CN102072724A - 一种真空激光光斑中心精密网格定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，属于建筑物位移监测领域。在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标。利用精密网格确定摄像机像素坐标与网格坐标的关系，减小了摄像机镜头非线性畸变产生的观测误差，并可精确计算光斑中心位置的真实变化，极大的提高了系统的观测精度。

Description

一种真空激光光斑中心精密网格定位方法

技术领域

本发明属于建筑物位移监测领域。

背景技术

国内真空激光准直位移监测系统已广泛应用在直线型建筑物的水平及垂直位移监测上。常见的形式是在发射端设一个点光源，在测点处设菲涅耳半波带片、即波带板，在接收端设成像及图像采集装置，每个测点波带板在主控机的控制下分别进入光路，在接收端形成光斑，通过计算光斑中心的位移变化来监测测点的位移。

目前，国内同类产品在光斑图像采集及中心计算的控制方式主要有两种：一是以摄像机所拍摄图像的左下角为观测坐标原点，这个原点只能在拍摄的图像中看到，无法与实物对应，是个虚的原点，并要求摄像机的行扫瞄线与地平线平行，所以要求摄像机精确定位，并要求精确率定摄像机的像素间距与观测坐标系上实际距离的对应关系，一旦更换摄像机时需重新固定、重新调整焦距及光圈，会使观测坐标原点的定位发生变化，无法保证测值的连续性。二是在接收幕的4个角上设置发光二极管，以左下角的为观测坐标原点，其它的三个作为观测坐标系内的已知点来校正摄像机像素坐标与观测坐标系的关系，这样可解决观测坐标原点定位问题，但4个发光点只能布置在接收幕的4个角上，即在图像的边缘上，而因摄像机镜头产生的图像非线性变形，是随着远离图像中心而增大的，所以用这4个点所确定的摄像机像素坐标系与观测坐标系的关系存在很大的误差。

另外，目前国内同类产品的光斑中心的确定及图像分析计算方法还是使用像素为基本单位，只是简单的率定单个像素代表的真实尺寸，并未考虑及消除摄像机镜头非线性畸变产生的观测误差的影响。

发明内容

本发明提供一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，以解决监测中误差大的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

（一）在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，精密网格定位幕与一套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具体的数据采集控制流程为：

（1）在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；

（2）数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图像符合程序要求，保存图像到内存或硬盘，并向接收端控制器发送精密网格定位幕拉开命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的拉开，切换到激光光斑接收幕；

（3）数据采集程序判断精密网格定位幕拉开正常后，依次控制各个测点波带板进入光路，在光斑接收幕上形成测点光斑，摄像机依次完成各个测点光斑图像的捕捉，并利用图像计算方法：双峰法，计算出光斑中心在摄像机像素坐标系上的坐标值；

（二）在两次捕捉图像：精密网格定位幕图像及光斑图像的过程中，摄像机的位置没有发生任何变化，因此，两幅图像的像素坐标是重合的；将计算出来的光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）按像素方式映射到已捕捉的精密网格定位幕的图像中；

（三）根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标（X_r，Z_r），具体的图像计算方法如下：

设观测坐标原点在整个网格的左下角，网格的间距为L，则光斑中心在网格坐标系的位置为：

X_r＝N_x×L＋X_n                                            （1－1）

Z_r＝N_z×L＋Z_n                                                    （1－2）

式中：

N_x——从光斑中心向左完整网格的数量

N_z——从光斑中心向下完整网格的数量

X_n——在一个网格内距左侧格线的距离

Z_n——在一个网格内距底部格线的距离

从图及计算公式中可看出，镜头的非线性误差影响被缩小在了一个网格内，即X_n、Z_n中带有非线性的影响，网格尺寸为5mm×5mm，所有网格的实际宽度均为L，光斑中心所在网格的水平像素数目为L_xp个，左侧网格线的起始像素坐标为L_xpo，光斑中心所在网格的垂直像素数目为L_zp个，底部网格线的起始像素坐标为L_zpo，则X_n、Z_n由下式确定

