CN101539397A - 物体三维姿态的精密光学测量方法 - Google Patents

物体三维姿态的精密光学测量方法 Download PDF

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Abstract

一种物体三维姿态的精密光学测量方法,包括:在待测结构上设置合作标志,在待测结构外设置交会测量站;准确标定交会测量站中摄像机参数各组交会测量站之间相对位置姿态;实施基准坐标系、被测平台坐标系及摄像机坐标系等的对准;应用亚像素定位技术定位图像目标;将各组交会站的测量结果综合,高精度的给出被测结构的三维姿态信息。本发明在发挥光测图像技术精度高、非接触、成本低等优势的同时,解决了位置与姿态高精度测量的实际问题,有着广泛的应用前景。

Description

物体三维姿态的精密光学测量方法
技术领域
本发明涉及高精度获得被测物体三维姿态信息的方法。
背景技术
传统精密测量结构体姿态通常使用角位移传感器、倾角仪等,其最重要的优点是精度高,国内外都有一定的应用。但这些传感器的使用有许多限制条件:一是对被测对象有要求,如材料、结构、刚性等;二是对被测环境有要求,如温度、湿度、风速、空气成分等;三是对被测对象有影响,必然会改变甚至破坏被测对象结构,进而影响测量结果;四是传感器自身整合程度不高,对不同的测量参数需使用不同类型的传感器;此外,还存在安装、成本、可靠性、重复性等多方面的限制条件。这些限制条件往往导致测量困难甚至不可测。
姿态的精密测量在军事以及民用等很多领域都有重大意义,比方说,在军事领域,军用飞机由于载弹量变化等因素会引起机翼和吊架变形,影响导弹的初始对准姿态。大型舰船(或潜艇)由于波浪冲击、日夜温差、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,舰载武器装备姿态对准精度降低,尤为严重的是导致海难的发生。采用三轴陀螺仪或传感器测量姿态的方法,由于价格昂贵或工作环境恶劣等原因很难实用。
利用光测方法测量平台的三维姿态,是一种原理上可行、经济上实惠的手段。然而,由于基准平台与待测结构之间坐标系对准困难,测量精度要求很高,传统光测手段不能解决这种高精度的绝对姿态测量问题。
实际工程中,平台位置和姿态精密测量的需求大量存在。以经纬仪为例,经纬仪的测量精度一般要求达到角秒量级,但是由于经纬仪基座的不平等导致的系统误差就远远超过角秒量级。当前采用水平仪、倾角仪等接触式传感器测量的模式,需要将经纬仪平台手动调节到要求姿态,费时费力,往往需要几个小时甚至几天时间;而且这只是初始调整,一旦经纬仪开始工作,平台就开始晃动,此时经纬仪姿态随之变动,传统的方法无法实时测量。进一步来说,对于需要愈加迫切的机动式经纬仪而言,要求快速机动布置、野外作业、高精度测量,传统的方法更难以实现这些要求。最近国外研制的接触式传感器测量平台姿态的设备,需要在经纬仪平台上布置几十个传感器,安装复杂不说,造价几乎比经纬仪本身还要贵,实用价值和推广价值都不高。
近年来,以计算机技术和数字图像处理技术为核心的信息技术得到飞速发展,数字摄像装置制造工艺水平大幅度提高,这些科技进步使得利用摄像测量方法实施对物体(大型结构体)姿态的测量成为可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有姿态测量技术中存在的缺陷,提出一种物体三维姿态的精密光学测量方法,它将摄像测量运用于对被测物体姿态的测量中,系统数字化程度高,可满足军事和民用领域中对姿态进行高精度、非接触、实时测量的需要,从而大大提高物体三维姿态测量水平。
本发明的技术方案是,所述物体三维姿态的精密光学测量方法的实施步骤为:
a.在待测物体上设置至少三个互不重合的合作标志,在待测物体外设置交会测量站且每个合作标志由一组交会测量站测量;所述每组交会测量站由两台摄像装置组成且该两台摄像装置与相应的被测合作标志不在一条直线上;各交会测量站固连成平台;
b.准确标定各组交会测量站中每只摄像装置的参数,这些参数包括摄像机的焦距、镜头像差系数等参数,并准确标定各组交会测量站之间相对位置姿态;
c.设置基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系,并利用陀螺仪和倾角仪完成基准坐标系、被测平台坐标系及摄像机坐标系的对准;
d.各交会测量站对相应的合作标志进行摄像测量,然后汇集各交会测量站的测量图像,并利用亚像素图像定位技术进行图像处理定位所得图像中合作标志点的位置,从而获得每个标志点在摄像装置坐标系中的位置;
e.把合作标志在摄像装置坐标系中的位置转换为在基准坐标系中的坐标,从而三点确定一个平面,如此便最终得到被测物体在基准坐标系中的高精度三维姿态信息。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1,本发明方法为:
a.在待测物体(P)上设置至少三个互不重合的合作标志(T),在待测物体(P)外设置交会测量站(L)且每个合作标志(T)由一组交会测量站(L)测量;所述每组交会测量站(L)由两台(数码)摄像装置(C)组成且该两台摄像装置(C)与相应的被测合作标志(T)不在一条直线上;各交会测量站(L)固连成平台(F);
b.利用标定块(M)准确标定各组交会测量站(L)中每只摄像装置(C)的参数,这些参数包括摄像机光心、光轴、焦距和像差系数等参数,并准确标定各组交会测量站(L)之间相对位置姿态;如图2所示为摄影测量学中的坐标系变换原理图,其中的基准坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系皆采用右手准则来定义。图中Ow、Oc、O分别为基准坐标系(xw,yw,zw)、摄像机坐标系(xc,yc,zc)和图像坐标系(X,Y)的原点,坐标系(x′w,y′w,z′w)是基准坐标系平移至点Oc时的坐标系,轴z′c是轴zc在平面y′wz′w内的投影,ω为其与z′w的夹角,被称为旁向倾角,
Figure A20091004312800061
为其与zc的夹角,被称为航向倾角,轴x″w为轴xw在平面XY内的投影,其与X轴的夹角为κ,被称为图像旋角。
利用几何知识可以得到基准坐标系与摄像机坐标系之间的变换关系如下
x c y c z c = R x w y w z w + T = r 11 r 12 r 13 r 21 r 22 r 23 r 31 r 32 r 33 x w y w z w + T 式1
其中,T=[tx,ty,tz]T是基准坐标系原点在摄像机坐标系中的坐标,矩阵R是坐标旋转矩阵,其中各项为
Figure A20091004312800063
Figure A20091004312800064
Figure A20091004312800065
