變焦相機(jī)標(biāo)定在無(wú)人飛行器中的應(yīng)用

宋麗華,余旭初,陳菊雷,李二森

(1.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052;2.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院 襄樊分院,湖北 襄樊 441118)

變焦相機(jī)標(biāo)定在無(wú)人飛行器中的應(yīng)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(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052;2.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院 襄樊分院,湖北 襄樊 441118)

隨著數(shù)碼相機(jī)的普及和升級(jí),高成像質(zhì)量的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)用于無(wú)人飛行器遙感已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。目前研究和應(yīng)用中,變焦相機(jī)僅當(dāng)作定焦相機(jī)使用,沒(méi)有充分發(fā)揮其變焦的作用。文中通過(guò)利用OpenCV對(duì)兩款變焦相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,分析變焦相機(jī)不同焦距的使用特點(diǎn),總結(jié)變焦相機(jī)內(nèi)參數(shù)與焦距之間的關(guān)系,為充分發(fā)揮變焦相機(jī)的作用提供一定的依據(jù)。

變焦相機(jī);相機(jī)標(biāo)定;內(nèi)參數(shù);無(wú)人飛行器

無(wú)人飛行器(Unmanned Aerial Vehicles,UAV s)主要包括無(wú)人飛艇和無(wú)人機(jī)等,我國(guó)研制無(wú)人飛行器已有幾十年的歷史,在總體設(shè)計(jì)、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(yàn),先后成功研制多種無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇。無(wú)人飛行器具有高機(jī)動(dòng)性、高分辨率、低成本等優(yōu)勢(shì),可根據(jù)任務(wù)隨時(shí)起飛,并可執(zhí)行有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的任務(wù),所獲取的影像資料時(shí)效性強(qiáng)。利用無(wú)人飛行器影像可以實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)地區(qū)地面信息的“實(shí)時(shí)”更新,廣泛應(yīng)用于晝夜空中偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估、邊境巡邏等軍事領(lǐng)域和航空攝影、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、海岸緝私等民用領(lǐng)域。

近年來(lái),由于空域限制、成本控制等方面因素,小型無(wú)人機(jī)的研究和應(yīng)用一直都是熱點(diǎn)。小型無(wú)人機(jī)一般采用普通的商業(yè)數(shù)碼相機(jī)作為傳感器,這類(lèi)相機(jī)沒(méi)有經(jīng)過(guò)標(biāo)定、鏡頭畸變往往較大,在對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)必需予以考慮。確定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)及鏡頭畸變參數(shù),這就是相機(jī)標(biāo)定要解決的問(wèn)題。為了得到成像質(zhì)量較高的影像,所選用的數(shù)碼相機(jī)一般都是各知名相機(jī)制造商生產(chǎn)的高端產(chǎn)品,這些相機(jī)大都配備變焦鏡頭。在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中都是將變焦鏡頭的調(diào)焦環(huán)固定,用固定焦距進(jìn)行拍攝,這樣無(wú)疑是對(duì)設(shè)備的極大浪費(fèi)。為此,在變焦相機(jī)的標(biāo)定上進(jìn)行研究,尋找不同焦段上相機(jī)內(nèi)參數(shù)的規(guī)律,保證通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)揮變焦相機(jī)更大的作用。

1 光學(xué)鏡頭的分類(lèi)與成像特點(diǎn)

1.1 視場(chǎng)角

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

式中:W為視場(chǎng)角,b為成像尺寸的高度,f為鏡頭焦距。

由此式可知,視場(chǎng)角的大小由成像面尺寸(相機(jī)的片窗尺寸或相機(jī)的CCD尺寸)和鏡頭焦距兩個(gè)因素決定。對(duì)于成像器件尺寸相同的相機(jī),視場(chǎng)角的大小由焦距決定。光學(xué)鏡頭的視場(chǎng)角決定相機(jī)記錄景物范圍的開(kāi)闊程度。表 1列出具有2/3英寸CCD的數(shù)碼相機(jī)不同焦距鏡頭和視場(chǎng)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 2/3英寸CCD相機(jī)不同焦距鏡頭和視場(chǎng)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 光學(xué)鏡頭的分類(lèi)

