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精密测角法的线阵CCD相机几何参数实验室标定方法

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第1 5卷第1O期 光 学精密工程 0ptics and Precision Engineering Vo1.15 No.10 0ct.2007 2007年1O月 文章编号1004—924X(2007)10-1628—05 精密测角法的线阵CCD相机几何 参数实验室标定方法 吴国栋,韩 冰,何 煦 (中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033) 摘要:建立了线阵CCD相机几何参数标定系统,对该标定方案所用的设备、实验条件、基于精密测角法的算法和精度进 行研究。根据标定精度要求,确定了实验室主要测试设备和环境条件。利用高精度二维转台和CCD细分技术测得被标 定系统的一系列视场角和对应像高。最后,利用建立的数学模型,应用最小二乘回归的方法,求得相机几何参数。误差 分析结果表明:该方法对主距主点的标定精度可以达到btm级,相对畸变的标定精度可以优于1×10_。。该方法可以满 足线阵相机的高精度几何标定要求,具有较高的实际应用价值。 关键词:线阵;CCD相机;几何参数 标定;角度测量 文献标识码:A ’ 中图分类号:V447.3 Calibration of geometric parameters of line-array CCD camera based Oil exact measuring angle in lab WU Guo—dong,HAN Bing,HE Xu Fine Mechanics and Physics,Chinese (Changchun Institute of Optics, Changchun 130033,China) Academy of Sciences, Abstract:A calibration system for geometric calibration of line-array CCD camera is established.The equipment,environment,algorithm based on exact measuring angle and calibration precision are inves— tigated.According to the requirement of calibration precision,equipment and environment are con— firmed.The field angles and image heights are tested by combining high-accuracy two—dimension turn— table with CCD subdivision measurement.Finally,the geometric parameters of the camera are calcu— lated by a least square regression analysis.The analysis results show that the calibration precision of principal distance and principal point have reached micron level and the calibration precision of relative distortion is smaller than 1×10一 .This method can meet the requirements of high precision calibra— tion of line—array CCD and has higher practical application value. Key words:line-array;CCD camera;geometric parameter;calibration;angle measurement 收稿日期:2007—06-06;修订日期:2007—07—13. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60575025) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第10期 吴国栋,等:精密测角法的线阵CCD相机几何参数实验室标定方法 引 言 线阵CCD相机是随着CCD器件问世而逐渐 发展起来的。