微纳遥感相机在轨光轴指向标定方法

基于激光测量原理及微纳相机特征,提出了一种新的微纳遥感相机在轨指向标定方法.该方法采用光路复用和焦面复用技术,实现了标定装置与相机系统的一体化光机电集成,可对每景遥感影像进行实时标定.将某新型微纳遥感相机作为仿真验证平台,对本文提出的微纳遥感相机在轨指向标定方法进行验证.仿真结果显示,使用该方法微纳遥感相机自身光轴指向标定精度不超过0.2″,满足相机影像无控制点下平面定位精度30m的指标要求.原理样机的研制及标定结果进一步证明了该项技术的原理与实践的可行性.该技术具有提升微纳遥感卫星定量化应用的价值.     

双线阵测绘相机视轴抖动实时测量

本文建立了一个航天线阵测绘相机视轴测量模型,以实现对双线阵测绘相机视轴抖动的实时测量。首先,通过在相机焦平面两端设置激光收发装置,经由中央棱镜关联,构建了两台相机之间的夹角参数变化测量模型。接着,基于双矢量定姿原理推导了计算表达式,可以实现相机焦距及绕XYZ三轴变化量的高精度测量。对计算方法的误差进行了分析,并通过仿真进行了验证。此外,还对本文提出方法与工程上常用的简化方法之间的残差进行了仿真,结果表明,简化方法仅在很小的测量范围内与本文提出方法一致性良好,当测量角度范围扩大到2′时,采用本文提出的计算方法才能得到精度为0.1″的测量结果。最后,在热真空环境下进行了试验验证,结果显示采用该计算方法得到的相机内外参标定精度达0.1″,结果表明两台相机夹角参数表现出轨道周期性规律,为后续开展立体测绘任务提供了良好的参考。     

基于全光学路径的遥感相机视轴监测方法研究

为提高光学遥感卫星图像地面定位精度,提出了一种基于全光学路径的相机/星敏感器视轴指向监测方法。方法采用同一基准部件分别建立相机和星敏感器测量通道,基准部件采用激光二极管作为测量光源,经过会聚和准直进入相机/星敏感器光学系统并成像,当相机/星敏感器相对基准部件视轴发生变化时,成像光斑相应地也发生位置移动,进而可以获取相机视轴转动信息;基于所提方法建立了光学模型,利用光线追迹法对相机夹角变化进行仿真与分析,并与理论分析结果进行对比。结果表明,方案可以满足高精度的相机视轴监测。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。     

红外低温相机视轴引出方法

测量红外低温相机的系统调制传递函数(MTF)需要借助于低温平行光管。由于红外低温相机探测器在常温下无法正常工作,并且红外低温相机、低温平行光管离轴抛物镜以及模拟靶标三者是空间分离的,因此实验前需要将相机的视轴引出到平行光管的视轴方向,同时将模拟靶标调整到平行光管焦面位置且靶标中心处于平行光管的中心视场。借助于干涉仪,利用经纬仪分别将相机视轴和平行光管视轴引出到外基准立方镜a和b,通过两立方镜坐标系的方向余弦矩阵关系,将红外低温相机的视轴引出到低温平行光管的视轴方向。对视轴引出精度进行了分析,给出了实验采集的图像。实验结果表明,系统MTF满足要求,同时表明红外低温相机视轴引出方法合理可行。     

准同心广义经纬相机的成像模型及高精度标定

对于大尺度运动目标的参数测量,固定相机存在着视场与空间分辨率之间的矛盾,并且当测量空中或海上目标时相机的标定也十分困难。跟踪式相机(如光电经纬仪)能解决此问题,但存在体积大、成本高和操作复杂等缺点。结合两者特点取长补短,将相机固定在二维旋转平台上,尽可能实现同心放置,组成准同心广义经纬相机进行中远场高精度测量,测量过程中转台实时跟踪目标并为相机提供外参数。此方法并没有光电经纬仪非常严格的同心同轴的安装要求。在合理假设基础上建立了经纬相机成像模型,提出了线性求解及平差优化相机参数的方法。大量仿真与实际测量验证了模型和标定方法的正确性和高精度。广义经纬相机测量系统组合巧妙、装拆和操作简单、体积小、成本低、可全视场测量且测量精度高,有广泛且重要的应用前景。     

大视场多CCD拼接相机标定方法研究

介绍了一种多CCD拼接弹道相机的标定方法和步骤,以及标定系统的原理及组成。对相机的光学畸变和大视场拼接物像几何投影关系进行了分析,建立了相机数学模型,并采用最小二乘多元回归分析方法,通过测量相机的内方位元素计算畸变系数,确定了最佳条件下相机数学模型中的各个参数。实验表明利用该方法标定出相机精度方位角测角误差小于10″,高低角测角误差小于15″。     

