CN101504272B - 一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及装置，根据测量需求和实际情况布置好摄像机网络，包括计算控制中心和网络节点，其中网络节点一般由固连在一起的标志块和摄像机(组)组成，测试前先标定各级测量基站的像机参数，标定标志块和像机间相对位置姿态参数，与测量基准固连的标志块或像机相对于基准坐标系的位置姿态参数等；由控制中心实时触发摄像机进行拍摄采图；并将数据送至控制中心，由各个相邻测量基站间的三维位置姿态解算出待测目标相对于测量基准的三维位置姿态，并输出测量结果，从而实时、动态、精确的测量出大型结构体的空间结构、空间位置、姿态及其形变。

Description

一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及装置

技术领域

本发明涉及数字摄像测量、计算机视觉、变形监测等领域，进一步是指利用像机网络摄像测量的方法进行大型结构体姿态及位移变形的高精度实时全自动监测测量。

背景技术

实际应用中，实时、精确的监测大型结构体的姿态及位移变形对其进行受力分析、结构建模、安全监控等均具有重要的价值和意义。

民用领域，在地铁、隧道施工或桥梁、大坝建设过程中，如果由于地质或施工原因而导致围岩变形甚至坍塌事故，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此需要对坑道的断面及围岩变形等大型结构体进行实时的测量和监控。在地铁及桥梁建成运营期间，为了随时掌握自身及周围环境影响引起的变形变化，需要对这些大型结构体长期积累变形测量数据，分析变形规律，为设施的定期维修和后续改进设计提供必要的参考依据。军事及航天领域，大型舰船(潜艇)由于波浪冲击、负载变化、长期老化或战斗损伤等因素产生船体变形，进而导致舰载观测系统的性能下降。大型空间站及飞船、塔架等大型结构体安装后随时间积累会产生设计之外的变形，为了进一步改进设计，优化结构，需要长期精确测量变形量。传统上通常采用经纬仪、水准仪、激光测距仪等测量技术，这些方法原理简单，理论成熟，操作方便，解决了大量实际工程问题。但其存在以下不足：

一、要求有严格的通视条件，一种仪器通常只能测量一维变形，需要多种仪器多次测量才能确定三维变形；

二、在测量变形的同时不能给出绝对的位置定位；

三、劳动量大，自动化程度低，实时性差；

四、受外界环境影响较大，测量工作效率低。

随着全球定位系统的发展，利用GPS定位技术测量大型结构体的位置和变形日益成熟。GPS技术定位精度高，测量时间短，测站间无需通视，测量工作可以全天候进行，但GPS不能应用于地下施工、隧道建设等信号封闭、遮挡地域，只能测量待测点位的位置变化，不能同时给出姿态变化。

与此同时，摄像测量方法由于具有非接触、精度高等特点，在许多领域有着广泛的应用。然而传统的摄像测量技术都是测量可通视的物体间的相对位置和姿态。现实情况中的大型结构体一般比较复杂，测量基准与被测目标往往不可通视。

针对这一情况，申请人的国际专利PCT/CN2007/000476公开了一种不通视目标三维位置姿态的折线光路传递摄像测量方法，解决了不通视目标(相对)三维位置姿态的测量问题，但其只测量了两点之间的三维位置姿态关系，且精度和可靠性有待进一步提高。

发明内容

本发明针对大型结构体中不通视的多点位姿测量及其形变的监测难题，在折线光路的基础上进一步提出了一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及实现装置，通过将测量基准点处的基准坐标系利用像机网络传递到任意所需要的位置和场合，实时精确的测量出大型结构体多个待测点在统一基准坐标系下的姿态和位移形变数据；且该方法实现简单，总体成本较之折线光路的方法更低，且可靠性和测量精度更高。

本发明采取的具体技术方案是，一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法，包括如下步骤：

1)首先构建像机网络的网络节点，设定测量基准作为起始节点，待测目标作为像机网络的网络节点，该网络节点可以选择为中转节点，也可以选择为末级节点，在测量基准和待测目标之间设置由像机和标志块或像机与像机组成的测量基站作为中转节点；

2)测试前首先标定各级测量基站的像机参数，标定标志块和像机间的相对位置姿态参数，与测量基准固连的标志块或像机相对于基准坐标系的位置姿态参数；

3)通过设置在像机网络中网络节点处的像机拍摄相邻网络节点处的标志块，使得测量基准和待测目标之间能够通过像机网络中的一个或多个通路连接起来；

4)实时处理各级像机拍摄的图像，解算各级网络节点的相对位置姿态；

5)根据上述各级网络节点的相对位置姿态，得出所有待测目标在测量基准坐标系下的位置姿态；

本发明特征在于，当需要测量结构体不同方向表面上多个待测目标的动态变形时，像网络中的测量基站由两台像机与标志块固连而成，其中一台像机拍摄相邻的网络节点以传递基准坐标系，另一台像机拍摄结构体表面上的待测目标，利用图像处理和单目、多目计算机视觉的方法对所拍摄的物体进行位置姿态测算，从而得到在统一坐标系下该结构体不同方向表面上多个待测目标的动态变形数据。为了提高测量精度，充分利用像机网络资源，可以利用多路径数据融合和闭合回路一致性约束等对像机位姿解算结果进行进一步优化。