Figure A20091004312800066
Figure A20091004312800067
Figure A20091004312800068
Figure A20091004312800069
Figure A200910043128000610
Figure A200910043128000611
图像坐标系与摄像机坐标系的变换关系如下
X = fx c / z c Y = fy c / z c 式2
综上,可以建立基准坐标系和图像坐标系之间的变换关系(也被称为共线方程)如下
X f = r 11 x w + r 12 y w + r 13 z w + t x r 31 x w + r 32 y w + r 33 z w + t z Y f = r 21 x w + r 22 y w + r 23 z w + t x r 31 x w + r 32 y w + r 33 z w + t z 式3
但在实际中由于光心、光轴不是物理上的实体,这些参数在摄像机使用前需要在基准坐标系中进行高精度标定,且实际中摄像机镜头是存在像差的,考虑实际像差时式3变为
X + δ x f = r 11 x w + r 12 y w + r 13 z w + t x r 31 x w + r 32 y w + r 33 z w + t z Y + δ y f = r 21 x w + r 22 y w + r 23 z w + t x r 31 x w + r 32 y w + r 33 z w + t z 式4
在应用中,当物距是焦距的成千上万倍时,摄像系统一点微小的误差都将被放大成千上万倍,所以对摄像机的光心、光轴、焦距和像差系数等参数的高精度标定是至关重要的。
实际应用中利用图1中所示的各面网格点坐标已知的标定块M来标定摄像机,在标定块上选取不共面的n≥6个点,每个点产生如式4所示的两个方程,共11个参数需要标定,因此2n>11,再利用Weng’s标定法可以高精度求解摄像机参数。
c.设置基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系并利用陀螺仪和倾角仪完成所述基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系的对准。
对准即是建立各坐标系之间的变换关系,建立坐标旋转矩阵。如图2所示坐标系变换原理图,在摄像机标定好以后,摄像机光轴的变化即可通过陀螺仪和倾角仪测量摄像机的ω,
Figure A20091004312800072
,κ角获得,因此也就可以得到坐标旋转矩阵R,可见完成基准坐标系、摄像机坐标系和平台坐标系的对准是最终得到平台标志点在基准坐标系中的位置至关重要的一步。
d.各交会测量站(L)对相应的合作标志(T)进行摄像测量,然后汇集各交会测量站的测量图像,并利用亚像素图像定位技术进行图像处理定位所得图像中合作标志点的位置,从而获得每个标志点在摄像装置坐标系中的位置;
e.把合作标志(T)在摄像装置坐标系中的位置转换为在基准坐标系中的坐标,从而三点确定一个平面,如此便最终得到被测物体在基准坐标系中的高精度三维姿态信息。
本发明所述亚像素图像定位技术可以是以下已有亚像素定位技术之一:
1、使用自适应模板相关滤波法:制作参数可以调整的模板,对每个粗定位点,首先确定应选模板的参数,选择最合适的模板,用所选模板对粗定位点及其邻域点进行相关运算,用所得相关系数拟合曲面,确定最大相关位置;
2、自适应阈值重心法:对于有些目标,可以通过多种图像处理的方法提取具有一定面积的目标区域,并考虑到目标的灰度分布特征,采用灰度重心法,在目标区域内以灰度为权值求出目标区域的灰度重心作为目标位置,同时采用带自适应阈值的高斯分布模板对特征目标进行跟踪定位。
3、灰度图拟合法:对于有些目标,还可直接根据目标图像的特征,选用合适的解析曲面,对灰度图进行曲面拟合,再求出解析曲面的极值位置,从而实现目标的亚像素精度定位。
由以上可知,本发明为一种物体三维姿态的精密光学测量方法,系统数字化程度高,可满足军事和民用领域中对物体(特别是大型结构体)三维姿态进行高精度、非接触、实时测量的需要。
附图说明
图1本发明测量方法的原理示意图,其中L为一组交会站,C为交会站中像机,F为交会站固连平台,O为坐标系对准装置,M为标定块,P为被测平台,T为被测平台上合作标志;
图2坐标系变换原理图;
图3为合作标志的样式举例,其中(a)为圆形,(b)为十字丝,(c)为对顶角。
具体实施方式
参见图1,图2,本发明方法用于检测公路路面平整度,其步骤为:
a.在待测物体(P)上设置至少三个互不重合的合作标志(T),在待测物体(P)外设置交会测量站(L)且每个合作标志(T)由一组交会测量站(L)测量;所述每组交会测量站(L)由两台数字摄像装置(C)组成且该两台摄像装置(C)与相应的被测合作标志(T)不在一条直线上;各交会测量站(L)固连成平台(F);
b.利用标定块(M)准确标定各组交会测量站(L)中每只摄像装置(C)的参数,并准确标定各组交会测量站(L)之间相对位置姿态;
c.设置基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系并利用陀螺仪和倾角仪完成所述基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系的对准;
d.各交会测量站(L)对相应的合作标志(T)进行照像测量,然后汇集各交会测量站的测量图像,并利用亚像素图像定位技术进行图像处理定位所得图像中合作标志点的位置,从而获得每个标志点在摄像装置坐标系中的位置;
e.把合作标志(T)在摄像装置坐标系中的位置转换为在基准坐标系中的坐标,从而三点确定一个平面,如此便最终得到被测物体在基准坐标系中的高精度三维姿态信息。
摄像装置的选择与安装:数字摄像装置速度快、存储方便,易于实现后处理的数字化、自动化,因此采用数字摄像装置(摄像机)比模拟摄像装置更合适。
合作标志P可以是圆形,也可以是对角形,或十字丝等,如图3所示,或其它易于识别的形状。如果用于夜间作业,合作标志P可采用发光光源制作。
处理器选择设计方案:在路面平整度参数的检测中,可以采用PC计算机或DSP处理器,作为图像存储、数据处理设备。由于DSP处理器速度快、操作简便,因此更适合用在实际装置中。在摄像装置选定,可以根据摄像装置的接口方案设计DSP处理器。
本发明中,交会测量站(L)站数以及各交会测量站(L)站具体组成组件和组合方式可根据实际测量任务进行选择。交会测量站(L)的标定可采用对高精度的标定块或平台上的合作标志成像进行。
可在被测物体上设置合作标志,利用陀螺仪、倾角仪等少量设备进行初始坐标对准。
还可设置同步触发控制系统,以实现各交会测量站(L)对合作标志或被测目标(被测物体)的同步实时采图。