光栅投影三维测量系统标定技术研究

相机与投影仪的标定是影响光栅投影三维测量系统精度的因素之一,且标定所得参数的精度直接影响系统的测量精度。分析标志点边缘成像时的退化模型,提出了基于高斯曲线拟合与边缘局部区域效应相结合的亚像素边缘检测方法,获取高精度边缘,提高标志点检测精度;使用基于透视变换图像矫正的标志点快速排序匹配方法,进行相机快速高精度标定。分析投影仪标定时的相位误差,提出了一种基于径向基的线性插值方式,提高标志点圆心相位获取精度。实验验证,使用上述亚像素边缘检测方式,标志点的边缘残差为0.0871,对比基于高斯曲线的拟合方式,精度提高了41%,相机标定重投影误差均值为0.0524像素;使用上述相位插值方式,投影仪标定重投影误差均值为0.1203像素,对比使用双线性插值方式,标定精度提高23.9%。     

光电探测系统半参数模型运动学标定

针对光电探测系统高指向精度要求,提出了补偿最小二乘法与双三次样条插值相结合的半参数模型标定算法来减小系统指向误差。根据光电探测系统结构组成,运用多体系统理论建立系统指向误差参数模型。引入非参数分量,建立半参数模型,应用补偿最小二乘法对半参数模型进行标定得到修正模型。搭建实验平台测得两组数据,分别用于运动学标定与验证修正结果。实验结果表明:系统方位向、俯仰向指向误差均值从92.1185″、75.9358″降低到2.7100″、2.7755″,指向误差标准差从21.6522、15.1744降低到10.8645、10.7305。表明提出的标定算法能有效提高光电探测系统指向精度和空间指向稳定性,且能同时考虑系统误差的线性与非线性关系。     

基于稠密时角法的天空背景相机标定技术研究

标定是利用相机进行测量的重要步骤。标定计算相机的内、外方位元素,直接决定了多目视觉测量的精度。在传统的相机标定中,需要设置一定数量稳定、高精度测量的控制点。而在大视场、天空背景下,无法满足上述布设条件。为了实现高精度的相机标定,提出一种可实现内、外参一体化标定的稠密时角标定技术,该技术利用无人机模拟恒星星体,在相机视场内均匀布设控制点并解算标定参数。在解算过程中,针对无人机RTK精度不稳定性,以及特征点提出可靠性提出了非线性最小二乘牛顿-高斯内插算法(WTLS)并得到较高的标定精度。最后采用视场角为77°×66°的相机数据分析验证,实验表明该方法的标定精度高,标定误差优于0.3°,可有效应用于天空背景的大视场相机标定。     

基于机器视觉的高精度测量与装配系统设计

在对某些精密产品实现自动化生产过程中,存在难以对装配该产品所需的多种装配小零件进行高精度自动测量与装配的问题。针对该问题,搭建了基于机器视觉技术的自动化测量与装配系统。基于Halcon图像处理软件平台,对零件图像进行了中值滤波、图像增强等预处理;采用了Canny算法对零件求取像素精度的边缘,并运用椭圆曲线拟合法获取了亚像素精度边缘;建立了两种相机镜头畸变模型,采用径向排列约束(RAC)标定法与张正友标定法对相机进行了标定,并对标定精度进行了对比;实验结果表明：本系统的装配同轴度精度能达到0.05mm,零件尺寸测量标准差低于3.8μm,满足工业需求,可以解决工业实际问题。     

近景大视场角分区域标定方法研究

针对飞行试验测量视场大相机标定精度低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先通过将标靶均匀布置在摄像机视场内,使得标靶尽可能均匀错落地充满整个视场范围,再结合人眼判读的方式求解靶标的像面位置,最终与全站仪三维坐标形成精确的空间标定点集。接着,将像平面按横向方向等间距分割成Ｎ个区域,并结合后方交会的方法分别对每个子区域进行相机参数的计算。实验结果表明：经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了4％(Ｎ＝3)。算法可实现指定区域的相机参数计算,基本满足中高等精度的工业测量要求。所本文研究可应用于位置相对固定不变的工业视觉测量,特别是大工件测量领域。     

