航空變焦距斜視成像幾何畸變的自動(dòng)校正

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

2、種同時(shí)校正斜視梯形失真和變焦距鏡頭非線性畸變的自動(dòng)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(guò)變步長(zhǎng)優(yōu)化搜索方法得到不同焦距對(duì)應(yīng)的鏡頭畸變系數(shù)和畸變中心坐標(biāo)；研究了焦距變化對(duì)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(jī)位置、姿態(tài)和攝像機(jī)視軸指向方位等因素，將航空?qǐng)D像重投影到地圖坐標(biāo)系中，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)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(duì)不同焦距和位置姿態(tài)下拍攝的地面靶標(biāo)畸變圖

3、像和實(shí)際航空變焦距斜視圖像進(jìn)行了校正。結(jié)果表明，該方法能夠有效準(zhǔn)確地校正圖像的幾何變形，當(dāng)飛行高度為25001TI時(shí)，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(dòng)化實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高圖像拼接精度和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位與實(shí)時(shí)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(jī)標(biāo)定中圖分類號(hào)：V2483；TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xiàng)目：吉林省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(No11ZDGG001)；總裝預(yù)研基金資助項(xiàng)目(No402040203)；國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)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(dòng)校正畸變系數(shù)和畸變中心坐標(biāo)；進(jìn)一步分析了焦距變化對(duì)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(biāo)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(jì)算出其內(nèi)、外方位元素，代入上述校正模型對(duì)航空?qǐng)D像進(jìn)行校正。該方法避免了重復(fù)進(jìn)行繁瑣耗時(shí)的攝像機(jī)標(biāo)定和非量測(cè)校正方法對(duì)圖像直線、滅點(diǎn)等幾何不變特征的依賴性，提高了校正速度和自動(dòng)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(duì)中小型無(wú)人機(jī)光電平臺(tái)搭載的航空變焦距面陣CCD(ChargeCoupledDevice)攝像機(jī)，采用中低空飛行偵察，飛行高度一般小于3km，視場(chǎng)角為30～4o。，單幅圖像可覆蓋地面1～2km，多數(shù)情況下不會(huì)有太大的起伏，可認(rèn)為對(duì)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(jī)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?qǐng)D像幾何校正將攝像機(jī)坐標(biāo)系下的原始圖像坐標(biāo)投影變換到地圖(或地面)坐標(biāo)系中，根據(jù)地圖坐標(biāo)范圍采用一定的地面像元分辨率(GroundSampledDistance，GSD)劃分格網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)代表輸出圖像的一個(gè)像素，再將地圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為輸出圖像坐標(biāo)，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣得到正射投影圖像，如圖1所示。在沒(méi)有地面控制點(diǎn)的條件下，求解從攝像機(jī)坐標(biāo)系到地圖坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系需提供攝像機(jī)所搭載的光電平臺(tái)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)分

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

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

14、。載機(jī)地理坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于航姿測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)心，為NED(NorthEastDown)坐標(biāo)系，航姿測(cè)量系統(tǒng)輸出的載機(jī)航向角，俯仰角e和橫滾角y是相對(duì)該坐標(biāo)系的。地圖坐標(biāo)系：也是NED坐標(biāo)系，與載機(jī)地理坐標(biāo)系僅存在一個(gè)平移量，設(shè)拍攝第1幅圖像時(shí)攝像機(jī)投影中心G在地平面的投影點(diǎn)O為地圖坐標(biāo)系原點(diǎn)，拍攝第i幅圖像時(shí)兩坐標(biāo)系之間的平移量為該時(shí)刻GPS輸出的載機(jī)位置在地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[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(biāo)