寬基線近紅外相機位姿估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬基線近紅外相機位姿估計方法，特別是涉及一種無人機自主著 艦導(dǎo)引系統(tǒng)寬基線近紅外相機位姿估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于視覺的無人機自主著艦導(dǎo)航是目前研究熱點的導(dǎo)航技術(shù)，具有仿生學(xué)意義和 來源，與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相比，具有系統(tǒng)獨立、抗干擾性強、精度高的特性。 無人機自主著艦導(dǎo)航是指測量相機安裝在降落跑道上的導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)中的定焦相機 在跟蹤定位的時候往往會受到環(huán)境光的影響，為了避免這種影響，在現(xiàn)有視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中 采用近紅外相機來獲取發(fā)光點發(fā)出的某個特定波長的光線。此外，為了獲取空間中三維坐 標(biāo)點與攝像機圖像坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，必須對攝像機進行標(biāo)點，并且攝像機標(biāo)定的精度 直接影響了光學(xué)定位的精度。
[0003] 常用的標(biāo)定方法需要在待標(biāo)定相機前放置標(biāo)定參照物，通常用已知形狀和尺寸大 小的標(biāo)定板來進行標(biāo)定，如棋盤格、十字架等，但是由于近紅外相機不能夠獲取普通光學(xué)相 機標(biāo)定板的紋理信息，所以無法用普通可見光攝像機的標(biāo)定板來標(biāo)定近紅外攝像機。視覺 導(dǎo)航系統(tǒng)需要覆蓋足夠范圍的降落跑道，所以需要對攝像機加裝長焦鏡頭，由于長焦鏡頭 景深短，難以精確調(diào)焦，給傳統(tǒng)拍攝精密標(biāo)定物的方法帶來了很大的難度。
[0004]文獻"Acameracalibrationmethodforlargefieldopticalmeasurement， Optik123 (2013) 6553-6558"提出了一種針對大場景寬基線多相機系統(tǒng)的標(biāo)定方法，該方 法首先利用棋盤格標(biāo)定板計算相機的內(nèi)參矩陣，然后利用地方放置標(biāo)志點的方式來計算相 機的外參矩陣，其中標(biāo)志點的放置在相機圖像上的投影是近似于平行于圖像的橫向矩陣， 由此可以簡化縱向鏡頭畸變系數(shù)的計算。就無人機自主著艦系統(tǒng)而言，場景中可見光的會 產(chǎn)生極大的干擾。并且對于紅外相機，常用的標(biāo)定方法需要在待標(biāo)定相機前放置標(biāo)定參照 物，通常用已知形狀和尺寸大小的標(biāo)定板來進行標(biāo)定，如棋盤格、十字架等，但是由于近紅 外相機不能夠獲取普通光學(xué)相機標(biāo)定板的紋理信息，所以無法用普通可見光攝像機的標(biāo)定 板來標(biāo)定近紅外攝像機。并且視覺導(dǎo)航系統(tǒng)需要覆蓋足夠范圍的降落跑道，所以需要對攝 像機加裝長焦鏡頭，由于長焦鏡頭景深短，難以精確調(diào)焦，給傳統(tǒng)拍攝精密標(biāo)定物的方法帶 來了很大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有方法實用性差的不足，本發(fā)明提供一種寬基線近紅外相機位姿估計 方法。該方法在著艦跑道上各相機的公共視野大場景區(qū)域內(nèi)選取左右對稱的六對基準(zhǔn)點， 利用全站儀精確測量基準(zhǔn)點的世界坐標(biāo)；進行標(biāo)定時在基準(zhǔn)點位置放置標(biāo)志燈，通過檢測 標(biāo)志燈精確計算各相機的位姿。該方法考慮到了，近紅外相機無法拍攝有效的標(biāo)定板照片， 無法利用傳統(tǒng)標(biāo)定方法進行位姿估計。并且在無人機著陸的場景中的復(fù)雜自然場景中可見 光對標(biāo)定結(jié)果的影響以及紅外相機本身的特性。設(shè)計使用了紅外激光等作為合作標(biāo)志燈， 并且在紅外相機上加裝濾光片。在著陸跑道兩側(cè)設(shè)置六對基準(zhǔn)點，并且利用全站儀對基準(zhǔn) 點的空間坐標(biāo)進行級的空間精度測量。經(jīng)測試，標(biāo)定結(jié)果精確，圖像上的重投影誤差達到 0. 05像素以下。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種寬基線近紅外相機位姿估計方 法，其特點是包括以下步驟：
[0007] 步驟一、對無人機自主降落跑道建立一個世界坐標(biāo)系，近紅外相機置于無人機下 降跑道的兩側(cè)并對稱分布，選取相機基線中點為世界坐標(biāo)系原點，沿跑道中線方向為X軸， 垂直于跑道方向為Y軸方向，豎直向上為Z軸，坐標(biāo)系滿足右手定理。