三线阵CCD相机由前视、正视和后 视三个相机组成,其瞬间获取的三线阵影像在几 何上等同于相同参数的框幅相片上的三条影像, 使其在无地面控制点的摄影测量中具有重要价 值 ],同时具有测绘精度高,范围大和测绘实时动 态等特点 剖,目前在测绘、军事、医疗、通讯等众 多领域都得到了广泛应用。 要想实现高精度测绘,在实验室精确标定出 线阵相机主点、主距和畸变等的各个参数是一个 首要条件。如在德国柏林空间中心利用DLR系 统对航空数字相机ADS40进行标定 ],在瑞士 LH实验室利用CVG设备对航空数字相机 ADS40进行标定[5 63,在德国柏林空间中心利用 标定设备对MOSM一2p[7 s]标定,以及在日本东京 对TLS航空相机的标定 ]。本文从测角原理出 发,提出了实验场地和设备要求,给出了数据处理 方法,并对该方法的精度进行了分析,通过分析, 证明了该方法用于线阵CCD相机的几何参数标 定的可行性。 2 实验室标定内容 线阵相机在地面实验室标定时,对于透射式 光学系统,由于空气的折射率( 一1.000 297)和 真空的折射率( 一1.000 ooo)的不同,相机的几 何参数会有变化,在地面标定时,需要模拟真空中 的环境。如果在地面建立真空装置,价钱十分昂 贵,在真空装置中检测几何参数也十分困难,因 此,在地面标定时需要使用专门设计的校正镜加 装到被测系统前模拟真空中的使用情况。另外, 此标定方法要应用内插细分技术,而线阵CCD在 垂直线阵 。方向只有一个像元,无法进行内插细 分,所以该方法不适用于主点坐标 。的确定,因 此,像主点的坐标取为像元中心。 线阵CCD相机的实验室标定内容很多,本文 主要研究以下内容: (1)相机主距(,)的标定,标定精度≤10 tLm; (2)相机沿线阵方向主点( 。)的标定,标定 精度≤O.2 pixel; (3)相机的畸变(D )的测定,标定精度≤1× 1O_。。 2.1实验室和配套设备要求 线阵CCD相机要想达到高精度标定,亚秒级 高精度的测角设备、高质量平行光管和环境良好 的实验室是必不可少的条件。 (1)二维转台 转台定位精度:方位误差≤0.5 (极限误 差),俯仰误差≤0.5”(极限误差);转台工作范 围:方位360。,俯仰360。;工作台载荷(有效):≥ 300 kg。 (2)大口径平行光管 主镜材料采用德国肖特微晶玻璃,光管焦距 .厂一7 500 mm,主镜面形精度:0.0252(rms,@633 nm),0.17,t(PV,@633 nm)。 (3)气浮隔振平台 平台系统固有频率 ≤2 Hz,2~100 Hz范 围台面振动速度振幅频域V 。≤10 fLm/s,平行光 管和二维转台放置在同一个气浮平台上。 此外还要建立恒温(温度范围18±2。C,4 h 温度变化<O.5℃)超净(10万级超净间)实验室, 为避免外界影响,整个平台要封闭,设备操作间与 设备隔离,编制专用测试软件完成自动测试标定。 2.2标定过程 根据测角法的原理,标定装置原理图如图1 所示。 图1 相机标定装置原理图 Fig.1 Principle of camera calibration device 将自准直光管和高精度二维转台安放到气 维普资讯 http://www.cqvip.com 光学精密工程 各视场径向畸变: 第15卷 浮光学平台上,利用0.2水平仪将二维转台调平 到0.5以内,利用0.5徕佧经纬仪和标准平面镜, 采用自准直的方法将光管调水平,将相机安装到 高精度转台上,采用正倒镜测量的办法,利用事先 制作的相机与转台的接口工装调整好相机相对转 D 一 一Y 一( +f・tan ). (6) 该方法的计算结果能保证求得的系统主点主 距,使该系统视场范围内的畸变均方和最小,最有 利于测绘精度的提高。 台位置,使相机光轴垂直于转台水平轴,在光管焦 面加装带有分划板的自准直目镜,通过光学方法 3标定方法的误差分析 使线阵在光管焦面成像,按方位方向转动转台观 察CCD边界是否扫过分划板刻线上一点,通过调 整使CCD线阵方向与转台方位转动方向平行,并 保证星点的亮度和光谱范围合适,每隔一定角度 使星点在CCD靶面成像,记录星点坐标和转台转 角。其中,像点坐标利用对CCD线阵方向成像的 灰度值进行内插细分口。 求出,实现亚像元精度测 量,经过多次测量,使像点坐标测量精度标准差达 到1/20 pixel[¨]。转角值由转台电控系统和计算 机采集,转角测量精度极限误差d0.5”。使用上 述的一系列测量数据,利用最小二乘回归法[1引, 可以求得相机的主距、主点和径向畸变。 2.3主点主距和畸变的计算方法 基于上述 组测量数据Y 和 ,利用最小二 乘多元回归的方法,使用公式 Yf—Y0+厂・tan i, (1) 式中,Y 为不同物方视场角下像点位置坐标;Y。 为主点位置坐标;f为相机主距; 为不同物方 视场角。 误差方程为: =Y 一( +f・tan f) ( 一1,2,…, ). (2) 由正规化方程组: . Yo+(∑tan )・f--∑Yi 【(∑tan o,)・∞+(∑tan2o,)・厂一∑(Yl・tan雠), (3) 求解正规方程组得到主点、主距的最佳估计值: 主距: ・, ∑( ・tan )一∑tan ∑ ・∑tan。 