張友軍，張持健，謝婉怡，劉 勇，夏營(yíng)威，王依人

（1.安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；2.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031）

引言

云是大氣層中的水滴和冰晶[1]，在降雨、氣候變化等物理過程中充當(dāng)著重要的角色[2]。云底高度[3-4]作為云參數(shù)的一種在航空安全、氣候研究等許多鄰域有著重要的作用。

云底高測(cè)量方法主要有人工目測(cè)、探空、雷達(dá)探測(cè)、雙目成像技術(shù)[5]。人工目測(cè)和探空觀察時(shí)間長(zhǎng)、效率低；雷達(dá)只能單點(diǎn)測(cè)量且成本高。隨著視覺傳感器的發(fā)展，雙目成像技術(shù)被應(yīng)用于地基云底高觀測(cè)。Mark等人[6]利用雙目魚眼相機(jī)拍攝云體，采用光流法匹配云圖同名點(diǎn)，計(jì)算云底高度。光流法受到光照、相機(jī)曝光值的影響會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。陶法等人[7]采用基線60 m的一對(duì)攝像機(jī)，搭建雙目云高系統(tǒng)，采用歸一化互相關(guān)方法尋找同名點(diǎn)，然后匹配特征點(diǎn)得到相對(duì)視差計(jì)算云底高度，選擇星星作為標(biāo)定物易受天氣環(huán)境影響。

采用雙目成像技術(shù)測(cè)量云底高度時(shí)，針對(duì)無法準(zhǔn)確獲取同名點(diǎn)對(duì)以及外參標(biāo)定不準(zhǔn)確問題，本研究將視覺里程計(jì)[8]法運(yùn)用到相機(jī)的外參標(biāo)定上，采用特征點(diǎn)提取與匹配獲取同名點(diǎn)，根據(jù)對(duì)極約束[9]求出外參。

1 雙目云高系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文搭建的雙目云高系統(tǒng)由2臺(tái)自主研發(fā)的ASC100成像儀[10]組成，外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，同一時(shí)刻采集左右2張?zhí)炜請(qǐng)D像，為云高數(shù)據(jù)反演提供原始數(shù)據(jù)。

圖1 全天空云圖儀機(jī)械外形圖Fig.1 Mechanical outline diagram of all-sky nephogram instrument

雙目云高系統(tǒng)工作流程如圖2所示。其中，系統(tǒng)標(biāo)定是整個(gè)系統(tǒng)有效工作的重要環(huán)節(jié)，直接決定整個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)精度。系統(tǒng)參數(shù)主要包括左右相機(jī)的畸變參數(shù)、焦距和兩相機(jī)的旋轉(zhuǎn)平移位置參數(shù)，即相機(jī)的內(nèi)參和外參。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flow chart of system work

1.2 系統(tǒng)參數(shù)的選取

云低至形成于2 000 m的大氣中，高至可達(dá)8 000 m，為適應(yīng)云高變化范圍廣的特點(diǎn)，需探究雙目系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)對(duì)探測(cè)范圍的影響，并對(duì)系統(tǒng)可選參數(shù)進(jìn)行配置。系統(tǒng)工作原理是基于三角測(cè)量原理，如圖3所示，Z為實(shí)際距離，Z′為觀測(cè)距離，點(diǎn)P和點(diǎn)P′分別為待測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)，左右相機(jī)成像的點(diǎn)分別為PL和PR。理想情況下，2個(gè)相機(jī)安裝只在水平方向有位移，P的像只在水平方向有差異，記PL的橫坐標(biāo)為uL，PR的橫坐標(biāo)為uR。OL，OR為相機(jī)的光圈中心，f為焦距，t為基線（左右相機(jī)之間的距離），δ表示像元的寬度[11]，設(shè)點(diǎn)在圖像中的定位誤差為 δ/2。 根據(jù) ΔPPLPR和 ΔPOLOR的相似關(guān)系，有：

