Camera calibration of image total station by single-target rotatry photography
-
摘要: 为了实现图像全站仪望远镜相机和广角相机的高精度标定, 采用单目标旋转摄影法推导了旋转摄影模式下图像全站仪的相机标定模型, 并对模型参数展开相关性分析, 针对其中存在的参数耦合问题, 提出了双盘观测法进行参数解耦; 对单目标旋转摄影方法的可行性进行了实验验证, 取得了图像全站仪望远镜相机和广角相机的高精度标定结果。结果表明, 标定得到的相机参数可用于不同摄影距离的图像测量, 望远镜相机标定点重投影误差平均为1.0 pixel, 对应图像角分辨率达2.0″; 望远镜相机定焦摄影时标定点重投影误差平均为0.15 pixel, 对应图像角分辨率达0.3″; 广角相机标定点重投影误差平均为0.6 pixel, 对应图像角分辨率达13.3″。该研究对提高图像全站仪的图像测量精度及拓展其相关应用有一定参考意义。Abstract: In order to achieve high-precision camera calibration of the image total station telescope camera and a wide-angle camera, a camera calibration model for the image total station in rotary photography mode was derived using a single target rotary photography method, and the correlation analysis of model parameters was performed. Aiming at the parameter coupling problem, a double-face observation method was proposed for parameter decoupling. The feasibility of the single target rotary photography method was experimentally verified, and high-precision calibration results of the image total station telescope camera and the wide-angle camera were obtained. The results show that the camera parameters obtained from calibration can be used for image measurement at different photographic distances, with an average reprojection error of 1.0 pixel at the calibration points of the telescope camera, and the corresponding image angular resolution is 2.0″. The average reprojection error at the calibration point during fixed focus photography with a telescope camera is 0.15 pixel, and the corresponding image angular resolution is 0.3″. The average reprojection error at the calibration point of a wide-angle camera is 0.6 pixel, and the corresponding image angular resolution is 13.3″. This research has certain reference significance for improving the image measurement accuracy of the image total station and expanding its related applications.
-
0. 引言
激光辐照气流环境中典型金属材料的热力学响应是激光加工等应用领域关心的热点和关键问题[1-4],铝合金是工业领域常用材料,研究获得其热响应和熔穿特性,对激光切割、打孔等实际应用具有重要指导意义和价值[5-7]。
在激光辐照材料过程中,材料响应与激光体制参数、材料热物理性质、激光与材料耦合特性、辐照区域内材料所处气流等环境息息相关[8-11]。当发生激光烧蚀材料相变后,金属的相变熔融物会阻碍激光向金属材料内部辐照,将熔融物从熔池中排出需要消耗部分激光能量,导致激光烧蚀清除效率低[12-14]。国外从20世纪70年代已开始从理论上研究切向气流对激光作用下材料清除时间的影响,近年来,国内外在实验和理论方面已有较多气流速度、气流组分等作用金属、复合材料靶的研究,结果表明,当切向气流作用于靶表面时,由于对流换热和切向气流对熔蚀物的清除作用,材料热响应和清除特性与自然对流环境下相比存在显著差异[8, 12, 15-16]。甚至当激光加热使靶材发生软化时,气流引起的前后表面压力差导致的剪切应力可在远低于熔点的情况下实现材料清除[17-18]。虽然理论、实验已有较多关于气流环境下激光辐照研究,但仍以定性的结果和规律认识为主。应用中如何高效、定量地获得材料清除效果,仍需要发展满足物理需求的数值模拟方法。
本文作者构建了考虑主要物理机制的气流和激光联合作用材料热学响应物理模型,同时为量化比较对流换热和清除熔蚀物二者在激光辐照材料中的作用,以铝合金为例,计算获得侧向气流条件不同激光功率密度下铝合金板的烧蚀清除规律,相关工作对铝合金板加工参数选择具有一定参考价值。
1. 数值计算模型
1.1 物理模型
