航空變焦距斜視成像幾何畸變的自動校正_第1頁
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文檔簡介

1、第23卷第1O期2015年1O月光學(xué)精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVo123No10文章編號1004—924X(2015)10—2927—16航空變焦距斜視成像幾何畸變的自動校正周前飛。,劉晶紅,王宣,孫明超(1中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室,吉林長春130033;2中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)摘要:針對變焦距航空攝像機斜視成像產(chǎn)生的幾何變形,提出一

2、種同時校正斜視梯形失真和變焦距鏡頭非線性畸變的自動校正方法。根據(jù)直線透視投影不變性原理,利用單參數(shù)除式模型通過變步長優(yōu)化搜索方法得到不同焦距對應(yīng)的鏡頭畸變系數(shù)和畸變中心坐標;研究了焦距變化對畸變的影響規(guī)律,校正了鏡頭畸變使其滿足針孔成像模型;引入飛機位置、姿態(tài)和攝像機視軸指向方位等因素,將航空圖像重投影到地圖坐標系中,對坐標變換后的像素亮度值進行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。對不同焦距和位置姿態(tài)下拍攝的地面靶標畸變圖

3、像和實際航空變焦距斜視圖像進行了校正。結(jié)果表明,該方法能夠有效準確地校正圖像的幾何變形,當飛行高度為25001TI時,在文中給定的位置姿態(tài)精度下的圖像幾何校正均方誤差約為21TI,較好地滿足了后續(xù)圖像拼接需求。該方法效率高,便于自動化實現(xiàn),對提高圖像拼接精度和實現(xiàn)目標精確定位與實時穩(wěn)定跟蹤具有重要意義。關(guān)鍵詞:變焦距斜視成像;幾何校正;鏡頭畸變;除式模型;攝像機標定中圖分類號:V2483;TP391文獻標識碼:Adoi:103788fl

4、OPE201523102927AutomaticcorrectionofgeometricdistortioninaerialzoomsquintimagingZHOUQian—fei,LIUJing—hong,WANGXuan,SUNMing—chao(1KeyLaboratoryofAirborneOpticalImagingandMeasurement,ChangchunInstituteofOptics,F(xiàn)ineMechanic

5、sandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)C0rrPsDgauthor,Email:liu1577@126cornAbstract:Forgeometricdistortioncausedbysquintimagingofazoomaerialca

6、mera,anautomaticsimultaneouslycorrectionmethodforbothsquinttrapezoidaldistortionandnonlineardistortionofthezoomlenswasproposedBasedonthesamegeometrictypebetweenstraightlineanditsidealprojec—tionimage,theone—parameterdivi

7、sionmodelwasadoptedtoestimatethedistortioncoefficientandthedistortioncentercoordinatesatdifferentfocallengthsbyanoptimizationsearchingmethodofvariantsteplengthTheeffectsoffocaldistancechangeonthedistortioncoefficientandd

8、istortioncenterCOordinateswereresearched。thenthelenssdistortionwascorrectedtosatisfytheidealpinholeimaging收稿日期:2014—11—07:修訂日期:2014—12—22基金項目:吉林省重大科技攻關(guān)項目(No11ZDGG001);總裝預(yù)研基金資助項目(No402040203);國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(No2012045

9、15)第1O期周前飛,等:航空變焦距斜視成像幾何畸變的自動校正畸變系數(shù)和畸變中心坐標;進一步分析了焦距變化對圖像畸變的影響規(guī)律,建立了鏡頭畸變系數(shù)、畸變中心坐標與焦距的數(shù)學(xué)關(guān)系;最后,根據(jù)該關(guān)系得到任意連續(xù)焦距下的鏡頭畸變參數(shù),結(jié)合圖像的位置姿態(tài)參數(shù)計算出其內(nèi)、外方位元素,代入上述校正模型對航空圖像進行校正。該方法避免了重復(fù)進行繁瑣耗時的攝像機標定和非量測校正方法對圖像直線、滅點等幾何不變特征的依賴性,提高了校正速度和自動化程度。2變焦

10、距斜視成像幾何畸變校正21建立圖像幾何畸變校正模型文中建立的幾何畸變校正模型主要針對中小型無人機光電平臺搭載的航空變焦距面陣CCD(ChargeCoupledDevice)攝像機,采用中低空飛行偵察,飛行高度一般小于3km,視場角為30~4o。,單幅圖像可覆蓋地面1~2km,多數(shù)情況下不會有太大的起伏,可認為對應(yīng)地面區(qū)域近似平坦,地形起伏和地球曲率引起的變形近似為零,可只考慮由于攝像機外方位元素變化引起的圖像變形和變焦距鏡頭引起的圖像畸

11、變。航空圖像幾何校正將攝像機坐標系下的原始圖像坐標投影變換到地圖(或地面)坐標系中,根據(jù)地圖坐標范圍采用一定的地面像元分辨率(GroundSampledDistance,GSD)劃分格網(wǎng),每個網(wǎng)點代表輸出圖像的一個像素,再將地圖坐標轉(zhuǎn)換為輸出圖像坐標,對坐標變換后的像素亮度值進行重采樣得到正射投影圖像,如圖1所示。在沒有地面控制點的條件下,求解從攝像機坐標系到地圖坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系需提供攝像機所搭載的光電平臺位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)分

12、別相對于不同的坐標系,需分別建立以下坐標系模型,主要坐標系如圖1所示。攝像機坐標系:原點為攝像機投影中心G,軸正向指向攝像機光軸,z軸、軸分別與圖像像素坐標系軸(標記圖像的列,單位為pixe1)、軸(標記圖像的行)平行且方向一致;圖像物理坐標系oxy的原點位于攝像機光軸與圖像平面的交點即主點位置,軸、Y軸分別與U軸、軸平行且方向一致,該坐標系以m或mm為單位。載機坐標系:原點為航姿測量系統(tǒng)質(zhì)心,由于EYamstDFc攝像機坐標系:Fv載

13、機地理坐標系;m:地圖坐標系圖1航空變焦距斜視圖像幾何校正原理圖Fig1Principleofgeometriccorrectionforaerialzoomobliqueimaging航姿測量系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)固定于光電平臺的水平基準面上,攝像機投影中心和航姿測量系統(tǒng)質(zhì)心距離很小,可近似認為兩者重合,軸為航姿測量系統(tǒng)的0。方向,Y軸為航姿測量系統(tǒng)的9O。方向,‰軸通過右手螺旋定則確定,光電平臺輸出的方位角A和高低角E是相對該坐標系的

14、。載機地理坐標系:原點位于航姿測量系統(tǒng)質(zhì)心,為NED(NorthEastDown)坐標系,航姿測量系統(tǒng)輸出的載機航向角,俯仰角e和橫滾角y是相對該坐標系的。地圖坐標系:也是NED坐標系,與載機地理坐標系僅存在一個平移量,設(shè)拍攝第1幅圖像時攝像機投影中心G在地平面的投影點O為地圖坐標系原點,拍攝第i幅圖像時兩坐標系之間的平移量為該時刻GPS輸出的載機位置在地圖坐標系中的坐標[YZmi]。先假設(shè)不存在鏡頭畸變,根據(jù)針孔成像模型[1,地圖坐標

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