CN101865654A - 一种三维场中空间位置分光测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电测量技术领域，具体指一种用于测量三维场中空间位置的装置和方法。其特征在于：它包括红滤光镜、绿滤光镜、直角棱镜、平玻璃反射镜、立方棱镜和CCD相机，利用分光原理，将发光物点通过红滤光镜、绿滤光镜分成两色光，并利用直角棱镜、平玻璃反射镜、立方棱镜将两束光在同一CCD相机上成像，由于三维场中的这个发光物点与两个红、绿像点为一一对应关系，从而可确定三维场中发光物点空间位置坐标。并通过网格标定的方法改善了以往几何标定镜头中线性误差用多项式补偿等方法的不足，解决了系统误差问题。此方法结构简单、精度高、操作性强、测量弹性大。

Description

一种三维场中空间位置分光测量方法及装置

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体指一种用于测量三维场中空间位置的装置和方法。

背景技术

三维场中空间位置测量技术是三维空间测量的基础，通过测量空间位置进而可得到三维空间位置矢量场、速度场等。而通过光电技术测量三维空间是与其他技术相比最具有方便和有效的手段，但通过光电技术测量还存在很多复杂的困难。现有技术中常采用两个CCD相机进行测量的技术，但该方法不但用两个CCD相机，而且还存在CCD相机几何标定镜头中线性误差、光路复杂、成本高等问题，如何解决上述问题，目前还未见有关文献报道。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种三维场中空间位置分光测量方法及装置，其目的是通过分光法使物点的光线经滤光镜后分成红绿两束光，并成像在同一CCD相机底片上，经过标定、坐标转换、计算，进而确定该物点在空间的位置坐标。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三维场中空间位置分光测量方法，其特征在于：首先将需要测量三维场中空间位置的发光物点，通过不同颜色的两个滤光镜，分成两色光线；其中一色光线通过棱镜、平面反射镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；另一色光线直接通过棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；这两色光线在CCD相机的底片上形成两个不同颜色的像点，而这个物体在三维场中的空间位置与这两个不同颜色的像点是一种一一对应关系，从而确定了这个物体在三维场中空间位置的坐标。

分成两色光线中的一色光线是通过直角棱镜、平面反射镜和立方棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；而另一色光线是直接通过直角棱镜和立方棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里。

对于获得相机内的参数及减小系统误差的处理中，采用网格标定法，即在测量空间用一标准网格在两个不同的位置上得到网格上的节点与对应相片上像素点，通过查表插值法或人工神经网络法对图像坐标进行变换，直接得到真实坐标。

两个不同颜色的滤光镜分别为能够计算机识别的红色滤光镜与绿色滤光镜或红色滤光镜与蓝色滤光镜组合。

一种如上所述的三维场中空间位置分光测量装置，其特征在于：在该装置的前端设有两个不同颜色的滤光镜，与这两个不同颜色的滤光镜相对应的位置分别设有棱镜，与其中的一个棱镜相对应的位置设有一个平面反射镜；另一棱镜和平面反射镜共同相对应的位置还设有一个棱镜，一个CCD相机设置在与该棱镜相对应的位置上。

与滤光镜相对应设置的棱镜为直角棱镜；而与棱镜和平面反射镜共同相对应的位置设置的立方棱镜。

两个不同颜色的滤光镜分别为能够计算机识别的红色滤光镜与绿色滤光镜或红色滤光镜与蓝色滤光镜组合。

优点及效果：

本发明的有益效果为：利用分光原理将场中发光物点的光线分成不同颜色的两束光线，经光学设计使其在同一CCD相片上成像，一次曝光获得一对立体像对，相比普通立体摄像测量，节省一架相机，节约成本。通过这两个不同颜色的像点从而确定了这个物体在三维场中空间位置的坐标；并通过网格标定的方法改善了以往几何标定镜头中线性误差用多项式补偿等方法的不足，解决了系统误差问题。此方法结构简单、精度高、操作性强、测量弹性大。

附图说明：

图1为本发明的主要结构示意图；

图2为像点在标准位置处成像的结构原理图；

图3为像点在较远位置处成像的结构原理图；

图4为像点在较近位置处成像的结构原理图；

图5为像点在三维场中空间位置的真实坐标图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步描述：

首先介绍各附图中的标注：1、发光物点；2、红色滤光镜；3、绿色滤光镜；4、直角棱镜；5、平面反射镜；6、立方棱镜；7、CCD相机；8、底片；9、像点；91、绿色像点；92、红色像点。