Claims (2)

1、一种物体三维姿态的精密光学测量方法,其特征是,该方法的步骤为:
a.在待测物体上设置至少三个互不重合的合作标志,在待测物体外设置交会测量站且每个合作标志由一组交会测量站测量;所述每组交会测量站由两台摄像装置组成且该两台摄像装置与相应的被测合作标志不在一条直线上;各交会测量站固连成平台;
b.准确标定各组交会测量站中每只摄像装置的参数,并准确标定各组交会测量站之间相对位置姿态;
c.设置基准坐标系、被测平台坐标系及摄像装置坐标系并利用陀螺仪和倾角仪完成所述基准坐标系、被测平台坐标系及摄像机坐标系的对准;
d.各交会测量站对相应的合作标志进行摄像测量,然后汇集各交会测量站的测量图像,并利用亚像素图像定位技术进行图像处理定位所得图像中合作标志点的位置,从而获得每个标志点在摄像装置坐标系中的位置;
e.把合作标志在摄像装置坐标系中的位置转换为在基准坐标系中的坐标,从而三点确定一个平面,如此便最终得到被测物体在基准坐标系中的高精度三维姿态信息。
2、根据权利要求1所述物体三维姿态的精密光学测量方法,其特征是,设置同步触发控制系统,实现各交会测量站对合作标志或被测目标的同步实时采图。
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