与上述像机网络摄像测量方法相应的是，本发明还提出了一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量装置，其包括像机网络和与之连接的计算控制中心，其中像机网络中的网络节点包括作为起始节点的测量基准、作为中转节点的由像机和标志块组成的测量基站和作为中转节点或者末级节点的待测目标，且所述网络节点处设有像机和标志块；所述测量基准和待测目标之间能够通过一个或多个通路连接起来；对于像机网络中的待测目标网络节点，可以选择为人工合作标志，也可以选择为刚性的自然标志，对于存在两条连通路径的末级网络节点还可选择为非刚性的人工标志或自然标志。

同时，为了进一步提高测量基站在沿光轴方向上位移的测量精度，在各级测量基站上加入一个高精度激光测距仪，利用激光测距仪的数据来提高沿像机光轴方向上的位移测量精度。

本发明的工作原理详细叙述如下：所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法首先根据测量需求和实际情况布置好摄像机网络，包括计算控制中心和网络节点，其中网络节点一般由固连在一起的标志块和摄像机(组)组成，为了提高测量精度，还可在摄像机上沿其光轴方向固连激光测距仪；在测量前先标定各级测量基站的像机参数，标定标志块、像机和激光测距仪间相对位置姿态参数，与测量基准固连的标志块或像机相对于基准坐标系的位置姿态参数等；由控制中心实时触发摄像机进行拍摄采图，激光测距仪进行测距；并将数据送至控制中心，由各个相邻测量基站间的三维位置姿态解算出待测目标相对于测量基准的三维位置姿态，并输出测量结果，从而实时、动态、精确的测量出大型结构体的空间结构、空间位置、姿态及其形变。

对于像机网络中作为末级节点的待测目标，标志块可以选择为人工合作标志或刚性的自然标志，此时利用单目计算机视觉的方法求解待测目标的位置和姿态及其变形；当待测目标至少有两个相邻网络节点时还可以选择为具有特定特征的任意标志物，此时利用双目或多目计算机视觉的方法求解待测目标的位置和姿态及其变形。

像机网络中网络节点包括作为初始节点的测量基准，其用来为像机网络摄像测量提供一个全局统一的参考坐标系；所述测量基站为像机网络的中转节点，一般由一台或多台摄像机与标志块固连构成，测量基站用来将测量基准提供的参考坐标系传递到相应的其他网络节点；待测目标一般为像机网络的末级节点，根据实际情况某些待测目标也可以作为测量基站将测量基准坐标系进行下一级传递，待测目标由标志块构成，可以为一个人工合作标志构成，也可以选择为具有特定特征的刚性非人工合作标志；但如果是作为测量基站的待测目标一般由标志块与摄像机固连构成。当某待测目标处于两个或多个网络节点的传递下级时还可以采用双目或多目测量的原理进行该目标的姿态位置估计。

为了提高测量精度，充分利用像机网络资源，可以利用多路径数据融合和闭合环路一致性约束等对摄像机位姿解算结果进行进一步优化。针对单像机在沿光轴方向上距离测量精度不高的特点，还可以根据实际需要在作为测量基站的网络节点上加装激光测距仪精确测量光轴方向上的距离值，将激光测距仪的测距数据与摄像机测量数据融合起来。

测量过程中，设从测量基准到待测目标之间依次经过了测量基站Ni，i＝0，…，n，相邻测量基站间可通视。通过各测量基站配置的像机、激光测距仪、人工合作标志等测量可以得到相邻测量基站坐标系间的三维相对位置姿态，再从测量基准到待测目标顺次累计相邻测量基站间的三维相对位置姿态结果，即可得到各个待测目标坐标系相对于测量基准坐标系的三维位置姿态参数。用旋转矩阵Ri，i+1和平移向量Ti，i+1表示第i级测量基站Ni和第i+1级测量基站Ni+1间的三维相对位置姿态。则通过结合像机采集合作标志图像和激光测距得到各相邻级测量基站间的相对位置姿态参数Ri，i+1，Ti，i+1(i＝0，…，n-1)后，待测目标坐标系相对于测量基准坐标系的三维位置姿态参数R0，n，T0，n为：