本发明是采用光电技术测量物体在三维场空间位置的测量方法和装置。该装置包括两种不同颜色的滤光镜(这里指红色滤光镜2和绿色滤光镜3)；、平面反光镜、直角棱镜、立方棱镜和CCD相机组成。发光物点分别通过红滤光镜和绿滤光镜，经直角棱镜、平面玻璃镜、立方棱镜在CCD相机上成像。由于发光物点在三维场中空间位置不同，经分光的红、绿两束光线在相片上成像两个红、绿像点。三维场中一个物点与两个红、绿像点建立一一对应关系，从而可确定三维场中空间位置坐标。如图1中的发光物点1为标准距离，成像的两个红、绿像点重合为一个黄色像点9；而当图2中的发光物点1远于图1中的发光物点1的标准距离，底片8上成像的两个像点为左边是绿色像点91，右边是红色像点92；图3正好与图2相反，发光物点1近于标准距离，左边是红色像点92，右边是绿色像点91。底片上形成两个红、绿像点之间的距离和位置关系与三维场中的发光物点为一一对应关系，所以仅从底片上两个发光像点的位置关系就能够确定三维场中的发光物点的位置关系。

两个不同颜色的滤光镜分别为能够计算机识别的红色滤光镜与绿色滤光镜或红色滤光镜与蓝色滤光镜组合。

本发明还可以建立发光物点在三维场中真实的坐标系。

如图5所示，空间的发光物点p(x、y、z)通过红滤光镜(红光等效投影中心在三维空间的坐标为(x_R、y_R、z_R))成像在底片上，其像点坐标为(p_xR，p_yR)，底片平面在三维空间上的方程为z＝z_p，将像点坐标转换成实际三维空间坐标为(x_pR、y_pR、z_p)，其建立的空间直线方程l_R为：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_{\mathrm{pR}}+\mathrm{\λ}(x_R-x_{\mathrm{pR}})\\ y=y_{\mathrm{pR}}+\mathrm{\λ}(y_R-y_{\mathrm{pR}})\\ z=z_p+\mathrm{\λ}(z_R-z_p)\end{array}\right.$

同样，空间物点p(x、y、z)，通过绿滤光镜(绿光等效投影中心在三维空间的坐标为(x_G、y_G、z_G))成像在底片上。其像点坐标为(p_xG，p_yG)，也在z＝z_p平面上，将像点坐标转换成实际三维空间坐标为(x_pG、y_pG、z_p)，其建立的空间直线方程l_G为：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_{\mathrm{pG}}+\mathrm{\Δ}(x_G-x_{\mathrm{pG}})\\ y=y_{\mathrm{pG}}+\mathrm{\Δ}(y_G-y_{\mathrm{pG}})\\ z=z_p+\mathrm{\Δ}(z_G-z_p)\end{array}\right.$

求解l_R与l_G的交点即为p(x、y、z)。当空间两直线不相交时，取两空间直线的公垂线中点即为p点坐标。

对于相机内参数的获得及系统误差的处理，采用网格标定法，即在测量空间用一标准网格在两个不同的位置上得到网格上的节点与对应相片上像素点，通过查表插值法或人工神经网络法对图像坐标进行变换，直接得到真实坐标。

Claims (7)

1.一种三维场中空间位置分光测量方法，其特征在于：首先将需要测量三维场中空间位置的发光物点，通过不同颜色的两个滤光镜，分成两色光线；其中一色光线通过棱镜、平面反射镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；另一色光线直接通过棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；这两色光线在CCD相机的底片上形成两个不同颜色的像点，而这个物体在三维场中的空间位置与这两个不同颜色的像点是一种一一对应关系，从而确定了这个物体在三维场中空间位置的坐标。

2.根据权利要求1所述的三维场中空间位置分光测量方法，其特征在于：分成两色光线中的一色光线是通过直角棱镜、平面反射镜和立方棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里；而另一色光线是直接通过直角棱镜和立方棱镜的透射和反射进到CCD相机的镜头里。

3.根据权利要求1所述的三维场中空间位置分光测量方法，其特征在于：对于获得相机内的参数及减小系统误差的处理中，采用网格标定法，即在测量空间用一标准网格在两个不同的位置上得到网格上的节点与对应相片上像素点，通过查表插值法或人工神经网络法对图像坐标进行变换，直接得到真实坐标。

4.根据权利要求1所述的三维场中空间位置分光测量方法，其特征在于：两个不同颜色的滤光镜分别为能够计算机识别的红色滤光镜与绿色滤光镜或红色滤光镜与蓝色滤光镜组合。

5.一种如权利要求1所述的三维场中空间位置分光测量装置，其特征在于：在该装置的前端设有两个不同颜色的滤光镜，与这两个不同颜色的滤光镜相对应的位置分别设有棱镜，与其中的一个棱镜相对应的位置设有一个平面反射镜(5)；另一棱镜和平面反射镜(5)共同相对应的位置还设有一个棱镜，一个CCD相机(7)设置在与该棱镜相对应的位置上。

6.根据权利要求5所述的三维场中空间位置分光测量装置，其特征在于：与滤光镜相对应设置的棱镜为直角棱镜(4)；而与棱镜(4)和平面反射镜(5)共同相对应的位置设置的立方棱镜(6)。

7.根据权利要求5所述的三维场中空间位置分光测量装置，其特征在于：两个不同颜色的滤光镜分别为能够计算机识别的红色滤光镜(2)与绿色滤光镜(3)或红色滤光镜(2)与蓝色滤光镜组合。

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