X_n＝（X_p－L_xpo）／L_xp×L                                       （2－1）

Z_n＝（Z_p－L_zpo）／L_zp×L                                         （2－2）

实际中网格的水平线不可能与摄像机的行扫瞄线平行，即使部分平行，由于镜头非线性其它部分也还会有夹角；计算时要先查找出网格4个角的坐标，P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂）、P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄）），并根据这4个点的像素坐标确定出4条像素坐标直线方程：

网格水平向顶部格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂））：      （3－1）

网格水平向底部格线方程（P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－2）

网格垂直向左侧格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_lb（X₃，Z₃））：  （3－3）

网格垂直向右侧格线方程（P_rt（X₂，Z₂）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－4）

由于其中水平的两条线斜率K_x1 、K_x2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时，K_x1 =K_x2＝0，垂直的两条斜率K_z1 、K_z2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时， K_z1 =K_z2＝1，再根据光斑坐标（X_p，Z_p）做出斜率分别为K_x、K_z的两条经光斑中心的十字线，利用这6条线分别计算出，L_xp、L_xpo、L_zp、 l_zpo，再带入上式计算，求出X_n、Z_n。

本发明的有益效果是，在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围内即可，不需精确调整，不需重新律定摄像机像素与实际距离的对应关系，降低了对摄像机定位精度的要求；方便了设备的维护，保证了观测数据的连续性；利用精密网格确定摄像机像素坐标与网格坐标的关系，减小了摄像机镜头非线性畸变产生的观测误差，并可精确计算光斑中心位置的真实变化。极大的提高了系统的观测精度。定位幕的复位精度在±0.02mm之内，网格的精度在±0.005mm之内，观测的定位误差为±0.05mm，非线性误差为±0.02mm。

附图说明

图1是本发明精密网格定位幕示意图；

图2 是本发明记录的光斑及像素坐标值；

图3 是本发明激光光斑映射在精密网格定位幕上；

图4 是本发明一种光斑在网格中的计算示意图；

图5是本发明另一种光斑在网格中的计算示意图。

具体实施方式

（一）在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，如图1所示，精密网格定位幕与一套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具体的数据采集控制流程为：

（1）在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；

（2）数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图像符合程序要求，保存图像到内存或硬盘，并向接收端控制器发送精密网格定位幕拉开命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的拉开，切换到激光光斑接收幕；

（3）数据采集程序判断精密网格定位幕拉开正常后，依次控制各个测点波带板进入光路，在光斑接收幕上形成测点光斑，摄像机依次完成各个测点光斑图像的捕捉，并利用图像计算方法：双峰法，计算出光斑中心在摄像机像素坐标系上的坐标值，如图2所示；

（二）在两次捕捉图像：精密网格定位幕图像及光斑图像的过程中，摄像机的位置没有发生任何变化，因此，两幅图像的像素坐标是重合的；将计算出来的光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）按像素方式映射到已捕捉的精密网格定位幕的图像中，如图3，图4所示；

（三）根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标（X_r，Z_r），具体的图像计算方法如下：

设观测坐标原点在整个网格的左下角，网格的间距为L，则光斑中心在网格坐标系的位置为：

X_r＝N_x×L＋X_n                                            （1－1）

Z_r＝N_z×L＋Z_n                                                    （1－2）

式中：

N_x——从光斑中心向左完整网格的数量

N_z——从光斑中心向下完整网格的数量

X_n——在一个网格内距左侧格线的距离

Z_n——在一个网格内距底部格线的距离

从图及计算公式中可看出，镜头的非线性误差影响被缩小在了一个网格内，即X_n、Z_n中带有非线性的影响，网格尺寸为5mm×5mm，所有网格的实际宽度均为L，光斑中心所在网格的水平像素数目为L_xp个，左侧网格线的起始像素坐标为L_xpo，光斑中心所在网格的垂直像素数目为L_zp个，底部网格线的起始像素坐标为L_zpo，则X_n、Z_n由下式确定

X_n＝（X_p－L_xpo）／L_xp×L                                       （2－1）

Z_n＝（Z_p－L_zpo）／L_zp×L                                         （2－2）

实际中网格的水平线不可能与摄像机的行扫瞄线平行，即使部分平行，由于镜头非线性其它部分也还会有夹角；计算时要先查找出网格4个角的坐标，如图5所示：P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂）、P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄）），并根据这4个点的像素坐标确定出4条像素坐标直线方程：

