方向由于设备采用集成方式搭建，摄影设备和数控云台之间通过连接件固定后，云台默认的初始位置并不是摄影设备在竖直方向上的水平位置，因此需要对摄影设备竖直方向水平位置参数进行精确检校，使设备具备竖直角度测量功能。
(3)目前使用的检校方式主要是利用图像采集设备拍摄两根水准尺，通过读取图像中心对应的水准尺读数，并利用两根水准尺读数刻线的高差，以及两水准尺间水平距离，计算竖直方向水平位置参数。但该方法受限于图像中心对应水准尺读数过程为估读，并且估读精度较低；另外，摄影设备与两个水准尺无法保证位于同一直线。因此，最终计算得到的竖直方向上的水平位置参数精度无法保证。
发明内容
本发明提出了一种针对集成式图像采集设备竖直方向水平位置的检校方法，以解决上述背景技术中存在的难点及问题，检校参数可用于精确设定集成式图像采集设备竖直方向水平零位。
本发明的技术方案提供一种集成式图像采集设备竖直方向水平位置检校方法，所述集成式图像采集设备由高分辨率摄影设备、高精度数控云台、高精度整平基座、摄影设备与云台间连接件及三脚架组成，包括以下步骤，
步骤1，室内检校场布设，包括指定室内检校场面积、二维标定板布设、坐标网格板布设，以及三维控制点的布设；
步骤2，镜头内参标定，包括用广角镜头替换长焦镜头，锁定调焦环，及利用二维标定板完成镜头的内参标定，用于对后续拍摄图像进行畸变纠正，及提供摄影机内方位元素；
步骤3，测定图像采集设备竖直方向近似水平位置，包括利用图像采集设备先后拍摄两块坐标网格板，并标记图像中心点在实际坐标网格板上的位置，利用全站仪测定标记点坐标，并计算主光轴近似方向与水平方向的夹角，根据所得结果确定图像采集设备竖直方向近似水平位置；
步骤4，精确测定图像采集设备水平位置参数，包括起始方向控制点图像采集及参数计算，以及多方向控制点图像采集及参数计算；在各方向计算出的夹角值较差小于设定阈值的情况下，求取平均值作为最终摄影机主光轴方向与水平方向的夹角值，根据该夹角值设定云台竖直照准部方向的水平方向零位，所述云台竖直照准部方向即摄影设备主光轴方向。
而且，步骤2的实现方式为，利用其他定焦广角镜头代替图像采集设备中的长焦定焦镜头完成摄影设备内参标定，在后续图像采集过程中，镜头均采用步骤2中的定焦广角镜头，并且锁定调焦环，不能进行对焦操作。
而且，步骤3的实现方式为，利用高精度整平基座将云台水平旋转部置为水平状态，将云台竖直旋转部角度设定为初始化后的默认角度；利用图像采集设备先后拍摄两块坐标网格板，并在两块坐标网格板上分别标记图像中心对应的位置；利用全站仪分别测量两个标记点的三维坐标，并计算出主光轴近似方向与水平方向的夹角；根据计算出的夹角值将云台竖直旋转部调整至近似水平状态。
而且，步骤4的实现方式如下，
首先，进行起始方向控制点图像采集及参数计算，包括利用高精度整平基座置平云台水平旋转部，利用全站仪和钢尺测定图像采集设备摄影中心位置坐标近似值，指定某一方向为云台水平旋转部起始方向；利用图像采集设备在起始方向上拍摄室内检校场墙面三维控制点；利用拍摄的三维控制点解算图像采集设备竖直方向上主光轴方向与水平方向的夹角；
其次，多方向控制点图像采集及参数计算，包括按照指定水平角度控制云台水平旋转部照准不同方向，在各方向上均拍摄检校场内三维控制点，利用三维控制点计算各水平方向上图像采集设备竖直方向上主光轴与水平方向的夹角；
最后，当各方向计算出的夹角值较差小于设定阈值时，求取平均值作为最终摄影机主光轴方向与水平方向的夹角值，进而精确检校出图像采集设备竖直方向上的水平位置。
本发明提出的一种针对集成式图像采集设备竖直方向水平位置的检校方法，有益效果在于：解决了集成式图像采集设备由于无法确定水平方向而无法实现竖直角度测量的问题；并且改善了现有检校方法只能近似获取集成式图像采集设备竖直方向水平位置的问题，为设备提供了精确检校参数。本发明技术方案适用于各类由摄影设备、数控云台以及相应连接组件集成的图像采集设备的竖直方向水平位置的检校，特别适合应用于高精度摄影测量任务中集成式图像采集系统的检校。
附图说明
图1为本发明实施例的集成式图像采集设备的组成示意图。
图2为本发明实施例的图像采集设备的竖直角定义示意图。
图3为本发明实施例的室内检校场示意图。
图4为本发明实施例的二维标定板示意图。
图5为本发明实施例的坐标网格板示意图。
图6为本发明实施例的墙面三维控制点布设示意图。
图7为本发明实施例的测定图像采集设备竖直方向近似水平位置示意图。