光笔式双目视觉测量系统标定技术研究

针对光笔式双目视觉测量系统的标定问题,讨论了关于相机内参、双相机外参以及测量笔的相关标定理论,开发了一整套基于LabVIEW的标定系统。运用张氏平面标定法实现了相机内参标定。结合基于标准长度的外部参数标定方法,实现了双相机外参数标定。运用粒子群算法和LM算法相结合,加快了目标函数高维寻优速度。在测量笔标定环节,提出了一种基于最小二乘法的现场校准方法。标定系统完成了后期开展相关测量前的所有准备工作,具有较高的精度和实用性。在测量系统标定结果基础上对直径25 mm标准陶瓷球进行测量,测量结果标准差达到0.019 mm。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

结构光测量技术中的投影仪标定算法

详细介绍了投影机模型,并提出一种简单、高精度的投影仪参数标定算法,该算法将投影仪当作一个逆向的相机,使用一块带有圆形标志点的平面标定板对投影仪进行标定.标定过程中,使用两组不同方向的光栅图像建立投影仪图像和相机图像的对应关系,从而得到投影仪标定所需的图像数据,将投影仪标定转化为成熟的相机标定,然后使用相机标定算法对投影仪进行高精度标定.实验结果表明,所提议的投影仪标定算法操作过程简单,标定精度可达0.312 pixel.     

光电经纬仪姿态测量精度室内检测方法

为实现光电经纬仪等靶场光测姿态测量设备测量精度的室内测试和评价,介绍了光电经纬仪对空间轴对称目标的姿态交会测量的原理。利用检测架、平行光管、目标轮廓靶及光源室内模拟不同姿态角的无穷远目标。建立了利用目标特征点的方位角、俯仰角计算目标姿态角的精确数学模型。用高精度经纬仪对目标上的多个特征点进行测量,用最小二乘法按该数学模型对目标姿态进行拟合,得到模拟目标的姿态,经验证该方法的标定精度可达0.05°。以该标定结果为模拟目标姿态的真值,光电经纬仪对同一模拟目标姿态进行动态测量,将测量结果与真值进行比较,可确定光电经纬仪的姿态测量精度。     

精密角度基准下的多相机定位系统高精度标定

在视觉定位测量领域中的大尺寸测量、运动追踪、三维重建、视觉定位中,针对多相机定位系统中相机之间无公共视场或公共视场较小时系统标定困难、方法繁琐、精度低等问题,提出了一种基于精密二轴转台的多相机定位系统一体化标定方法。利用二轴转台提供角度基准,当转台一次转过所有相机视场时,各个相机依次拍摄标定图片,求解出各个相机内参以及各相机到转台的外参,利用转台坐标系中转计算相机之间的外参。整个标定过程由程序控制,实现了多相机系统采图标定的集成化、自动化,降低了标定工作量。分析了多相机定位系统的标定原理,并进行了实验验证。两相机内参重投影误差在0.17 pixel以内,系统定位精度在1 mm以内。结果表明,所提方法切实可行,精度较高,可操作性强,可应用于各种无公共视场或公共视场较小的多相机定位系统标定过程。     

基于视觉测量技术的控制力矩陀螺框架伺服系统标定研究

控制力矩陀螺作为航天器姿态控制的一个重要部分,对其输出力矩的速度及精度要求越来越高。目前,对于高精度的框架控制性能进行标定和验证,大都是依靠控制力矩陀螺自身角度位置传感器进行评价,精度存在一定的误差。针对这种情况,设计了一种独立于控制力矩陀螺的视觉测量标定方式。在力矩陀螺上安装6个测量靶标,靶标在相机成像平面上呈现出由离散点组成的圆弧,对标志点中心进行定位,获得高精度像元提取精度,进一步处理得到二维像点坐标,拟合出圆心和半径;根据相片上像点位置及时间信息,计算得出控制力矩陀螺在不同时刻的角速度。采用快速傅里叶变换对角度信息进行处理,得到频率和相应的幅值,根据幅值计算框架绝对稳定度及相对稳定度,最后对框架角速度控制精度和角速度稳定度进行分析。试验表明,角速度绝对稳定度不低于0.02,相对稳定度不低于0.7%,且随着角度的增大稳定度逐渐提高;角位置测量精度经过实验验证可以达到1″,满足控制力矩陀螺高精度标定要求。     

基于正弦相位编码的相机离焦标定

分析了光学系统离焦状态对基于正弦光栅的结构光相位的影响.基于正弦结构光相位与相机对焦状态无关的性质,提出了一种利用相移法正弦结构光编码显示面板对离焦相机进行标定的方法.使用Floyd-Steinberg Dithering算法消除了显示面板gamma变换带来的结构光相位计算误差.实现了相机在离焦状态下对标定物特征点的准确提取.标定结果重投影误差为0.17pixels.相机焦距的标定误差在0.39%以内.与传统方法相比提高了标定精度,为具有特殊成像范围的相机的标定提供了一种解决方案.