网格水平向顶部格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂））：      （3－1）

网格水平向底部格线方程（P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－2）

网格垂直向左侧格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_lb（X₃，Z₃））：  （3－3）

网格垂直向右侧格线方程（P_rt（X₂，Z₂）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－4）

由于其中水平的两条线斜率K_x1 、K_x2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时，K_x1 =K_x2＝0，垂直的两条斜率K_z1 、K_z2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时， K_z1 =K_z2＝1，再根据光斑坐标（X_p，Z_p）做出斜率分别为K_x、K_z的两条经光斑中心的十字线，利用这6条线分别计算出，L_xp、L_xpo、L_zp、 l_zpo，再带入上式计算，求出X_n、Z_n。其算法较为简单，这里就不再赘述。

Claims (2)

1.一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，其特征在于包括下列步骤：

（一）在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，精密网格定位幕与一套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具体的数据采集控制流程为：

（1）在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；

（2）数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图像符合程序要求，保存图像到内存或硬盘，并向接收端控制器发送精密网格定位幕拉开命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的拉开，切换到激光光斑接收幕；

（3）数据采集程序判断精密网格定位幕拉开正常后，依次控制各个测点波带板进入光路，在光斑接收幕上形成测点光斑，摄像机依次完成各个测点光斑图像的捕捉，并利用图像计算方法：双峰法，计算出光斑中心在摄像机像素坐标系上的坐标值；

（二）在两次捕捉图像：精密网格定位幕图像及光斑图像的过程中，摄像机的位置没有发生任何变化，因此，两幅图像的像素坐标是重合的；将计算出来的光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）按像素方式映射到已捕捉的精密网格定位幕的图像中；

（三）根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标（X_p，Z_p）在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标（X_r，Z_r）。

2.根据权利要求1所述一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，其特征在于步骤（三）中具体的图像计算方法如下：

设观测坐标原点在整个网格的左下角，网格的间距为L，则光斑中心在网格坐标系的位置为：

X_r＝N_x×L＋X_n                        （1－1）

Z_r＝N_z×L＋Z_n                           （1－2）

式中：

N_x——从光斑中心向左完整网格的数量

N_z——从光斑中心向下完整网格的数量

X_n——在一个网格内距左侧格线的距离

Z_n——在一个网格内距底部格线的距离

从图及计算公式中可看出，镜头的非线性误差影响被缩小在了一个网格内，即X_n、Z_n中带有非线性的影响，网格尺寸为5mm×5mm，所有网格的实际宽度均为L，光斑中心所在网格的水平像素数目为L_xp个，左侧网格线的起始像素坐标为L_xpo，光斑中心所在网格的垂直像素数目为L_zp个，底部网格线的起始像素坐标为L_zpo，则X_n、Z_n由下式确定

X_n＝（X_p－L_xpo）／L_xp×L                  （2－1）

Z_n＝（Z_p－L_zpo）／L_zp×L                  （2－2）

实际中网格的水平线不可能与摄像机的行扫瞄线平行，即使部分平行，由于镜头非线性其它部分也还会有夹角；计算时要先查找出网格4个角的坐标，P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂）、P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄）），并根据这4个点的像素坐标确定出4条像素坐标直线方程：

网格水平向顶部格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_rt（X₂，Z₂））：  （3－1）

网格水平向底部格线方程（P_lb（X₃，Z₃）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－2）

网格垂直向左侧格线方程（P_lt（X₁，Z₁）、P_lb（X₃，Z₃））：  （3－3）

网格垂直向右侧格线方程（P_rt（X₂，Z₂）、P_rb（X₄，Z₄））：  （3－4）

由于其中水平的两条线斜率K_x1 、K_x2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时，K_x1 =K_x2＝0，垂直的两条斜率K_z1 、K_z2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行时， K_z1 =K_z2＝1，再根据光斑坐标（X_p，Z_p）做出斜率分别为K_x、K_z的两条经光斑中心的十字线，利用这6条线分别计算出，L_xp、L_xpo、L_zp、 l_zpo，再带入上式计算，求出X_n、Z_n。

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