[0008] 為估計世界三維坐標(biāo)與相機圖像二維坐標(biāo)之間的變換矩陣，需要獲得若干個三維 點與圖像坐標(biāo)的對應(yīng)點，故在跑道兩側(cè)選擇12個基準(zhǔn)點：
[0009] 基準(zhǔn)點1，2 :基準(zhǔn)點2指向基準(zhǔn)點1的方向為Y軸正方向，基準(zhǔn)點1，2兩點連線 1_12中點為世界坐標(biāo)系原點。1_12長度為15m。
[0010] 基準(zhǔn)點3, 4 :基準(zhǔn)點3, 4的連線1_34與基準(zhǔn)點1，2的連線1_12平行，1_12與1_34 之間的垂直距離為50m，1_34長度為15m。
[0011] 基準(zhǔn)點5, 6 :基準(zhǔn)點5, 6的連線1_5, 6與基準(zhǔn)點1，2的連線1_12平行，1_12與 1_5, 6之間的垂直距離為100m，1_5, 6長度為15m。
[0012] 基準(zhǔn)點7, 8 :基準(zhǔn)點5, 6的連線1_5, 6與基準(zhǔn)點1，2的連線1_12平行，1_12與 1_5, 6之間的垂直距離為150m，1_7, 8長度為15m。
[0013] 基準(zhǔn)點9, 10:基準(zhǔn)點9, 10的連線1_9, 10與基準(zhǔn)點1，2的連線1_12平行，1_12與 1_5, 6之間的垂直距離為200m，1_9, 10長度為15m。
[0014] 基準(zhǔn)點11，12:基準(zhǔn)點11，12的連線I_ll. 12與基準(zhǔn)點1，2的連線1_12平行，1_12 與1_5, 6之間的垂直距離為300m，1_11，12長度為15m。
[0015] 在12個基準(zhǔn)點中選取一部分為高出地面的基準(zhǔn)點。其中，基準(zhǔn)點7,8為高點，高 度為2. 8m;基準(zhǔn)點11，12為高點，高度為2. 6m。
[0016] 選點完成后，在基準(zhǔn)點放置全站儀棱鏡，將全站儀放置在世界坐標(biāo)系原點處，將全 站儀正方向定位沿跑道中線方向，使用全站儀精確測量12個基準(zhǔn)點在全站儀坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)。
[0017] 步驟二、選取近紅外激光燈作為著陸導(dǎo)航系統(tǒng)中的近紅外相機的合作標(biāo)志燈，并 且在相機鏡頭上加裝濾光片。打開各個合作標(biāo)志燈后，使用著陸導(dǎo)航系統(tǒng)中的相機拍攝圖 片，采用手動選點與領(lǐng)域檢測方式相結(jié)合的方式獲取基準(zhǔn)點的圖像坐標(biāo)。
[0018] 步驟三、假定三維世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點X與相機圖像坐標(biāo)點X之間有對應(yīng)關(guān)系， 攝像機矩陣P便能夠被確定。對于每一組對應(yīng)X與X，導(dǎo)出關(guān)系式：
[0019]
[0020] 其中PlT是矩陣P的第i行，是一個四維矢量。
[0021] 步驟四、利用前三個步驟計算得到的相機變換矩陣P，通過公式x=PX計算出圖像 二維坐標(biāo)系在三維世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：該方法在著艦跑道上各相機的公共視野大場景區(qū)域內(nèi)選取 左右對稱的八對基準(zhǔn)點，利用全站僅精確測量基準(zhǔn)點的世界坐標(biāo)；進彳丁標(biāo)定時在基準(zhǔn)點位 置放置標(biāo)志燈，通過檢測標(biāo)志燈精確計算各相機的位姿。該方法考慮到了，近紅外相機無法 拍攝有效的標(biāo)定板照片，無法利用傳統(tǒng)標(biāo)定方法進行位姿估計。并且在無人機著陸的場景 中的復(fù)雜自然場景中可見光對標(biāo)定結(jié)果的影響以及紅外相機本身的特性。設(shè)計使用了紅外 激光等作為合作標(biāo)志燈，并且在紅外相機上加裝濾光片。在著陸跑道兩側(cè)設(shè)置六對基準(zhǔn)點， 并且利用全站儀對基準(zhǔn)點的空間坐標(biāo)進行級的空間精度測量。經(jīng)測試，標(biāo)定結(jié)果精確，圖像 上的重投影誤差達到0. 05像素以下。
[0023] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明寬基線近紅外相機位姿估計方法具體步驟如下：
[0025] 1、基準(zhǔn)點的選取與坐標(biāo)測量。
[0026] 相機的位姿估計過程實際是對世界坐標(biāo)系對相機坐標(biāo)系之間變換矩陣的計算，因 此需要先對無人機自主降落跑道建立一個世界坐標(biāo)系，本發(fā)明中世界坐標(biāo)系的選取如下： 相機位于下降跑道的兩側(cè)對稱分布，選取相機基線中點為世界坐標(biāo)系原點，沿跑道中線方 向為X軸，垂直于跑道方向為Y軸方向，豎直向上為Z軸，坐標(biāo)系滿足右手定理。
[0027] 為估