$R_{0,n}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Π}}}{R}_{i,i+1}---\left(1\right)$

$T_{0,n}=T_{n-1,n}+\underset{i=0}{\overset{n-2}{\mathrm{\Σ}}}\left(T_{i,i+1}\underset{j=i+1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Π}}}{R}_{j,j+1}\right)---\left(2\right)$

其中末级网络节点为第n级测量基站；起始网络节点为第0级测量基站。

由于对像机网络中的每个网络节点，均至少存在一条与测量基准相连的通路，因此都存在一个如式(1)、(2)所示的约束，对某些网络节点，与测量基准之间同时存在多条相连的通路，因此能够采用以下约束条件对位姿测量的结果进行进一步优化：

(1)利用同时处在多条通路上网络节点的位置姿态测量一致性约束；

(2)利用网络路径闭合回路的一致性约束。

综上所述，本发明所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及装置能达到如下效果：

1.解决了大型结构空间三维位置、姿态的测量及其变形的实时监测问题；

2.自动化、数字化程度高，对于动态问题能够实时测量目标的三维位姿、形变数据；

3.通过合理布设摄像机网络，可以在不影响待测大型结构自身工作的情况下非接触、实时的测量其位姿、形变数据；

4.测量装置不受空间、地形的限制，可以应用于厂房、隧道、地下工程等GPS信号遮挡环境；

5.为精密光测图像技术的应用提出了新思路，开辟了新领域。

同时，与现有技术中基于两个点之间的折线光路传递摄像测量方法相比，本发明所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法更系统，更全面，可以同时测量待测目标整体多个点相对与基准参考系的位置姿态及其变形量，而且所述像机网络摄像测量装置通过布置摄像机网络可以节省硬件成本，并且利用网络中的各种约束提高了测量精度和可靠性，必将在大型结构体的力学分析和长期变形监测等领域发挥重要作用。

附图说明

图1为实施例1所述像机网络摄像测量方法的原理示意图；

图2为像机网络摄像测量方法中数据优化原理示意图；

图3为实施例2所述像机网络摄像测量方法的应用示意图；

图4为实施例3所述像机网络摄像测量方法的应用示意图；

图5为实施例4所述像机网络摄像测量方法的应用示意图。

在上述附图中，

B-测量基准    Ni(i＝1，2，3，…)-测量基站

Gi(i＝1，2，3，…)-待测目标      M-标志块    C1-C3摄像机

L1-L3-激光测距仪  1~5-网络节点    Pi(i＝1，2，3，…)-待测点

具体实施方式：

实施例1：大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法的原理如图1所示，图中的黑实线表示障碍物，虚线表示各像机拍摄光路。其中像机网络摄像测量装置包括由测量基准B、测量基站N1-N3和待测目标G1-G6等组成的网络节点，其中测量基准B作为网络节点中的起始节点，用来为像机网络摄像测量提供一个全局统一的参考坐标系；本实施例中测量基准B由人工合作标志与摄像机、激光测距仪固连构成；测量基站作为像机网络节点中的中转节点，本实施例中测量基站N1由两台摄像机及两台激光测距仪固连组成，测量基站N2、N3由多台摄像机与人工合作标志固连构成；所述测量基站用来将测量基准提供的参考坐标系传递到相应的像机网络节点。待测目标一般为像机网络的末级节点，如图1中待测目标G2、待测目标G3；同时，某些待测目标也可以根据实际情况作为测量基站将测量基准坐标系进行下一级传递，如图1中待测目标G1、待测目标G4，待测目标G5和待测目标G6均作为测量基站；待测目标一般由一个人工合作标志构成，如待测目标标G2、G3；而作为测量基站的待测目标一般由人工合作标志与摄像机固连构成，如图1中的待测目标G1、待测目标G4，待测目标G5和待测目标G6。当某待测目标处于两个或多个网络节点的传递下级时还可以采用双目或多目测量的原理进行该目标的姿态位置估计，如图中的G2，G4，G5可分别由网络节点对(G1，N2)、(G5，N3)、(G6，N3)利用双目测量方法进行姿态位置估计。

为了进一步提高位置测量精度，上述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量装置中的网络节点可以根据需要在摄像机光轴方向上配置一个激光测距仪，如图1中测量基站N1所示，分别在摄像机C1和C2上沿摄像机光轴方向分别配置了一个激光测距仪L1和L2。

像机网络摄像测量方法中的数据优化原理：如图2所示，所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量装置包括测量基准B，像机网络中的测量基站和待测目标等网络节点1-5。设像机网络中各个网络节点的位姿关系相对于测量基准的位姿关系的变换矩阵为MBi，MBi可以通过像机网络中的最优路径传递计算得到；每两个相邻网络节点之间的位姿关系可以通过节点中的摄像机拍摄相邻节点中的合作标志并处理图像得到，分别用MB1，M12，MB3，M32，M25，M34，M45表示，则各网络节点之间的位姿关系约束条件有：

