宋麗華,余旭初,陳菊雷,李二森

(1.信息工程大學 測繪學院,河南 鄭州 450052;2.軍事經(jīng)濟學院 襄樊分院,湖北 襄樊 441118)

變焦相機標定在無人飛行器中的應用

宋麗華1,2,余旭初1,陳菊雷2,李二森1

(1.信息工程大學 測繪學院,河南 鄭州 450052;2.軍事經(jīng)濟學院 襄樊分院,湖北 襄樊 441118)

隨著數(shù)碼相機的普及和升級,高成像質量的非量測數(shù)碼相機用于無人飛行器遙感已經(jīng)成為現(xiàn)實。目前研究和應用中,變焦相機僅當作定焦相機使用,沒有充分發(fā)揮其變焦的作用。文中通過利用OpenCV對兩款變焦相機進行標定,分析變焦相機不同焦距的使用特點,總結變焦相機內(nèi)參數(shù)與焦距之間的關系,為充分發(fā)揮變焦相機的作用提供一定的依據(jù)。

變焦相機;相機標定;內(nèi)參數(shù);無人飛行器

無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicles,UAV s)主要包括無人飛艇和無人機等,我國研制無人飛行器已有幾十年的歷史,在總體設計、飛行控制、圖像傳輸、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造等方面積累了寶貴的經(jīng)驗,先后成功研制多種無人機和無人飛艇。無人飛行器具有高機動性、高分辨率、低成本等優(yōu)勢,可根據(jù)任務隨時起飛,并可執(zhí)行有人飛機不宜執(zhí)行的任務,所獲取的影像資料時效性強。利用無人飛行器影像可以實現(xiàn)重點地區(qū)地面信息的“實時”更新,廣泛應用于晝夜空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、戰(zhàn)場毀傷評估、邊境巡邏等軍事領域和航空攝影、地球物理勘探、災情監(jiān)測、海岸緝私等民用領域。

近年來,由于空域限制、成本控制等方面因素,小型無人機的研究和應用一直都是熱點。小型無人機一般采用普通的商業(yè)數(shù)碼相機作為傳感器,這類相機沒有經(jīng)過標定、鏡頭畸變往往較大,在對影像進行預處理時必需予以考慮。確定攝像機內(nèi)外參數(shù)及鏡頭畸變參數(shù),這就是相機標定要解決的問題。為了得到成像質量較高的影像,所選用的數(shù)碼相機一般都是各知名相機制造商生產(chǎn)的高端產(chǎn)品,這些相機大都配備變焦鏡頭。在實驗和應用中都是將變焦鏡頭的調焦環(huán)固定,用固定焦距進行拍攝,這樣無疑是對設備的極大浪費。為此,在變焦相機的標定上進行研究,尋找不同焦段上相機內(nèi)參數(shù)的規(guī)律,保證通過實驗發(fā)揮變焦相機更大的作用。

1 光學鏡頭的分類與成像特點

1.1 視場角

光學鏡頭在成像器件上呈現(xiàn)清晰圖像的范圍叫視場,視場邊緣與鏡頭后節(jié)點所成的夾角叫視場角。視場角的計算公式為W =2tan-1b/2f.

式中:W為視場角,b為成像尺寸的高度,f為鏡頭焦距。

由此式可知,視場角的大小由成像面尺寸(相機的片窗尺寸或相機的CCD尺寸)和鏡頭焦距兩個因素決定。對于成像器件尺寸相同的相機,視場角的大小由焦距決定。光學鏡頭的視場角決定相機記錄景物范圍的開闊程度。表 1列出具有2/3英寸CCD的數(shù)碼相機不同焦距鏡頭和視場角的對應關系。

表1 2/3英寸CCD相機不同焦距鏡頭和視場角的對應關系

1.2 光學鏡頭的分類

1)標準鏡頭也稱常用鏡頭,焦距等于攝影機畫幅對角線的鏡頭稱為標準鏡頭;

2)廣角鏡頭也稱短焦鏡頭,鏡頭焦距短于標準鏡頭的稱為廣角鏡頭;

3)長焦鏡頭也稱窄角鏡頭,鏡頭焦距長于標準鏡頭的稱為長焦鏡頭;