一(∑tan )。 ’ (4) 主点: 一[∑Y 一(∑tan )・f]/n,(5) 误差分析方法很多,这里采用微分法L1 对 标定误差进行分析。 3.1主要的误差源 (1)二维转台测角误差 由于二维转台转角极限误差可以达到A === 0.5”,取均匀分布,标准差为 ===0.5” 一0.29” 一1.405×10一。 (2)CCD细分误差 星点像位置坐标精度主要由CCD细分精度 决定,CCD经灰度内插细分后测量精度可达1/20 pixel(像元尺寸6.5 tLm),d 一6.5/20—0.325 tLm。 (3)温度、振动、气流的影响 在标定中要对温度、振动和气流等环境因素 进行控制,采取建立恒温室、气浮隔振平台等措 施,避免环境影响。 3.2误差计算 在主距误差分析中,主距的测量结果与所有 星点像位置坐标及物方视场角有关,每一次对星 点像位置坐标测量及物方视场角的测量都会对主 距的测量精度产生影响,所以在主距的误差分析 中应同时计算。我们认为测量中位置坐标及物方 视场角测量标准差是不变的。 应用公式(4),求得主距标准差 ,: O'f一√∑(筹 ;+∑( .(7) 在主点误差分析中,主点的测量结果和所有 星点位置坐标及物方视场角有关,每一次的星点 位置坐标测量及物方视场角的测量都会对主距的 测量精度产生影响,同时还要考虑主距测量精度 对主点测量结果的影响,这些在主点的误差分析 中都应同时计算。 应用公式(5),求得主点标准差 : 维普资讯 http://www.cqvip.com 第10期 吴国栋,等:精密测角法的线阵CCD相机几何参数实验室标定方法 1631 —3 yo 2—y表I相机标定精度计算结果 2 ̄-"3—o 2 2  ̄ 一Tab.1 Data of calibration accuracy for camera (8) 在畸变误差分析中,畸变的测量结果和相应 Focal length(mm) 21.65 8O 175 6O 星点位置坐标及物方视场角有关,同时还要考虑 Field of view(。) 8O 74 12 61.5 主距、主点测量精度对畸变测量结果的影响,在畸 CCD-line(pixe1) 5 184 12 OOO 5 184 10 200 变的误差分析中上述4项应同时考虑。 Pixel size(“m) 7.O 1O.O 7.O 7.O 应用公式(6)求得各视场绝对畸变标准差 Principal distance calibration accuracy(“m) O.46 O.68 4.48 0.69 Di: Principal point calibration O.22 O.33 O.29 O.24 _√c +c +c +c筹 accuracy(“m) Re1 tiV distortion ca 1ib 一O.27 O.12 O.33 O.16 …、tion accuracy(1×10一 ) .(9) 相对畸变为:一IJi(取 为半线视场尺寸) .y 4 结 论 3.3误差分析结果 本文以不同参数的相机 为例,主距、主点 根据分析结果可以看出,该标定方法和数据 和相对畸变的标定精度的计算结果见表1: 处理方法可以使主点主距标定精度达到 m量 从以上分析计算结果来看,对于视场角较大 级,径向畸变的标定精度优于1×lO。上述分 的系统,主距主点的标定精度可以达到1 m,对 析选用了1O组测试数据,如果有更高的要求,增 于视场角较小的系统,主距主点的标定精度可以 加采样点还可以提高测量精度。该装置还可以进 达到5肚m,相对畸变测量精度优于1×10一。该 行多线阵相机问的交会角、视轴平行性以及线阵 精度可以满足航空航天测绘要求。 CCD问平行性的检测。 参考文献: Eli 胡燕,胡莘,王新义,等.偏流角对星载三线阵相机摄影的影响[J].测绘科学,2006,31(4):62—63. 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WANG J T,wU CH D.Introduction of some foreign spaeeborne optical remote sensing[J].Spacecrait Kecovery &Remote Sensing,2002,23(2):15—2O.(in Chinese) 作者简介:吴国栋(1965一),男,辽宁阜新人,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员,主要研究方向为 光学遥感器像质评价及测绘相机的几何标定技术研究。E-mail:wuguodong586@163.eom 

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