气流环境下激光辐照材料是一个复杂的多物理场强耦合物理过程,存在气流换热、热-力耦合等多种物理效应,激光加载的能量、气流流动引起对流换热导致的能量损失以及材料烧蚀导致能量交换将共同决定靶材内部温度的分布,需要建立相应的物理模型[19-21]。对于激光加载和能量耦合过程,鉴于不透明金属材料对激光吸收深度小,通常约10 nm量级,计算中激光加载能量作为面热源处理,在材料区域内,热传导方程的数学描述为:
ρc∂T∂t=∇⋅(κ∇T)+Qr (1) 式中:ρ为壳材料密度;c为壳材料比热容;T为材料温度;t为时间;∇为矢量微分算符;κ为材料导热系数;Qr为材料相变和氧化反应热源项。
激光加载区域边界条件为:
(κ∂T∂z)+qc+qr=q1 (2) 式中:z为靶厚度;qc为对流换热热流;qr为辐射换热热流;ql为材料表面吸收的激光热流。
加载对流边界换热热流可表示为:
qc=hc(T−T0) (3) 式中:hc对流换热系数;T0为表面气流温度。
辐射换热热流为:
qr=σε(T4−T04) (4) 式中:σ为Stefan-Boltzmann常数;ε为表面发射率。
假定靶温度1000 K,辐射换热热流功率密度约1 W/cm2量级,相对于对流和加载激光功率密度较小,计算中可忽略。激光辐照下金属表面高温物质脱落,激光束直接辐照下一层材料,使得辐照热效应增强。为了模拟这种熔蚀效应,将受激光辐照的最外层未剥离表面定义为熔迹面。热软化物质剥离采用温度准则判据,即达到某高温状态热软化材料被气流剥离[19, 21]。采用“单元生死法”计算边界的移动和热传导,当某一离散单元的温度超过熔化温度或气化温度,定义该单元不再参与计算,对应加载边界施加到新的单元上,整个过程不可逆。
1.2 模型参数及实验验证
通过计算结果与实验结果比较校验计算模型,模型校验用算例参数和数据编号见表 1。表中自然对流下实验结果case 1和case 2参数引自参考文献[16]。自然对流下激光辐照实验靶板温升模拟结果见图 1a,亚声速气流条件下实验的模拟结果见图 1b。图中,R为到靶板中心点距离。模拟计算的case 1和shot 1靶背面不同位置温升与实验结果符合较好,计算结果显示靶板未发生熔穿,靶板升温和辐照结束后自然冷却过程均与实验结果一致;实验测得的case 2和shot 2靶板熔穿时间Δt分别为6.5 s和6.0 s,采用计算铝板靶背面中心点温升获得靶板熔穿时间,模型计算的case 2和shot 2的熔穿时间分别为7.0 s和5.6 s,计算结果与实验结基本一致。通过温升曲线和熔穿时间比较,新建模型可较好地模拟激光辐照靶板的温度和熔穿过程。
表 1 模型校验用算例参数Table 1. Parameters of simulation case for model verificationnumber power density/(W·cm-2) irradiation time/s material material dimension/mm flow velocity/(m·s-1) case 1 1190 10 LY12 ∅30×2 0 case 2 1190 10 LY12 ∅30×1 0 shot 1 800 10 LY12 100×100×3 120 shot 2 1400 10 LY12 100×100×3 120 2. 结果与分析
为充分分析气流环境对清除或气化规律的影响,分别开展了气流条件和无气流条件下2种典型工况的计算分析:有气流环境采用切向速率240 m/s、静温20 ℃的无穷远处均匀空气来流,根据经验公式对流换热系数取0.06 W/(cm2·K),以熔化温度作为穿孔(或单元删除)判据;无气流条件下以气化温度作为穿孔(或单元删除)判据计算,利用新建数值计算模型对激光辐照薄板厚度d =3 mm和厚板d =7 mm工况分别开展了熔穿规律数值模拟研究。计算中激光参数采用峰值功率密度I0分别取500 W/cm2、1000 W/cm2、1500 W/cm2、2000 W/cm2,光斑采用高斯分布;靶板采用LY12铝,几何模型厚度分别为3 mm和7 mm圆板,激光辐照在中心区域。
气流条件下厚度为3 mm靶板温度演化见图 2。加载激光峰值功率密度为500 W/cm2时,背面温度沿径向方向逐渐减低,背面靶板最高温度450 ℃,尚未达到铝的融化温度;当激光停止后,靶板在气体对流换热作用下,温度逐渐降低。计算获得不同峰值功率密度激光辐照靶板背面中心点的温度演化见图 2b。随着激光功率密度提高,靶温升率逐渐提高,其中在峰值功率密度1000 W/cm2时,辐照6.2 s后靶板熔穿;在峰值功率密度1500 W/cm2时,辐照3.4 s后靶板熔穿;在峰值功率密度2000 W/cm2时,辐照2.4 s后靶板熔穿。
气流条件下厚度为7 mm靶板温度演化见图 3。当激光峰值功率密度为2000 W/cm2时,靶板背面不同位置温度变化过程见图 3a,由于结构较厚,时间较长时,在距中心15 cm远位置也出现温升。当激光停止后,靶板在气体对流换热作用下,温度逐渐降低。激光功率密度为2000 W/cm2时板熔穿时间6.8 s。计算获得不同峰值功率密度激光辐照靶板背面中心点的温度演化见图 3b。随着激光功率密度提高,靶温升率逐渐提高,只有在峰值功率密度为2000 W/cm2时,辐照6.8 s后靶板熔穿;由于靶板较厚,在辐照10 s情况下其它较小加载功率密度均未造成熔穿。
在无气流条件、无重力等移除熔蚀物的作用情况下,计算获得的不同功率密度时3 mm厚度铝板背面中心点温度见图 4a,激光辐照的能量全部用于加热靶板,无质量迁移力,此时只有在铝板温度达到铝的气化温度后才能穿孔,计算结果显示,即使在功率密度为2000 W/cm2的高斯光束、辐照时间10 s,仍无法烧穿3 mm厚铝板;同样加载激光参数、靶参数情况,当施加质量迁移力,假定熔化后即将熔化层移除,此时3 mm厚度铝板背面中心点温升见图 4b,在功率密度1000 W/cm2~2000 W/cm2情况均出现熔穿。在不考虑气动加热等额外热源情况下,此时计算的熔穿时间即为该工况条件下的最快熔穿时间。
