文献综述

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前言

近年来,除测绘领域之外,其他行业如机械制造、建筑、医学等,对近景摄影测量技术的需求也越来越大,传统的量测相机显然已经无法满足其要求,而越来越普及的非量测相机正好可以填补这个空缺,利用非量测相机进行摄影测量具有非常远大的应用前景。非量测相机在影像获取方面具有使用简单方便、价格合理，作业效率高、适应性强等优点，但是非量测相机的主距f和像主点在像平面坐标系中的坐标(x0,y0)都是未知的,并且非量测相机存在较大的镜头畸变,因此必须先对其进行检校,然后才能进行后续的像点量测和数据处理。

所谓的相机检校是指借助于像平面上一些点在物方坐标系中的坐标，确定照相机的内、外参数，得到有效的成像模型，以达到在像平面上像素点与三维空间中的点之间建立映射的目的。广义上讲，近景摄影机检校的内容包括：

1.主点位置(x0,y0)与主距(f)的测定;

2.光学畸变系数的测定;

3.压平装置以及像框坐标系的设定;

4.调焦后主距变化的测定与设定;

5.调焦后畸变差变化的测定;

6.摄影机偏心常数的测定;

7.立体摄影机(及立体视觉系统)内方位元素与外方位元素的测定;

8.多台摄影机同步精度的测定。

对于一般相机检校任务，我们主要测定相机的内方位元素（x0,y0,f）和镜头畸变差参数（k1,k2,p1,p2），其主要的检校方法大体可以分为：光学实验室检校(Optical Laboratory Calibration)法；实验场检校(Test Range Calibration)法；作业检校(On the Job Calibration)法；自检校(Self Calibration)法；恒星检校(Stellar Calibration)法。

其中，适用于非量测相机检校的作业检校法是一种在完成某个近景测量任务中同时对相机进行检校的方法。此方法依据物方空间分布合理的一群高质量控制点,在解求待定点物方空间坐标的任务中,同时解求像片内外方位元素、物镜畸变系数。基于直接线性变换（DLT）的相机检校法,也属作业检校法的一种。

直接线性变换(direct linear t ransformation ,简称DL T) 是建立像点坐标和物点坐标直接线性关系的算法。处理时不需要相机内外方位元素的初始值,因而在近景摄影测量中被广泛应用。目前市场上，利用DLT方法进行相机检校的算法,多是在有3维控制信息的情况下,采

用3维DLT方法进行检校较多,而采用2维DLT方法的较少。利用3维控制场进行相机检校,程序虽简单,但高精度3维控制场的建立比较困难。廉价数码相机的广泛应用,促使简便、高精度的检校方法成为近年来研究的主要方向。随着摄影测量和计算机视觉理论的发展,许多学者对相机检校技术进行了深入的研究,检校用的控制场也由3维向2维转变。基于2维DLT相机标定算法的研究已成为近几年相机标定研究的热点。

主题

为了进行基于2维DLT相机标定算法的研究，我搜集并阅读了大量相关的文献资料，现将文献资料按所用标定方法的不同综述如下：

1.传统相机标定法

该方法需要使用尺寸已知的标定物，通过建立标定物上坐标已知的点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。自从Abdal-Aziz和Karara于20世纪70年代初提出DLT直接线性变换算法以来，后人在其基础上加入了畸变模型同时充分利用线性方程进行计算．减少了算法复杂度，提高运算效率，同时又能较好保证精度，已经成为市场上的比较成熟的一种传统相机算法。

根据标定物的不同可分为三维标定物和平面型标定物。三维标定物可由单幅图像进行标定，标定精度较高，但高精密三维标定物的加工和维护较困难。平面型定标物比三维标定物制作简单，精度易保证，因而对基于2维DLT的相机标定的研究更加多一些。

靳志光等人在《非量测数码相机标定方法研究》中以PI-Calib 软件内置的二维校正图表作为二维标定物，以2维DLT作为理论基础来进行非量测相机的标定。这种方法操作方便，但是精度不高，整个实验过程的控制也比较粗糙。随后，他又在《基于LCD的相机标定新方法中》，将标定物改为液晶显示器（LCD），在一定程度上提高了标定物的精度，也便于物方坐标的量测。

夏仁波等人在《基于圆形标志点的全自动相机标定方法》中，在传统圆形标志点模板的基础上增设了5个方位圆并提出了新标定板

下图像特征点的自动检测和匹配算法，避免了标定过程的人工干预。

詹总谦等人提出的基于LCD平面格网和有限元内插模型的相机标定法，以常见的纯液晶显示器和精确的格网圆点绘制程序代替一般的高精度平面装置，像点畸变差由格网角点畸变差通过有限元法内插得到。这种方法的精度高于一般的基于畸变参数差的标定方法。

其他的各种基于2维DLT的相机标定方法，均是在各种细枝末节上的改进，大同小异。

具体到2维相机标定算法研究，刘超等人提出了一种简便易行的基于平面控制格网的相机标定算法，探讨了内方位元素初值的确定方法并利用二维直接线性变换(2D-DLT)和共线方程分解出相机的外方位元素初值，引入了基于共面方程的约束条件,建立了基于附加约束条件的自检校光束法平差用于相机的精确标定。

2．相机的自标定法

目前出现的自标定算法中主要是利用场景约束或者利用相机运动约束。相机的运动约束条件太强，因此使得其在实际中并不实用。利用场景约束主要是利用场景中的—些平行或者正交的信息。其中空间平行线在相机图像平面上的交点被称为消失点，它是射影几何中—个非常重要的特征，所以很多学者研究了基于消失点的相机自标定方法。

所谓的基于消失点的自标定方法是指，找到3个正交方向的消失点，利用三个消失点与像主点的关系解算相机内参数。但这种方法要求场景中存在3组正交的平行线，在实际中难以满足，实用性不强。

故韩秀丽等人提出了一种基于二消失点的相机自标定方法。

3．基于主动视觉的相机标定法

该方法不需要标定物，但需要控制相机做某些特殊运动，利用这种运动的特殊性可以计算出相机的内部参数。如HartleyI“提出了一种使相机作纯旋转运动来对相机进行标定的方法。基于主动视觉的相机标定法的优点是算法简单，往往能够获得线性解，故鲁棒性较高，缺点是系统的成本高，实验设备昂贵，实验条件要求高，而且不适合于运动参数未知或无法控制的场合。

总结

相机检校是摄影测量必不可少的前提和步骤，对相机检校的研究意义十分重大。而基于2维DLT的相机标定算法则是传统相机标定的基础，但是目前的学者都把侧重点放到标定的实验过程上，改善提高实验的条件以提高标定精度，忽略了对算法本身的研究和改善。此次的毕业论文，我将从2维DLT算法本身出发，利用MATLAB实现非量测相机的标定。

参考文献：

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[3]靳志光.卫建东.卢成静.非量测数码相机标定方法研究《期刊论文》—测绘技术装备

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[4]靳志光.卫建东.张冠宇.蒲亭汀.基于LCD的相机标定新方法.2008(1)

[5]韩秀丽.毋立芳.郭江.杨鹏.基于二消失点的相机标定方法《期刊论文》—信号处理2007