【摘要】：組網(wǎng)和動平臺攝像測量在軍事和民用領(lǐng)域上都具有極高的應(yīng)用價值。典型地,組網(wǎng)攝像測量應(yīng)用中通過多個像機構(gòu)建像機網(wǎng)絡(luò)來測量高鐵路基和橋梁等大型結(jié)構(gòu)的形變參數(shù),為大型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。動平臺攝像測量應(yīng)用中利用無人機等飛行平臺搭載的像機和慣性測量單元等設(shè)備對地面目標(biāo)的三維位置進行測量,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭精確打擊的重要環(huán)節(jié)。像機標(biāo)定是攝像測量應(yīng)用中的基礎(chǔ)技術(shù)問題。由于標(biāo)定場景的限制,像機標(biāo)定技術(shù)依然面臨著諸多挑戰(zhàn),相關(guān)技術(shù)也一直是攝像測量學(xué)重要的研究內(nèi)容。本文圍繞組網(wǎng)和動平臺攝像測量應(yīng)用中的像機標(biāo)定問題展開研究工作,包括魚眼鏡頭雙目像機自標(biāo)定、大視場像機和無重疊視場固聯(lián)多像機的標(biāo)定、像機與慣性測量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系標(biāo)定及慣性測量單元輔助的像機相對位姿估計。論文的主要創(chuàng)新內(nèi)容概括如下:(1)針對徑向畸變嚴(yán)重的魚眼鏡頭雙目像機,根據(jù)自然環(huán)境為平面場景或三維場景,分別提出了基于單應(yīng)約束和極線約束的魚眼鏡頭雙目像機自標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的自標(biāo)定方法直接采用包含徑向畸變的圖像匹配點對來估計雙目像機之間的幾何關(guān)系,僅在非線性優(yōu)化中考慮徑向畸變的影響,非線性優(yōu)化很可能陷入局部最優(yōu)。而本文方法在確定雙目像機之間幾何關(guān)系的同時,對雙目像機各自的徑向畸變參數(shù)進行建模,通過圖像匹配點對同時求解兩個像機的徑向畸變參數(shù)和兩個像機之間的幾何關(guān)系,并結(jié)合RANSAC剔除圖像匹配點集中的野值,確定圖像匹配內(nèi)點集;然后再利用圖像匹配內(nèi)點集優(yōu)化雙目像機的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。本文方法能夠高精度地標(biāo)定徑向畸變嚴(yán)重的魚眼鏡頭雙目像機。(2)針對對空拍攝大視場像機和無重疊視場固聯(lián)多像機的標(biāo)定問題,由于不同像機視場內(nèi)沒有公共自然特征,無法采用自標(biāo)定技術(shù),因此需要根據(jù)實際情況設(shè)計出方便適用的標(biāo)定方法。首先提出了針對晃動平臺上對空拍攝大視場像機的標(biāo)定方法,該方法利用無人機作為動態(tài)控制點來標(biāo)定像機內(nèi)外參數(shù),實驗中無人機運動軌跡可以根據(jù)待標(biāo)定像機視場進行調(diào)整,較易滿足控制點在空間和圖像上都合理分布的要求。然后提出了利用像機之間的固聯(lián)約束標(biāo)定無重疊視場固聯(lián)多像機的方法,該方法通過平面靶板同時標(biāo)定像機的內(nèi)參數(shù)和像機之間的相對位姿關(guān)系。最后提出了利用線激光器投影生成的激光平面來標(biāo)定無重疊視場固聯(lián)多遠心像機的方法,該方法利用穿過不同像機視場的激光平面來連接無重疊視場固聯(lián)多遠心像機,根據(jù)激光平面的共面性約束求解遠心像機之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。(3)針對像機與慣性測量單元的標(biāo)定問題,提出了基于單應(yīng)約束的像機與慣性測量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系標(biāo)定方法。首先針對像機旋轉(zhuǎn)和平移運動條件下、像機純旋轉(zhuǎn)運動條件下以及像機純旋轉(zhuǎn)運動和焦距未知條件下像機與慣性測量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的標(biāo)定,分別提出了相應(yīng)的最小配置解;然后結(jié)合RANSAC剔除圖像匹配點集中的野值,確定圖像匹配內(nèi)點集;最后再利用圖像匹配內(nèi)點集對標(biāo)定參數(shù)進行非線性優(yōu)化,得到最終的標(biāo)定結(jié)果。本方法不依賴標(biāo)定物和其他特殊的設(shè)備,直接利用圖像特征來標(biāo)定像機坐標(biāo)系和慣性測量單元坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,而且最小化圖像對中所有圖像匹配內(nèi)點集的單應(yīng)轉(zhuǎn)換誤差,具有明顯的幾何意義。(4)針對慣性測量單元輔助的像機相對位姿估計問題,根據(jù)不同的應(yīng)用場景和是否使用慣性測量單元提供的像機偏航角,推導(dǎo)了三種慣性測量單元輔助的像機相對位姿估計方法。首先針對無人機應(yīng)用場景,在已知像機的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角條件下,提出了通過2個圖像匹配點對估計像機相對平移的方法;然后針對無人機應(yīng)用場景,僅已知像機的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角(即已知像機的垂直方向)條件下,提出了利用地面提供的單應(yīng)約束,通過地面上2個圖像匹配點對估計像機相對位姿的方法;最后針對自動駕駛應(yīng)用場景,同樣已知像機的垂直方向,提出了多種解耦分步估計像機相對旋轉(zhuǎn)和相對平移的方法。通過慣性測量單元為像機坐標(biāo)系提供姿態(tài)角信息,減少了像機相對位姿估計問題的自由度,有效提高了像機相對位姿估計的精度和魯棒性。
【圖文】：