图8为本发明实施例的图像采集设备外方位角元素示意图。
具体实施方式
下面以实施例结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，现有技术中集成式图像采集设备通常由高分辨率摄影设备(如单反相机、工业相机等)、高精度数控云台、高精度整平基座、摄影设备与云台间连接件及三脚架组成，摄影设备通过连接件安装在数控云台上，数控云台下方安装整平基座，基座连接在三脚架上。本发明针对集成式图像采集设备提出一种竖直方向水平位置检校方法，用于获取图像采集设备竖直方向水平位置参数，进而将图像采集设备在竖直方向精确置平。如图2所示，图像采集设备的竖直角定义为：摄影设备主光轴方向与水平方向之间的夹角，取值范围为[-90°,90°]；或云台竖直旋转部所在方向与水平方向之间的夹角，取值范围为[-90°,90°]。
本发明实施例提供的集成式图像采集设备竖直方向水平位置检校方法包括：室内检校场布设、镜头内参标定、图像采集设备竖直方向近似水平位置测定、图像采集设备竖直方向水平位置精确测定等步骤。
步骤1，室内检校场布设：包括指定室内检校场面积、二维标定板布设、坐标网格板布设、以及三维控制点的布设。
室内检校场面积可预先设定，具体实施时，面积主要考虑的是拍摄过程中相机对焦到无穷远后，检校场内能够清晰拍摄的墙面范围足够大，因为检校标志是均匀分布在墙面上的。相机放在检校场中间位置时，距离各墙面约7.5m，相机视场范围大约在9m×6m，这样可保证视场范围内有足够多的检校标志即三维控制点用于步骤4中计算相机的外方位元素。
检校内容主要涉及解算摄影机内参、近似水平位置测定和精确水平位置测定。如图3所示，室内检校场面积选取为15m×15m左右房间，地面为水平地面，四周墙面为竖直光滑墙面。检校场中需要布设：如图4所示，1个二维标定板，用于计算镜头内参；如图5所示，2个坐标网格板，网格尺寸为5mm×5mm，用于测定近似水平位置；如图6所示，检校场四周墙面均匀布设三维控制点，用于计算相机外参及精确测定水平位置。检校场内坐标系统由高精度全站仪测量建立，测量点位坐标包括：图像采集设备架站点坐标(XC,YC,ZC)，2块坐标网格板上的标记坐标(XM1,YM1,ZM1)和(XN1,YN1,ZN1)，墙面控制点坐标(Xi,Yi,Zi)。图像采集设备仪器高采用钢尺量距法测量。
步骤2，镜头内参标定：利用其他定焦广角镜头代替图像采集设备中的长焦定焦镜头完成摄影设备内参标定，获取的内参用于对后续采集到的图像进行畸变纠正，并为后续计算过程提供摄影机内方位元素。后续步骤均利用本步骤中使用的定焦广角镜头，此镜头在检校过程中不可再进行对焦操作。
通常情况下，利用图像采集设备获取目标物外观图像时，拍摄距离(>30m)较远，所以为满足获取到高分辨率目标表面图像的需求，摄影设备一般需要使用长焦定焦镜头(焦距≥600mm)，但长焦镜头的视场范围非常小，不利于进行图像采集设备竖直方向水平位置参数计算。由于图像采集设备竖直角度的测量主要是计算摄影设备主光轴方向与水平方向夹角，因此使用不同焦距的镜头对设备水平位置测定不产生影响。实施例用广角镜头替换长焦镜头，锁定调焦环。例如可利用28mm焦距定焦广角镜头，代替图像采集设备长焦镜头完成整套检校流程。
将二维标定板放置于检校场某一墙面附近，在检校场中架设图像采集设备。摄影设备的镜头调焦至无穷远并锁定调焦环，利用图像采集设备以不同角度拍摄二维标定板，并按照常规内参标定流程完成摄影机的内参标定。获取的内参用于对后续采集到的图像进行畸变纠正，并为后续计算过程提供摄影机内方位元素。在后续图像采集过程中，镜头均采用本步骤使用的定焦广角镜头，并且锁定调焦环，不可进行对焦操作。
步骤3，测定图像采集设备竖直方向近似水平位置。包括利用图像采集设备先后拍摄两块坐标网格板，并标记图像中心点在实际坐标网格板上的位置，利用全站仪测定标记点坐标，并计算主光轴近似方向与水平方向的夹角；根据计算结果确定图像采集设备竖直方向近似水平位置。
步骤3的实现方式为：
初始化图像采集设备，利用高精度整平基座将云台水平旋转部置为水平状态，将云台竖直旋转部角度设定为默认初始角度，该角度即为摄像机主光轴方向与水平方向的初始夹角。通常情况下，默认初始角度与水平方向具有一定角度值，并非水平状态。本步骤主要目的是为检测出云台竖直旋转部默认初始位置所在方向(即摄影机主光轴方向)与水平方向夹角的近似值，进而将云台竖直旋转部设置为近似水平状态。