MB1＝MB2M21；

MB2＝MB1M12＝MB3M32＝MB5M52；

MB3＝MB2M23＝MB4M43；

MB4＝MB3M34＝MB5M54；

MB5＝MB2M25＝MB4M45；

以上公式包含了该像机网络中的所有约束关系。对每个网络节点，都可以用与其相邻的几个网络节点之间的约束关系进行优化，从而最终整体确定各待测目标的最优位置姿态。

实施例2：如图3所示，利用像机网络摄像测量方法测量大型船体多点形变。测量基准B一般选择为位于船体内部的主惯导系统，而待测目标Gi(i＝1，2，3，…)可以选择为甲板上布设的各种武器装备、雷达等，也可以选择为感兴趣的船体关键部位，N1——N3为测量基站。通过沿船体的结构构造布设一定的像机网络，就可以在不改变船体结构的基础上实时获得船体各个部位的变形数据，对武器装备、雷达的使用参数进行修正。

实施例3：如图4所示，利用像机网络摄像测量方法监测地下工程多点形变。对于GPS信号无法到达的地铁、隧道等地下工程建设和地铁车站等重点场所通车运营期间变形数据的实时监控，通过合理的布设像机网络，设置测量基站Ni(i＝1，2，3，…)可以同时测量出各个待测目标Gi(i＝1，2，3，…)相对于地面基准B(图中为位于地面的铁塔)的绝对位置(姿态)及各个待测目标之间的相对位置(姿态)关系，从而为工程建设的顺利开展提供支持并及时预警地面下沉、坍塌等危险。

实施例4：如图5所示，利用像机网络摄像测量方法测量大型物体表面形变。对于一般的大型结构体，当需要检测其不同方向表面上多个待测点Pi(i＝1，2，3，…)的动态变形情况时，通过如图所示合理的布置像机网络，网络中的基准B由两台摄像机固连组成，测量基站N1——N4由两台摄像机与合作标志固连而成，其中一台摄像机拍摄相邻的网络节点以传递基准坐标系，另一台摄像机拍摄待测的大型结构体表面特征点，通过图像处理和计算机视觉分别进行姿态估计即能够在统一的坐标系下实时测量该结构体不同方向表面上多个待测点的动态变形数据。

Claims (4)

1.一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法，包括如下步骤：

1)构建像机网络的网络节点，设定测量基准作为起始节点，待测目标作为像机网络的网络节点，该网络节点选择为中转节点或末级节点，在测量基准和待测目标之间设置由像机和标志快或像机与像机组成的测量基站作为中转节点；

2)测试前首先标定各级测量基站的像机参数，标定标志块和像机间的相对位置姿态参数，与测量基准固连的标志块或像机相对于基准坐标系的位置姿态参数；

3)通过设置在像机网络中网络节点处的像机拍摄相邻网络节点处的标志块，使得测量基准和待测目标之间能够通过像机网络中的一个或多个通路连接起来；

4)实时处理各级像机拍摄的图像，计算得出各级网络节点的相对位置姿态；

5)根据上述各级网络节点的相对位置姿态，得出所有待测目标在测量基准坐标系下的位置姿态；

其特征是，当需要测量位于结构体不同方向表面上多个待测目标的动态变形时，像机网络中的测量基站由两台像机与标志块固连而成，其中一台像机拍摄相邻的网络节点以传递基准坐标系，另一台像机拍摄结构体表面上的待测目标，利用图像处理和计算机视觉的方法对所拍摄的物体进行位置姿态测算，从而得到在统一坐标系下该结构体不同方向表面上多个待测目标的动态变形数据。

2.根据权利要求1所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法，其特征是，所述步骤4中计算各级网络节点的相对位置姿态时，结合同时处在多条通路上网络节点的位置姿态测量一致性约束和网络路径闭合回路的一致性约束方法，得出各级网络节点的相对位置姿态。

3.一种实现权利要求1所述像机网络摄像测量方法的大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量装置，其特征是包括像机网络和与之连接的计算控制中心，其中像机网络中的网络节点包括作为起始节点的测量基准、作为中转节点的测量基站和作为中转节点或者末级节点的待测目标，且所述网络节点处设有像机和标志块；所述测量基准和各个待测目标之间能够通过一个或多个通路连接起来；所述网络节点处的标志块可为人工合作标志或刚性的自然标志，存在两条连通路径的末级网络节点还可选择为非刚性的人工标志或自然标志。

4.根据权利要求3所述大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量装置，其特征是所述像机上沿其光轴方向设有一个激光测距仪。

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