基于Calib工具箱的圖像測量方法

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　　楊樂　孟江

基于Calib工具箱的圖像測量方法

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院楊樂孟江

隨著我國在工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展越來越深入，在隧道工程建設(shè)中引入攝影測量來進(jìn)行工程安全的監(jiān)測，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。通過濾波對(duì)不同區(qū)域的圖像進(jìn)行處理，并采用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行邊緣和角點(diǎn)的提取。應(yīng)用Calib工具箱得到相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，這為隧道變形的監(jiān)測工作提供了新的思路和方法。

Calib工具箱；圖像測量；隧道監(jiān)測

1　引言

在我國近些年來的發(fā)展中，尤其對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)給予了足夠的重視，從而加大了在基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)節(jié)中的投資力度，使得我國在工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展越來越深入。在逐漸增加的隧道施工建設(shè)中，施工的技術(shù)就成為了不可忽視的環(huán)節(jié)，盡管這一系列的施工技術(shù)有著屢次的提高，但在實(shí)際的隧道施工中總會(huì)有不可預(yù)計(jì)的事故發(fā)生［1］。新奧法在20世紀(jì)60年代初期被正式提出，伴隨我國的逐步引入，隧道施工方面監(jiān)控量測的應(yīng)用就顯得尤為重要［2］。

基于上述背景，本文先是通過濾波對(duì)不同區(qū)域的圖像進(jìn)行處理，處理之后采用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行邊緣和角點(diǎn)的提取。接著選用Calib工具箱的圖像測量方法，對(duì)選取的樣本進(jìn)行大量訓(xùn)練得到計(jì)算結(jié)果，確定出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，這為隧道變形的監(jiān)測工作提供了新的思路。

2　Calib標(biāo)定工具箱

相機(jī)標(biāo)定工具箱 CameraCalibration Toolbox（簡稱Calib工具箱）是由加州理工學(xué)院視覺研究小組開發(fā)的MATLAB環(huán)境下的標(biāo)定工具箱，它可以在多個(gè)系統(tǒng)下使用，并且無需任意一種特定的Matlab工具箱［3］。

2.1Matlab平臺(tái)簡介

Matlab作為美國的MathWorks公司于1984年向市場推出的一個(gè)數(shù)學(xué)型的軟件，它可以在數(shù)值的分析計(jì)算、算法的開發(fā)、使數(shù)據(jù)更為可視化等方面進(jìn)行處理和應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)時(shí)的后期圖像處理識(shí)別中，就是選擇在Matlab這個(gè)軟件平臺(tái)上進(jìn)行編制代碼和程序來實(shí)現(xiàn)的。Matlab是一種具有科學(xué)性的計(jì)算平臺(tái)，在處理實(shí)際問題上也是一種直觀、簡潔以及較為高效的計(jì)算機(jī)形式的語言［4-5］。

2.2Calib工具箱原理

XXC=RC*XX+TC（1）式中，RC和TC分別代表了旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

進(jìn)一步可簡寫為：

令r2=x2+y2，則因徑向畸變和切向畸變所影響的坐標(biāo)Xd為：

式中，等號(hào)右邊第一項(xiàng)是徑向畸變，dx是切向畸變向量，且有：

最后考慮到相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，

以上是所采用Calib標(biāo)定工具箱的理論基礎(chǔ)與各參數(shù)含義。

3　相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與分析

3.1Calib工具箱環(huán)境

將Matlab標(biāo)定工具箱的文件直接添加到對(duì)應(yīng)的目錄，并在不同角度拍攝10組圖片，將這10組需要標(biāo)定的棋盤圖也放到相應(yīng)目錄下，接著在Matlab中輸入命令calib_gui，在窗口中選擇Standard，得到相機(jī)標(biāo)定工具箱主控制界面。

圖1　工具箱主控制界面

對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，首先選擇Image names，在命令行窗口輸入圖片basename及格式，即可讀入所攝10組圖片。

3.2內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定

返回到主控制界面，點(diǎn)擊Extractgrid corners，依次提取每幅圖的角點(diǎn)。其中搜索窗口設(shè)置略大，但不要超出一個(gè)方格的大小，這是為了能將偏離角點(diǎn)也準(zhǔn)確捕捉到，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在角點(diǎn)提取結(jié)束后，選擇Calibration進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定，經(jīng)過多次迭代之后，即可得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。相機(jī)較為重要的一些內(nèi)部參數(shù)，見表1。

獲取到內(nèi)部參數(shù)后，可以通過界面上的ShowExtrinsic來進(jìn)行查看10幅標(biāo)定圖像的外部方位顯示圖，見圖2。

圖2　10幅標(biāo)定圖像的外部方位

4　結(jié)論

在確定相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)后，根據(jù)對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)，進(jìn)行外部參數(shù)的標(biāo)定。通過采用Compute_extrinsic_refine函數(shù)經(jīng)多次迭代計(jì)算得到左右兩幅圖像外部參數(shù)。這里采用Calib工具箱對(duì)其進(jìn)行離線標(biāo)定，根據(jù)成像原理并考慮照相過程可能發(fā)生的徑向畸變和切向畸變等因素，得到相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和左右兩幅圖像的外部參數(shù)值，進(jìn)而為后續(xù)的三維重構(gòu)提供了重要及精確的參數(shù)。

表1　內(nèi)部參數(shù)

［1］雍琦.近景攝影測量基本技術(shù)及其應(yīng)用［J］.才智，2013，（19）：190-191.

［2］陳振華，趙鳴，喬?hào)|梁.一種基于近景攝影測量理論的地鐵隧道變形監(jiān)測方法研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2014，（5）：61-65.

［3］馬曉路，劉倩.MATLAB圖像處理從入門到精通［M］.北京：中國鐵道出版社，2013，254-263.

［4］史峰，王小川.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)30個(gè)案例分析［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010，65-72.

［5］胡曉軍，徐飛.MATLAB應(yīng)用圖像處理 ［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011，213-219.

楊樂，1989年7月出生，山西省大同市人，碩士研究生，研究方向：模式識(shí)別與智能控制。