面靶板和線激光器的標(biāo)定方法。四章為像機與慣性測量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的標(biāo)定研究。通過像機對地面用單應(yīng)約束方便地標(biāo)定出像機坐標(biāo)系和慣性測量單元坐標(biāo)系之間的據(jù)像機的運動情況和像機內(nèi)參數(shù)是否已知，分別提出了三種標(biāo)定像單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的方法：像機旋轉(zhuǎn)和平移運動條件下的標(biāo)定方法、像條件下的標(biāo)定方法和像機純旋轉(zhuǎn)運動和焦距未知條件下的標(biāo)定方法五章為慣性測量單元輔助的像機相對位姿估計研究。在第四章標(biāo)定慣性測量單元坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系后，慣性測量單元能夠為像機態(tài)角信息，用于像機坐標(biāo)系的校正�？紤]到慣性測量單元提供的偏俯仰角和滾轉(zhuǎn)角要低，因此根據(jù)像機坐標(biāo)系是否采用慣性測量單元和不同的應(yīng)用場景，推導(dǎo)了三種慣性測量單元輔助的像機相對位姿知三個姿態(tài)角條件下的像機相對平移估計方法和兩種僅已知俯仰角已知像機的垂直方向)條件下的像機相對位姿估計方法。六章為總結(jié)與展望，主要是對本文主要研究工作進行總結(jié)，并對下向進行展望。

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第二章 魚眼鏡頭雙目像機自標(biāo)定2.1 引言組網(wǎng)攝像測量應(yīng)用中常用的結(jié)構(gòu)形式，其標(biāo)定的雙目像機的標(biāo)定通常指確定像機的內(nèi)參數(shù)和外參焦距，，主點和畸變參數(shù)；外參數(shù)包括兩個像機坐。魚眼鏡頭像機具有較大的視場，同時其成像存切向畸變等。如圖 2.1 所示，利用魚眼鏡頭像機拍在圖像中存在明顯的彎曲，而且越靠近圖像的邊鏡頭像機的主要畸變類型為徑向畸變，本章著重
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P231

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本文編號：2692166