(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210589639.2 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 中国人民解 放军战略支援 部队信息 工程大学 地址 450001 河南省郑州市高新区科 学大 道62号 (72)发明人 张艳　王涛　张永生　于英　李磊　 李力　张磊　宋亮　谭熊　刘少聪　 赵祥　郑迎辉　 (74)专利代理 机构 郑州睿信知识产权代理有限 公司 41119 专利代理师 史萌杨 (51)Int.Cl. G06T 7/80(2017.01) G06V 10/40(2022.01)G06V 10/74(2022.01) G06F 17/12(2006.01) (54)发明名称 一种航空面阵摆扫式相机 定位和标定方法 (57)摘要 本发明属于航空遥感和无人机数据处理技 术领域， 具体涉及一种航空面阵摆扫式相机定位 和标定方法。 首先通过影像匹配建立任意两景有 重叠范围影像 之间的空间联系， 并将其空间旋转 和平移关系转换到航线空间坐标系下； 然后对四 焦点张量模型内的相邻两组影像建立四线性约 束关系， 以四焦点张量模型为独立平差单元， 计 算四焦点张量模 型内匹配成功点的物 点坐标； 最 后建立以四焦点张量模型为独立单元的光束法 平差代价函数， 进行以四焦点张量模 型为基础的 光束法平差和标定处理。 本发明可以建立稳健固 定的局部影像几何关系， 克服相机摆扫角越大， 影像几何畸变程度越大的缺陷； 以四焦点张量模 型为独立单元建立平差代价函数， 减少运算量， 提高平差收敛速度。 权利要求书4页 说明书11页 附图3页 CN 114972536 A 2022.08.30 CN 114972536 A 1.一种航空面阵摆扫式相机 定位和标定方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 1)获取航空面阵摆扫式相机影 像， 建立按照航线排列关系组织的影 像检索关系； 2)按照影像检索关系对获得的每景影像进行特征提取和特征匹配， 以找到每景影像和 所有存在重 叠关系影 像之间的成功匹配点； 3)针对每景影像， 建立考虑相机 畸变和标定参数的成像模型， 相应的物点和像点之间 几何关系为： x＝PX＝K[R|t]X 式中， P＝K[R|t]为摄像机矩阵， R为旋转矩阵， t为平移 向量， K为相机内参数矩阵； X为 物点位置； x为像点 位置； 4)设定相机内参数矩阵K为单位矩阵， 利用步骤2)中得到的成功匹配点， 计算存在重叠 关系的两张影 像间的旋转和平 移关系， 即影 像i和影像j之间的旋转矩阵Rij和平移向量tij； 5)以每条航线第一个摆扫周期第一景影像为参考， 定义航线空间坐标系， 并根据步骤 4)得到的影像i和影像j之间的旋转矩阵Rij和平移向量tij， 将全部影像的旋转矩阵转换到 航线空间坐标系下， 从而得到全部影 像在航线空间坐标系下的旋转矩阵初值； 6)获取多组四景影像， 一组四景影像分别为在某一扫摆角度 下航空面阵摆扫式相机 中 的两个相机拍摄的影像和另一扫摆角度下两个相机拍摄的影像， 根据全部影像在航线空间 坐标系下的旋转矩阵初值确定四景影像的摄像机矩阵， 进而建立相 应的四焦点张量模型， 并确定每 个四焦点张量模型中成功匹配点所对应的物点 坐标； 7)构建以四焦点张量模型为单元的平差代价函数， 利用控制点、 四焦点张量模型中成 功匹配点以及所对应的三维坐标进行平差处理， 更新每景影像的旋转矩阵R和平移向量t， 实现航空面阵摆扫式相机 定位， 并更新相机内参数矩阵K， 实现航空面阵摆扫式相机标定 。 2.根据权利要求1所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 步骤2) 中， 采用Sift特征提取算法来进行特征提取， 并利用RANSAC算法剔除特征匹配结果中存在 的粗差。 3.根据权利要求1所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 步骤3) 中， 相机内参数矩阵K为增 加了扭曲参数s的相机内参数矩阵： 式中， αx和αy分别为相机在x和y轴方 向的几何畸变参数； x0和y0分别为相机焦平面上的 主点位移参数。 4.根据权利要求1所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 步骤4) 中， 采用如下 方法确定影 像i和影像j之间的旋转矩阵Rij和平移向量tij： 4.1)利用至少5对 的成功匹配点对， 并结合核面约束条件， 求解得到本质矩阵E； 其中， 所述核面约束条件为： 其中， 所述p1和p2分别为影 像i和影像j上的一对成功匹配点对的坐标； 4.2)对本质矩阵E进行奇异值分解， 得到影像i和影像j之间的旋转矩阵Rij和平移向量权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114972536 A 2tij。 5.根据权利要求1所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 步骤4) 中， 影像i和影像j在航线空间坐标系下的旋转矩阵Ri和Rj之间的关系为： Rj＝RijRi。 6.根据权利要求1所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 步骤6)中 采用如下 方法建立相应的四焦点张量模型： 6.1)四景影像的摄像机矩阵分别为摄像机矩阵A、 摄像机矩阵B、 摄像机矩阵C、 摄像机 矩阵D， 设某一物点X在四景影像上存在一组对应点， 分别为像点x、 像点x ′、 像点x″、 像点 x″ ′， 定义四焦点张量 为： 式中， Qpqrs为四焦点张量的张量符号表示； ai为摄像机矩阵A的第i行； bq为摄像机矩阵B 的第q行； cr为摄像机矩阵C的第r行； ds为摄像机矩阵D的第s行； 6.2)由四景影 像间存在的投影关系， 推导得到四焦点张量的四线性约束关系； 所述四景影 像间存在的投影关系为： 式中， k、 k′、 k″和k″ ′均为不确定的比例常数； 所述四线性约束关系为： xix′jx″kx″ ′lεipwεjqxεkryεlszQpqrs＝0wxyz 式中， 下标w、 x、 y和z为自由变量； εipw、 εjqx、 εkry和 εlsz为不同向量之间的向量积； 6.3)基于步骤5)中影像在航线空间坐标系下的旋转矩阵初值和位置信息初值， 确定摄 像机矩阵A、 摄 像机矩阵B、 摄 像机矩阵C和摄 像机矩阵D， 以建立四焦点张量模型。 7.根据权利要求6所述的航空面阵摆扫式相机定位和标定方法， 其特征在于， 采用如下 方法确定每 个四焦点张量模型中成功匹配点所对应的物点 坐标： 6.4)获得物点X和每 个像点x、 x′、 x″、 x″ ′存在的投影关系： 6.5)设像点x的平面坐标为(x,y)， 像点x ′的平面坐标为(x ′,y′)， 像点x″的平面坐标为 (x″,y″)， 像点x″ ′的平面坐标为(x ″ ′,y″ ′)， 对于步骤6.4)中的每个方程， 通过叉乘消去齐 次标量因子， 使得步骤6.4)中的每一个方程均得到三个方程， 从而得到十二个方程， 分别权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114972536 A 3