计算的气流和理想清除力情况下熔穿时间、功率密度参数的关系见图 5。图中,Δt为熔穿时间,A为材料表面吸收率。随着功率密度增加,熔穿时间急剧减小。与参考文献[17]中热平衡积分方法计算获得的气化烧蚀穿透模型结果比较,穿孔时间变化规律符合较好;但定量上由于二者物理模型存在差异,无法直接比较。本文中计算模型中光斑采用高斯分布模型,在考虑了侧向气流对流换热影响,与参考文献[17]中假定均匀光场定态气化假设不同,所以气流工况在低功率密度加载或厚板情况下与文献近似计算结果存在一定偏离;对于薄板、大功率密度加载情况下,对流换热作用时间短,与热平衡积分方法假设的条件更接近,并且本文中算例采用的光斑尺寸较大,在辐照区域内接近1维热扩散,所以参考文献中的理论与数值计算结果更接近。从穿孔时间可以看出,在功率密度较高区域各工况之间的差异小,功率密度较低区域各条件之间差异较大。分析认为,计算中声速固定时,对流换热系数则采用固定值,随着功率密度增加,对流换热的影响比例逐渐较降低。所以,在激光功率密度较小(500 W/cm2附近)时,近似计算或评估中建议不要忽略气流对流换热的影响;在激光功率密度较高(1500 W/cm2以上)时,气流对流换热的影响较小。
3. 结论
构建了考虑热传导、对流换热、熔化烧蚀等主要物理机制的气流和激光联合作用材料热学响应物理模型,获得气流环境下不同激光功率密度时铝合金板的热响应和烧蚀熔穿规律。高斯分布光束的出光峰值功率密度为1000 W/cm2、1500 W/cm2和2000 W/cm2时,3 mm厚铝板熔穿时间分别为6.2 s、3.4 s和2.4 s。随着功率密度增加,熔穿时间急剧减小,并且计算结果与参考文献中热平衡积分方法气化烧蚀穿透模型结果规律一致。与文献中假定均匀光场定态气化假设不同,本文中计算模型考虑了侧向气流对流换热影响,可实时更新温度扩散,数值模型与实际物理过程更接近。从穿孔时间可以看出,在功率密度较高区域各工况之间的差异小,功率密度较低区域各条件之间差异较大,在激光功率密度较小(500 W/cm2附近)时,近似计算或评估中建议不要忽略气流对流换热的影响;在激光功率密度较高(1500 W/cm2以上)时,气流对流换热的影响较小。由于气流环境下激光与金属相互作用包含复杂的传热、流动、化学反应以及金属材料的软化、脱落等力学过程,其综合作用机制还有待进一步研究。
-
表 1 望远镜相机单距离观测标定解算
Table 1 Calibration solution of telescope camera for single distance observation
face s/m u0/pixel v0/pixel fx /pixel fy /pixel γ /(″) mr/pixel 0 8.11 962.47 1280.89 105588.46 105588.45 487.45 0.12 1 8.11 958.52 1279.37 105565.96 105592.29 491.36 0.10 0 12.27 962.05 1281.44 105484.74 105526.00 490.01 0.10 1 12.27 961.19 1280.47 105492.32 105529.98 478.04 0.12 0 15.83 962.02 1281.02 105512.10 105550.65 492.63 0.08 1 15.83 958.84 1278.62 105512.43 105542.27 477.48 0.07 0 19.85 962.37 1283.05 105522.13 105499.94 461.41 0.37 1 19.85 959.45 1279.93 105501.19 105508.14 489.65 0.14 0 23.93 960.35 1283.33 105465.85 105487.35 481.27 0.12 1 23.93 961.68 1280.78 105471.87 105584.78 522.80 0.18 0 29.70 961.57 1283.24 105462.67 105444.87 475.50 0.26 1 29.70 958.84 1277.76 105447.33 105467.91 450.16 0.19 表 2 望远镜相机多距离观测标定解算
Table 2 Calibration solution of telescope camera for multiple distance observation
face u0/pixel v0/pixel fx/pixel fy/pixel α/(″) β/(″) γ/(″) x0/mm y0/mm z0/mm k1/10-10 mr/pixel 0 960.63 1282.91 105392.33 105382.56 -6.30 2.30 496.28 0.16 -0.15 -15.77 -3.13 0.88 1 959.46 1279.69 105412.70 105452.90 -6.30 2.30 493.64 0.01 -0.01 -12.13 -4.76 1.15 表 3 广角相机单距离观测标定解算
Table 3 Calibration solution of wide-angle camera for single distance observation
face s/m u0/pixel v0/pixel fx/pixel fy/pixel γ/(″) mr/pixel 0 8.11 1033.24 1267.07 9438.46 9433.63 -64.21 0.91 1 8.11 1030.93 1265.02 9439.43 9434.14 -71.99 0.86 0 12.27 1009.08 1273.66 9414.37 9409.81 -37.40 0.92 1 12.27 1007.02 1271.27 9414.72 9410.60 -46.64 0.88 0 15.83 998.50 1276.43 9407.02 9402.95 -46.28 0.76 1 15.83 996.38 1273.87 9405.88 9401.83 -52.03 0.80 0 19.85 991.33 1278.15 9405.75 9402.92 -55.70 0.57 1 19.85 989.26 1276.18 9407.07 9401.63 -51.05 0.61 0 23.93 986.43 1279.06 9412.55 9411.97 -15.19 0.61 1 23.93 984.45 1277.25 9409.08 9406.26 -49.37 0.47 0 29.70 981.64 1280.41 9396.30 9401.08 -19.98 0.80 1 29.70 979.66 1278.31 9400.80 9401.36 -41.03 0.48 表 4 广角相机多距离观测标定解算