1)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭也稱(chēng)常用鏡頭,焦距等于攝影機(jī)畫(huà)幅對(duì)角線(xiàn)的鏡頭稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭;

2)廣角鏡頭也稱(chēng)短焦鏡頭,鏡頭焦距短于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的稱(chēng)為廣角鏡頭;

3)長(zhǎng)焦鏡頭也稱(chēng)窄角鏡頭,鏡頭焦距長(zhǎng)于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的稱(chēng)為長(zhǎng)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(jī)均配置變焦鏡頭。

1.3 長(zhǎng)焦鏡頭成像特點(diǎn)

1)視角窄。長(zhǎng)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(chǎng)角約 16°。焦距 100mm,視場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)焦鏡頭比短焦鏡頭可以攝取較大的影像,將遠(yuǎn)處景物拉近。

1.4 廣角鏡頭成像特點(diǎn)

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(huà)面,具有和長(zhǎng)焦鏡頭相反的影像特點(diǎn)。

1)視角寬,攝取景物的范圍廣闊;

2)景深大,對(duì)焦容易,畫(huà)面清晰范圍廣;

3)影像透視比大,畫(huà)面空間深度感強(qiáng),近攝有曲像畸變現(xiàn)象。

2 相機(jī)標(biāo)定

使用OpenCV對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,OpenCV的標(biāo)定函數(shù)使用針孔攝像機(jī)模型,一幅視圖是通過(guò)將三維空間中的點(diǎn)透視變換投影到圖像平面上得到的,其定義為

點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(u,v)為點(diǎn)投影在圖像平面的坐標(biāo),以像素為單位;(u0,v0)為像主點(diǎn)坐標(biāo);α、β為像平面坐標(biāo)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(lài)于場(chǎng)景的變化,只要焦距固定,便可以重復(fù)使用;旋轉(zhuǎn)平移矩陣,也就是外參數(shù)矩陣[R|t]用以描述相機(jī)相對(duì)于某一固定場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng),或物體圍繞相機(jī)的剛性運(yùn)動(dòng),它隨場(chǎng)景的不同而不同。

相機(jī)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(jí)鏡頭的切向畸變非常微小,可以忽略不計(jì)。故本文只對(duì)徑向畸變問(wèn)題進(jìn)行研究。

OpenCV標(biāo)定概略步驟如下:

1)用函數(shù)cvLoad Image逐個(gè)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(diǎn)數(shù)和設(shè)定的相同,角點(diǎn)提取成功,并將角點(diǎn)的概略坐標(biāo)記錄下來(lái);如果返回值為0,則提取失敗,該圖像不可用。cvFindChessboardCo rners檢測(cè)到的角點(diǎn)坐標(biāo)是概略值,若要得到精確坐標(biāo),則應(yīng)使用函數(shù)cvFindCo rnerSubPix。在該步驟中,應(yīng)設(shè)定參加標(biāo)定的圖像數(shù)量,如果篩選后的圖像數(shù)量不足,則應(yīng)重新載入其它圖像。

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

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)象為 Pentax K10D相機(jī),配備16～200 mm鏡頭,FinePix S9600相機(jī),配備 28～ 300mm鏡頭,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 Pentax K10D相機(jī)標(biāo)定結(jié)果

表3 FinePix S9600相機(jī)標(biāo)定結(jié)果

由標(biāo)定結(jié)果可看出α和β的差別在10個(gè)像素左右,且與焦距成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系,這不難理解,因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)是像平面坐標(biāo)系中u軸與v軸上以像素為單位的焦距,在此不必給出關(guān)系圖。圖1～圖4分別顯示兩款相機(jī)的 u0、v0、k1、k24個(gè)內(nèi)參數(shù)隨焦距的增大而變化的曲線(xiàn),可以從中得到一定的規(guī)律。