整理得：

式中，d為左右圖橫坐標(biāo)之差，稱為視差。根據(jù)（2）式同理可得：

得到精度誤差為

圖3 系統(tǒng)誤差分析圖Fig.3 Analysis diagram of system error

基線是雙目云高系統(tǒng)的重要參數(shù)，它不僅影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還影響測(cè)量精度。由（4）式可知，基線t增大，測(cè)量誤差減小；焦距增大，測(cè)量誤差減小。t的增大需要和實(shí)際情況相結(jié)合，測(cè)量較近物體時(shí)，基線不宜過大，基線較大，左右相機(jī)采集的相同區(qū)域減少，影響圖像的匹配精度，測(cè)量較遠(yuǎn)物體時(shí)，為保證較高的測(cè)量精度，基線應(yīng)盡可能大。焦距越大，視場(chǎng)越小，拍攝圖像的特征減少，影響圖像的匹配精度。為提高系統(tǒng)觀測(cè)精度，需要選擇合適的基線與焦距。

采用焦距4 mm、6 mm、8 mm和基線20 m、60 m分別進(jìn)行兩兩實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，云底高度為0～3 km時(shí)，焦距一定，基線越大，單位視差的改變引起的云底高度變化越大，測(cè)量精度越高，而基線越大，測(cè)量同一云底高度所需的視差越大即共勢(shì)面越小，影響圖像的匹配精度；當(dāng)基線一定時(shí)，焦距越大，單位視差的改變引起的云底高度變化越大，測(cè)量精度越高，而焦距越大，視場(chǎng)越小，影響圖像的匹配精度。云底高度大于3 km時(shí)，焦距一定，基線越小，精度越高；當(dāng)基線一定時(shí)，焦距越小，測(cè)量精度越高。整合6條折線，選擇基線為60 m，焦距為4 mm的系統(tǒng)較為合適。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)圖Fig.4 Diagram of system parameters

2 里程計(jì)法外參標(biāo)定

2.1 特征點(diǎn)提取

里程計(jì)法采用的是精度高且速度快的ORB算法[12]，該算法特征點(diǎn)提取方式為FAST[13]角點(diǎn)提取。算法思想為：若圖像中某點(diǎn)的灰度值連續(xù)大于或小于周圍一定數(shù)量的像素點(diǎn)時(shí)，則該點(diǎn)為特征點(diǎn)。特征點(diǎn)用函數(shù)判斷為

式中：I(p)是 待測(cè)點(diǎn)的灰度值；I(x)是圓周點(diǎn)的灰度值；η為設(shè)置的閾值（一般為I(p)的20%）；圓周點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)函數(shù)值的和定義為N，當(dāng)N大于或等于 12時(shí)，點(diǎn)p為特征點(diǎn)。

2.2 特征點(diǎn)描述與匹配

ORB算法采用BRIEF[14]特征描述子，函數(shù)表達(dá)式定義為

式中：p(x)、p(y)表示點(diǎn)對(duì)的灰度，選擇多組點(diǎn)對(duì)來生成一個(gè)二進(jìn)制字符串表示為

式中：n取256。計(jì)算特征點(diǎn)的漢明距離（用D(vp,vq)表示）來匹配同名點(diǎn)，其中vp是左圖像中某一特征點(diǎn)p的 特征向量；vq是右圖像中鄰近特征點(diǎn)p的全部特征向量，D(vp,vq)越小說明2個(gè)特征點(diǎn)越相似，距離最小的即為匹配的點(diǎn)對(duì)。

2.3 對(duì)極約束

外參標(biāo)定在云底高觀測(cè)過程中起著重要的作用。獲取同名點(diǎn)對(duì)后，采用對(duì)極幾何約束求出相機(jī)的外參。如圖5，I1與 I2為左右相機(jī)拍攝的圖像，設(shè)兩個(gè)相機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)為R、t。 假設(shè) I1中有一個(gè)特征點(diǎn)p1，它在 I2中對(duì)應(yīng)著特征點(diǎn)p2，兩者是通過匹配得到的。