利用图像采集设备先后拍摄两块坐标网格板，每次拍摄完成后，在坐标网格板上分别标记图像中心对应的位置；利用全站仪分别测量两个标记点的三维坐标，两块网格板上标记的点位空间连线可认为是摄影机主光轴的近似所在直线，并计算出主光轴近似方向与水平方向的夹角，即可确定图像采集设备竖直方向近似水平位置，该位置为下一步精确计算提供近似值；根据计算出的夹角值将云台竖直旋转部调整至近似水平状态。
实施例中，将图像采集设备与两块坐标网格板(M、N)架设于检校场中，相对位置如图7所示。利用摄像机先拍摄坐标网格板M，在获取到的图像中标记像片中心在坐标网格板图像上的位置，并结合此标记图像在实际坐标网格板上用“+”符号做标记，点名记为M1，用高精度全站仪测量M1坐标(XM1,YM1,ZM1)；再对坐标网格板N采用同样操作流程，获取网格板N上的“+”标记N1的坐标(XN1,YN1,ZN1)。M1和N1的连线在空间中可认为是近似代表摄影设备主光轴所在直线，利用M1和N1的三维坐标可以计算出主光轴方向与水平方向的近似夹角：
其中，DM1N1为M1和N1两点之间的距离：
在此过程中，由于在坐标网格板上做标记时会产生一定的误差，因此，计算得到的
步骤4：精确测定图像采集设备水平位置参数。包括起始方向控制点图像采集及参数计算，以及多方向控制点图像采集及参数计算；在各方向计算出的夹角值较差小于设定阈值的情况下，求取平均值作为最终摄影机主光轴方向与水平方向的夹角值；根据该夹角值即可设定云台竖直照准部方向(即摄影设备主光轴方向)的水平方向零位。
步骤4的实现方式为：
首先，进行起始方向控制点图像采集及参数计算。利用高精度整平基座置平云台水平旋转部，利用全站仪和钢尺测定图像采集设备摄影中心位置坐标近似值，指定某一方向为云台水平旋转部起始方向；利用图像采集设备在起始方向上拍摄室内检校场墙面三维控制点，图像上至少需要包含3个三维控制点；利用拍摄的三维控制点解算图像采集设备竖直方向上主光轴方向与水平方向的夹角。
其次，多方向控制点图像采集及参数计算。按照指定水平角度控制云台水平旋转部照准不同方向，在各方向上均拍摄检校场内三维控制点，利用三维控制点计算各水平方向上图像采集设备竖直方向上主光轴与水平方向的夹角。
最后，当各方向计算出的夹角值较差小于设定阈值时，求取平均值作为最终摄影机主光轴方向与水平方向的夹角值，进而精确检校出图像采集设备竖直方向上的水平位置。
实施例中，将图像采集设备假设于检校场中心区域，架站点位C的三维坐标(XC,YC,ZC)采用高精度全站仪测量得到，利用钢尺近似量出摄影机中心到地面点之间的高差h，得到摄影中心坐标(XS,YS,ZS)，其中XS＝XC,YS＝YC,ZS＝ZC+h。
步骤4.1，起始方向控制点图像采集及参数计算。将图像采集设备对准检校场某一区域三维控制点，将当前照准方向设定为云台水平旋转部零方向，利用图像采集设备拍摄检校场墙面上的三维控制点，保证图像可至少覆盖3个以上三维控制点。利用共线条件方程式解算摄影机空间位置及姿态。共线条件方程式为：
其中，f为摄影机主距，由步骤1获取；(XS,YS,ZS)为摄影中心坐标；(X,Y,Z)为三维控制点坐标，(x,y)为三维控制点的像点坐标；ai,bi,ci为旋转矩阵元素，i＝1,2,3：
旋转矩阵元素中包含了摄影设备的外方位角元素ω，κ。其中，如图8所示，ω，κ分别为俯仰角、侧倾角和像片旋角。其中，
b1＝cosωsinκ
b2＝cosωcosκ
b3＝-sinω
由于共线条件方程式为非线性方程，已知3个以上三维控制点时，需对方程式进行线性化并根据最小二乘原则求解未知数，解算过程为迭代计算，因此需提供摄影中心空间位置及摄影机姿态初始值，即需要确定(XS,YS,ZS)和
步骤4.2，多方向控制点图像采集及参数计算。完成步骤4.1后，将数控云台在水平方向上设定多个旋转角度值，如45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。则相应于步骤4.1中的初始方向，不同水平旋转角度对应的ω初始值分别为45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。各水平角度下云台水平旋转部均为水平状态，则κ的初始值为0。云台竖直旋转部均按步骤3近似设置为水平状态，则
具体实施时，可采用计算机软件技术实现流程的自动化运行，得到精确的检校结果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。