Table 4 Calibration solution of wide-angle camera for single distance observation
face u0/pixel v0/pixel fx/pixel fy/pixel α/(″) β/(″) γ/(″) x0/mm y0/mm z0/mm k1/10-9 k2/10-15 mr/pixel 0 962.48 1285.71 9380.27 9379.64 -50.16 40.97 -45.15 60.58 -15.88 -48.09 3.33 -3.26 0.61 1 960.61 1283.43 9384.54 9383.22 -50.16 40.97 -50.53 60.22 -15.88 -45.34 2.32 -2.32 0.58 -
[1] WAGNER A. A new approach for geo-monitoring using modern total stations and RGB + D images[J]. Measurement, 2016, 82: 64-74. DOI: 10.1016/j.measurement.2015.12.025
[2] YANG D L, ZOU J G. Precise levelling in crossing river over 5 km using total station and GNSS[J]. Scientific Reports, 2021, 11(1): 1-12. DOI: 10.1038/s41598-020-79139-8
[3] ZHOU J G, LUO Ch, JIANG W W, et al. Using UAVs and robotic total stations in determining height differences when crossing obstacles[J]. Measurement, 2022, 188: 110372. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.110372
[4] CHENG Z J, WANG H G, HAN L Y, et al. An improved total station measurement method for the georeferenced orientation of self-propelled artillery barrel[J]. Measurement, 2022, 198: 111376. DOI: 10.1016/j.measurement.2022.111376
[5] WANGER A. New geodetic monitoring approaches using image assisted total station [D]. Munich, Germany: Technical University of Munich, 2017: 5-21.
[6] 时春霖, 叶凯, 张超, 等. 视频测量机器人在野外天文测量中的应用[J]. 测绘科学技术学报, 2018, 35(2): 153-158. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JFJC201802009.htm SHI Ch L, YE K, ZHANG Ch, et al. Application of video measuring robot in field astronomical survey[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2018, 35(2): 153-158(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JFJC201802009.htm
[7] 郎松, 曹选, 张艳微, 等. 融合改进YOLOv5算法的图像全站仪全自动测量方法[J]. 仪器仪表学报, 2022, 43(5): 120-127. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQXB202205014.htm LANG S, CAO X, ZHANG Y W, et al. Fully automated measurement method of image total station based on the improved YOLOv5 algorithm[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2022, 43(5): 120-127(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQXB202205014.htm
[8] 靳志光. 图像全站仪系统若干技术问题研究及应用[D]. 郑州: 解放军信息工程大学, 2008: 24-47. JIN Zh G. Some technique questions and application about the image total station system[D]. Zhengzhou: Information Engineering University, 2008: 24-47(in Chinese).