圖1 Pentax K10D相機(jī) 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(jī)內(nèi)參數(shù) u0、v0受焦距影響不大,并且與焦距成線(xiàn)性關(guān)系;由圖3和圖4可以看出,相機(jī)內(nèi)參數(shù) k1受焦距影響不大,且近似成線(xiàn)性關(guān)系,而 k2隨著焦距的增大,其數(shù)值變化越來(lái)越快。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中各組畸變改正前后的圖像進(jìn)行比較,可以看出兩款變焦相機(jī)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?cè)叫　?/p>

4 結(jié) 論

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

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇變焦鏡頭的焦距時(shí),不用考慮不同焦距時(shí) u0、v0的影響,因?yàn)檫@兩個(gè)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(dāng)焦距變大時(shí),k1變化不大,k2變化越來(lái)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(chǎng),對(duì)所攝區(qū)域有較為整體的把握,進(jìn)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(duì)焦容易,畫(huà)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(yán)重,焦距越小,畸變?cè)酱?不利于后期數(shù)據(jù)處理,故所攝影像不適合測(cè)圖。也有謝洪等研究人員將短焦距寬視角影像作基準(zhǔn),將長(zhǎng)焦距窄視角序列影像與之配準(zhǔn)進(jìn)行影像鑲嵌,以減小拼接時(shí)誤差的積累。

3)長(zhǎng)焦段適合對(duì)重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)視。由于變焦鏡頭長(zhǎng)焦段的視角窄,取景范圍受到很大限制,呈現(xiàn)在畫(huà)面中的影像區(qū)域較小,無(wú)人飛行器容易受氣流影響而抖動(dòng),當(dāng)飛行平臺(tái)抖動(dòng)時(shí)會(huì)造成所攝序列影像間重疊度發(fā)生劇變,同時(shí),景深小也會(huì)造成影像局部區(qū)域的模糊,這兩點(diǎn)都會(huì)給影像匹配等后期處理帶來(lái)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(cè)圖,可選擇略大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距的焦段,適當(dāng)增加航高,減小抖動(dòng)帶來(lái)的影響;長(zhǎng)焦段的影像放大率大,特別適合特殊條件下對(duì)某重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)視。在戰(zhàn)場(chǎng)上,處于高空的無(wú)人飛行器經(jīng)過(guò)感興趣區(qū)域時(shí),在不改變航高的情況下,可以通過(guò)地面站發(fā)射信號(hào),調(diào)節(jié)相機(jī)焦距,以獲得更加清晰的影像。

4)由于短焦段和長(zhǎng)焦段各有利弊,為了達(dá)到不同的航攝目的,無(wú)人飛行器搭載變焦相機(jī)時(shí),可以一次起降完成多項(xiàng)任務(wù),不再需要起降頻繁更換相機(jī),這樣做無(wú)疑可以降低航攝成本,而相機(jī)在某一焦距時(shí)的內(nèi)參數(shù)可以從預(yù)先標(biāo)定得到的類(lèi)似圖1～圖4關(guān)系中確定出來(lái)。

[1]劉瑞禎,于仕琪.OpenCV教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:393-404.

[2]陳勝勇,劉 盛.基于OpenCV的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:364-383.

[3]陳 磊.計(jì)算機(jī)視覺(jué)類(lèi)庫(kù)OpenCV在VC中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(12):209-211.

[4]Z.A Flexible New Technique Fo r Camera Calibration.Technical Repo rt M SR-TR-98.71,M icrosoft Research,Dec 1998.Available Together w ith the Softw IL re[EB/OL].http://research.microsoft.com/zhang/Calib/..

[5]邱茂林,馬頌德,李 毅.計(jì)算機(jī)視覺(jué)中攝像機(jī)定標(biāo)綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2000,26(1):6-9.

[6]劉靜宇.航空攝影測(cè)量[M].北京:解放軍出版社,1995.

[7]謝 洪,宮 照,黃小川.一種序列數(shù)字影像自動(dòng)鑲嵌的新方法[J].地理空間信息,2008,6(4):101-103.

[8]王明昕,趙東標(biāo),邵澤明.CCD攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定技術(shù)研究[J].機(jī)械與電子,2004(3):4-7.

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(zé)任編輯李銘娜]