4)變焦鏡頭指鏡頭本身焦距可變的鏡頭,目前高端數(shù)碼相機均配置變焦鏡頭。

1.3 長焦鏡頭成像特點

1)視角窄。長焦鏡頭視角小于 40°,例如,在75 mm定焦鏡頭或變焦鏡頭的75 mm焦段,視場角約 16°。焦距 100mm,視場角約 12°。

2)景深小。決定景深大小的因素包括焦距、光圈和物距,其中焦距是影響景深的顯著因素。

3)影像大。長焦鏡頭的影像放大率,也就是影像大,所以在拍攝距離相同的情況下,長焦鏡頭比短焦鏡頭可以攝取較大的影像,將遠處景物拉近。

1.4 廣角鏡頭成像特點

廣角定焦距鏡頭或用變焦距鏡頭中的廣角部分拍攝的影視畫面,具有和長焦鏡頭相反的影像特點。

1)視角寬,攝取景物的范圍廣闊;

2)景深大,對焦容易,畫面清晰范圍廣;

3)影像透視比大,畫面空間深度感強,近攝有曲像畸變現(xiàn)象。

2 相機標定

使用OpenCV對相機進行標定,OpenCV的標定函數(shù)使用針孔攝像機模型,一幅視圖是通過將三維空間中的點透視變換投影到圖像平面上得到的,其定義為

點在世界坐標系中的坐標;(u,v)為點投影在圖像平面的坐標,以像素為單位;(u0,v0)為像主點坐標;α、β為像平面坐標系中u軸與v軸上以像素為單位的焦距。

內(nèi)參數(shù)矩陣不依賴于場景的變化,只要焦距固定,便可以重復使用;旋轉平移矩陣,也就是外參數(shù)矩陣[R|t]用以描述相機相對于某一固定場景的運動,或物體圍繞相機的剛性運動,它隨場景的不同而不同。

相機鏡頭通常有一些畸變,主要的畸變是徑向畸變,也有輕微的切向畸變,知名鏡頭制造商生產(chǎn)的鏡頭,尤其是高級鏡頭的切向畸變非常微小,可以忽略不計。故本文只對徑向畸變問題進行研究。

OpenCV標定概略步驟如下:

1)用函數(shù)cvLoad Image逐個載入多張圖像。

2)用函數(shù) cvFindChessboardCo rners篩選圖像:將載入的一組圖像逐張代入該函數(shù)中,如果返回值為1,則表示提取的角點數(shù)和設定的相同,角點提取成功,并將角點的概略坐標記錄下來;如果返回值為0,則提取失敗,該圖像不可用。cvFindChessboardCo rners檢測到的角點坐標是概略值,若要得到精確坐標,則應使用函數(shù)cvFindCo rnerSubPix。在該步驟中,應設定參加標定的圖像數(shù)量,如果篩選后的圖像數(shù)量不足,則應重新載入其它圖像。

3)用函數(shù) cvFindChessboardCorners和 cvFind-CornerSubPix保存角點坐標。cvFindCornerSubPix函數(shù)是通過迭代來得到具有子像素精度的角點坐標。

4)將角點在世界坐標系中和圖像坐標系中的坐標值代入函數(shù)cvCalibrateCamera2中,得到相機的內(nèi)外參數(shù)。

3 實驗結果

標定實驗對象為 Pentax K10D相機,配備16～200 mm鏡頭,FinePix S9600相機,配備 28～ 300mm鏡頭,實驗結果如表2和表3所示。

表2 Pentax K10D相機標定結果

表3 FinePix S9600相機標定結果

由標定結果可看出α和β的差別在10個像素左右,且與焦距成嚴格的線性關系,這不難理解,因為這兩個參數(shù)是像平面坐標系中u軸與v軸上以像素為單位的焦距,在此不必給出關系圖。圖1～圖4分別顯示兩款相機的 u0、v0、k1、k24個內(nèi)參數(shù)隨焦距的增大而變化的曲線,可以從中得到一定的規(guī)律。