圖5 對(duì)極幾何約束Fig.5 Antipode geometric constraints

設(shè)點(diǎn)P的空間位置為

點(diǎn)p1與p2的像素位置為

式中：K為相機(jī)的內(nèi)參矩陣，使用齊次坐標(biāo)將上式改寫成非零常數(shù)下成立的等式：

可以得到：

x1、x2是2個(gè)像素點(diǎn)歸一化平面上的坐標(biāo)，帶入上式得到：

在等式的兩邊同時(shí)左乘xT2t∧得：

t∧x2向量與t和x2都垂直。把它和x2做內(nèi) 積時(shí)，得到0。所以：

帶入p1,p2：

（18）式和（19）式稱為對(duì)極約束。對(duì)極約束中包含了旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

令：

EF和 為本質(zhì)矩陣和基礎(chǔ)矩陣[15]。根據(jù)本質(zhì)矩陣或基礎(chǔ)矩陣即可求出相機(jī)的外參。

3 實(shí)驗(yàn)

為確定里程計(jì)法用于大基線外參標(biāo)定的精度，在室外搭建雙目云高探測(cè)系統(tǒng)，以自主研制的2臺(tái)全天空云圖儀代替左右相機(jī)，開展室外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。搭建雙目云高系統(tǒng)如圖6所示，2個(gè)云圖儀的距離為60 m，2臺(tái)設(shè)備安裝時(shí)經(jīng)過調(diào)整，保持正南正北朝向，兩者只在水平方向上移動(dòng)。

圖6 雙目云高探測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Binocular cloud height detection system

云圖儀可全天拍攝大范圍的云圖，取其中一組圖像對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到外參數(shù)據(jù)為

數(shù)據(jù)中，R式中左對(duì)角線的值接近于1，表明左右圖像的相對(duì)傾斜角度較小，與實(shí)際情況相符。t式中2個(gè)相機(jī)水平距離為60.344 4 m，而實(shí)際值為60 m，誤差為34.44 cm，精度較高，達(dá)到99.43%。得到外參數(shù)據(jù)進(jìn)行立體校正，結(jié)果如圖7所示，左右圖像上的同名像素點(diǎn)基本上只在水平方向上有偏移，說明標(biāo)定的外參數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

圖7 雙目立體校正圖Fig.7 Binocular stereo correction images

然后進(jìn)行立體匹配得到視差圖，如圖8所示，觀測(cè)的云底高度越高，視差越小，對(duì)應(yīng)的視差圖顏色越淺。視差圖可以將圖像的大部分紋理表示出來，效果較好，表明里程計(jì)法用于大基線外參標(biāo)定的可行性。

圖8 云圖視差圖Fig.8 Parallax diagram of cloud image

4 結(jié)論

采用雙目相機(jī)探測(cè)云底高度時(shí)，本研究將里程計(jì)法運(yùn)用到相機(jī)的外參標(biāo)定上，通過室外標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定了里程計(jì)法標(biāo)定外參的精確性，解決了大基線外參標(biāo)定困難以及標(biāo)定不準(zhǔn)確的問題。

采用里程計(jì)法標(biāo)定雙目相機(jī)的外參還存在一些不足之處：在陰天或者霧霾天氣時(shí)，自主研制的2臺(tái)全天空云圖儀拍攝的云圖紋理較少，采用特征點(diǎn)提取與匹配的方法很難提取圖像的特征點(diǎn)，匹配同名點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的誤匹配，很大程度上影響了標(biāo)定的結(jié)果。在今后的學(xué)術(shù)研究中，對(duì)于低紋理問題擬采用圖像增強(qiáng)的方法，先增強(qiáng)圖像的紋理，再進(jìn)行外參的標(biāo)定。