[9] 章后甜, 郑勇, 陈冰, 等. 图像全站仪及图像测量发展与展望[J]. 测绘通报, 2021(6): 50-53. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB202106010.htm ZHANG H T, ZHENG Y, CHEN B, et al. Development and prospect of image assisted total station and image measurement[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2021(6): 50-53(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB202106010.htm
[10] 张旭, 张超, 时春霖, 等. 图像全站仪相机的一种快速标定方法[J]. 测绘科学, 2022, 47(7): 53-59. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHKD202207008.htm ZHANG X, ZHANG Ch, SHI Ch L, et al. A fast calibration method for image total station camera[J]. Science of Surveying and Mapping, 2022, 47(7): 53-59(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHKD202207008.htm
[11] EHRHART M, LIENHART W. Monitoring of civil engineering structures using a state-of-the-art image assisted total station[J]. Journal of Applied Geodesy, 2015, 9(3): 174-182.
[12] 宋世泽. 星空仿真穹顶建立及鱼眼相机检校技术[D]. 郑州: 解放军信息工程大学, 2017: 75-100. SONG Sh Z. The establishment of dome based on simulated star sky and fisheye camera calibration [D]. Zhengzhou: Information Engineering University, 2017: 75-100(in Chinese).
[13] 叶峰, 王敏, 陈剑东, 等. 共面点的摄像机非线性畸变校正[J]. 光学精密工程, 2015, 23(10): 2962-2970. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201510028.htm YE F, WANG M, CHEN J D, et al. Camera nonlinear distortion correction based on coplanar points[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(10): 2962-2970(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201510028.htm
[14] 石岩青, 常彩霞, 刘小红, 等. 面阵相机内外参数标定方法及进展[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(24): 2400001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ202124001.htm SHI Y Q, CHANG C X, LIU X H, et al. Calibration methods and progress for internal and external parameters of area-array camera[J]. Laser and Optoelectronics Progress, 2021, 58(24): 2400001(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ202124001.htm
[15] 张祖勋. 论摄影测量与工程测量的结合-摄影全站仪+数码摄影机[J]. 地理空间信息, 2004(6): 1-4. DOI: 10.3969/j.issn.1672-4623.2004.06.001 ZHANG Z X. Integration of photogrammetry and engineering surveying-photo total station and digital camera [J]. Geospatial Information, 2004(6): 1-4 (in Chinese). DOI: 10.3969/j.issn.1672-4623.2004.06.001
[16] 朱肇昆. 经纬像机摄像测量方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2010: 18-48. ZHU Zh K. Research on theodolite-camera videometrics[D]. Chang-sha: National University of Defense Technology, 2010: 18-48(in Chinese).
[17] 张正禄. 徕卡图像全站仪TS15i及其应用评述[J]. 测绘通报, 2012(1): 98-99. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB201201032.htm ZHANG Zh L. Leica image total station TS15i and its application review [J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2012(1): 98-99(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB201201032.htm
[18] 张祖勋, 詹总谦, 郑顺义, 等. 摄影全站仪系统——数字摄影测量与全站仪的集成[J]. 测绘通报, 2005(11): 4-8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB200511000.htm ZHANG Z X, ZHAN Z Q, ZHENG Sh Y, et al. Photo total station system—the integration of digital photogrammetry and total station[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2005(11): 4-8(in Chin-ese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHTB200511000.htm
[19] BROWN D C. Close- range camera calibration[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1971, 37(8): 855-866.
[20] 张晓林, 周哲海, 王晓玲, 等. 基于改进Zernike方法实现圆形边缘亚像素检测[J]. 计算机工程与应用, 2015, 51(20): 157-161. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSGG201520032.htm ZHANG X L, ZHOU Zh H, WANG X L, et al. Realizing circular subpixel edge detection based on improved Zernike method[J]. Computer Engineering and Applications, 2015, 51(20): 157-161(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSGG201520032.htm
[21] 安晶晶, 高楠, 陈超, 等. 圆环标识的离心偏差校正方法与评价[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(4): 041203. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201704018.htm AN J J, GAO N, CHEN Ch, et al. Correcting method and evaluation of eccentricity error of circle target[J]. Laser and Optoelectronics Progress, 2017, 54(4): 041203 (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201704018.htm
-
期刊类型引用(0)
其他类型引用(1)