圖1 Pentax K10D相機 u0、v0隨焦距增大的變化規(guī)律

由圖1和圖2可以看出,相機內(nèi)參數(shù) u0、v0受焦距影響不大,并且與焦距成線性關系;由圖3和圖4可以看出,相機內(nèi)參數(shù) k1受焦距影響不大,且近似成線性關系,而 k2隨著焦距的增大,其數(shù)值變化越來越快。經(jīng)過對實驗中各組畸變改正前后的圖像進行比較,可以看出兩款變焦相機各自所攝圖像中,焦距最小的一組圖像畸變最大,焦距最大的一組圖像畸變最小,即焦距越大,幾何畸變越小。

4 結 論

圖4 FinePix S9600相機 k1、k2隨焦距增大的變化規(guī)律

1)根據(jù)實驗結果,選擇變焦鏡頭的焦距時,不用考慮不同焦距時 u0、v0的影響,因為這兩個參數(shù)在各焦距上的數(shù)值比較穩(wěn)定,不隨焦距增大而增大;k1、k2在短焦段都很微小,當焦距變大時,k1變化不大,k2變化越來越快。

2)短焦段適合區(qū)域偵查和監(jiān)控。如果為了獲得較大的視場,對所攝區(qū)域有較為整體的把握,進行大區(qū)域偵查或監(jiān)控,則可選擇該焦段,而且該焦段景深大,對焦容易,畫面清晰范圍廣,也利于區(qū)域偵查;但由于變焦鏡頭短焦段的幾何畸變較嚴重,焦距越小,畸變越大,不利于后期數(shù)據(jù)處理,故所攝影像不適合測圖。也有謝洪等研究人員將短焦距寬視角影像作基準,將長焦距窄視角序列影像與之配準進行影像鑲嵌,以減小拼接時誤差的積累。

3)長焦段適合對重點地區(qū)進行監(jiān)視。由于變焦鏡頭長焦段的視角窄,取景范圍受到很大限制,呈現(xiàn)在畫面中的影像區(qū)域較小,無人飛行器容易受氣流影響而抖動,當飛行平臺抖動時會造成所攝序列影像間重疊度發(fā)生劇變,同時,景深小也會造成影像局部區(qū)域的模糊,這兩點都會給影像匹配等后期處理帶來困難,因此,該焦段不適合拍攝地物高差較大的區(qū)域。如果為了測圖,可選擇略大于標準鏡頭焦距的焦段,適當增加航高,減小抖動帶來的影響;長焦段的影像放大率大,特別適合特殊條件下對某重點地區(qū)進行監(jiān)視。在戰(zhàn)場上,處于高空的無人飛行器經(jīng)過感興趣區(qū)域時,在不改變航高的情況下,可以通過地面站發(fā)射信號,調節(jié)相機焦距,以獲得更加清晰的影像。

4)由于短焦段和長焦段各有利弊,為了達到不同的航攝目的,無人飛行器搭載變焦相機時,可以一次起降完成多項任務,不再需要起降頻繁更換相機,這樣做無疑可以降低航攝成本,而相機在某一焦距時的內(nèi)參數(shù)可以從預先標定得到的類似圖1～圖4關系中確定出來。

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Zoom camera calibration and itsapplication in UAVs

SONG Li-hua1,2,YU Xu-chu1,CHEN Ju-lei2,L IEr-sen1
(1.Institute of Surveying and Mapping,Info rmation Engineering University,Zhengzhou 450052,China;2.Xiangfan Affiliated College,M ilitary Economy Academy,Xiangfan 441118,China)

As the p revalence and upgrade of digital cameras,it is realized that high quality non-metric digital cameras used in UAV s remote sensing.In current researches and app lications,zoom cameras are generally used as those w ith fixed lens,that is to say,we don’tmake the best use of the zoom function,and it is a w aste of the equipment.Through calibrating two zoom cameras using OpenCV,this paper analyses the characteristics of different focuses,summarizes the relationship s of interio r parameters w ith focuses,and p rovides evidence fo r making the best use of zoom cameras.

zoom camera;calibration;interio r parameters;UAV s

TP391.4

A

1006-7949(2010)01-0071-04

2009-07-07

宋麗華(1982-),男,碩士研究生.

[責任編輯李銘娜]