CN102927917B - 多目铁塔视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多目铁塔视觉测量方法，利用一台长焦照相机对铁塔进行多方位拍照，通过计算实现对铁塔空间尺寸的测量，步骤为：⑴确定照相机的K值。⑵测量铁塔的根开<i>l</i>，确定物点W的高度h。⑶选定2~5个照相点进行拍照。⑷读取照相机中图像参数及像素坐标，将已知测量数据、图像参数和像素坐标输入到Excel电算表中。⑸图像训练。⑹通过电算表中的函数计算公式和宏求解物点空间坐标。⑺求取多物点的坐标，利用空间解析几何公式求出任意两点间的距离。本发明以中心桩为坐标原点形成空间坐标系进行空间定位，利用多张照片的图像数据计算空间任意点的坐标，通过计算空间两点间的距离实现空间尺寸的测量，和单目视觉测量相比提高了测量的准确度，实现了对输电铁塔尺寸的快速检测。

Description

多目铁塔视觉测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种空间测量方法，具体涉及一种多目铁塔视觉测量方法。

背景技术

输电铁塔在受到恶劣天气影响时会发生弯曲、折断甚至倒塔等现象，造成输电中断等事故。为了检测输电铁塔在运行过程中所处的状态，需要对铁塔的形态、尺寸进行测量。铁塔测量目前主要通过经纬仪、全站仪等专用测量仪器，优点是测量精度高，缺点是测量速度慢，当需要对铁塔多个尺寸进行测量时，测量速度就成了主要难题。

授权公告号为CN101334276B的中国发明专利“公开一种视觉测量方法与装置,解决适应性差的问题。步进电机驱动两台摄像机同步相向转动;并驱动摄像机两次转动,两台摄像机对目标跟踪,使目标图像横坐标处于跟踪摄像机所采集图像的中心区域;根据两次转动的转角、及目标在两台摄像机图像中的坐标,计算目标的三维坐标。两台摄像机安装在左、右连杆顶端的支架上,左、右带轮安装于左、右连杆的底端;步进电机输出轴上装有驱动带轮,左带轮旁边装有换向带轮和张紧轮;通过双面齿同步带,将右带轮、换向带轮、左带轮、张紧轮、驱动带轮联结在一起。”该专利需要两台照相机和专门的装置进行视觉测量，测量过程较为繁琐。

本申请人在先申请了专利申请号为201210141762.4的“单目铁塔视觉测量方法”，采用一张照片进行测量，属于平面测量，本发明是在铁塔单目视觉测量方法的基础上的发展，为空间视觉测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种多目铁塔视觉测量方法，采用多张照片的图像数据进行计算，实现对铁塔空间尺寸的测量，提高测量的准确度，优化对输电铁塔的检测过程。

本发明多目铁塔视觉测量方法，利用一台长焦照相机对铁塔进行多方位拍照，通过计算实现对铁塔空间尺寸的测量，步骤如下：

⑴确定照相机的K值，利用已知的距离L1、物体的尺寸B、物体对应的像素差△F，图像读取的焦距值f，通过式(1)计算出K值：

（1）

L=L1

⑵测量铁塔的根开l，查图纸或用测量设备测量出铁塔一个物点W的高度h；

⑶选定2~5个照相点进行拍照，拍照时将整个铁塔全部收纳进图像中；

⑷读取图像参数及像素坐标，确定铁塔与竖直方向的夹角β；将已知测量数据、图像参数和像素坐标输入到Excel电算表中；

⑸图像训练，训练的方法为利用规划求解，调整的图像对应实际尺寸的比例关系，改变相机距铁塔的距离L，对各像点进行重新计算，求出物点的计算坐标，使计算出的坐标值与实际坐标相等，求解出图像对应的实际比例关系并固定下来；

⑹通过电算表中的函数计算公式和宏求解物点；所述函数计算公式包括：

ⅰ、计算或测量出照相位置距铁塔的距离L，计算时通过式⑴求解L。

ⅱ、图像中M点像素坐标转变为A点为坐标原点的空间坐标()，计算公式为：

(2)

(3)

。

其中：ΔF为像素坐标中M点和A点水平坐标差，△Z为像素坐标中M点和A点的竖直像素坐标差。

ⅲ、铁塔水平角度α的计算，计算式为：

⑷

α=γ+β

其中：γ为铁塔水平角计算值，β为倾斜角，即铁塔与竖直方向的夹角β，α为校正后铁塔水平角。

ⅳ、根据坐标变换的原理，计算图像参考点M和照相机照相点O相对于铁塔中心桩点为坐标原点的坐标系的空间坐标：

图像M点的坐标为：

（)，简记为()；

照相点O坐标为)，简记为()，=。

ⅴ、物点W到图像M坐标点和照相机照相点O坐标点之间直线距离d的计算，

计算式为：

⑸

式⑸中X=x ₀ －x ₁ ，Y=y ₀ －y ₁ ，Z=z ₀ －z ₁ ；z _w ，y _w ，z _w 为物点W的空间坐标。

ⅵ、利用2~5幅图像求解物点坐标，计算为：

令：⑹

将式⑸带入⑹进行计算，求出物点W的坐标（x _w ,y _w ,z _w ）。

⑺求取多个物点的坐标，利用空间解析几何公式求出任意两点间的距离。

测量设备为全站仪、经纬仪或测距仪。式⑷中a和b的计算式为：

⑺

⑻

⑼

当采用长焦远距离照相时可直接使用简化计算。

步骤⑷中已知测量数据包括根开l、W点高度h、塔腿角钢尺寸B。图像参数包括焦距、高度和宽度方向的像素值、图像的倾斜角β。像素坐标包括所求物点对应在图像中影像点的坐像素坐标、塔腿角钢尺寸B在图像中的像素差ΔF。

β角利用照相时设置的铅直线来测确定或由相邻两层的端点像素坐标计算求出。

本发明通过多目铁塔视觉测量方法以中心桩为坐标原点，四个脚桩对称轴线为坐标轴形成空间坐标系进行空间定位，利用多张照片的图像数据，通过计算空间两点间的距离实现空间尺寸的测量，提高了测量的准确度，优化了对输电铁塔的检测过程。本发明测量方法简单、设备费用低，通过计算机处理快速、准确地得到空间测量数据，适应于输电铁塔的测量，也可用于其它大型设备或物体的空间测量工作。

附图说明

图1为输电铁塔拍照示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为物点W的求解示意图；

图4为空间坐标示意图。

其中：1—照相机、2—铁塔、l—根开（铁塔相邻两个脚之间的距离）、L—照相位置O距离A脚的距离、W—物点（铁塔上求取的点）、M—照片上参考点、α—校正后铁塔水平角、β—倾斜角（铁塔与竖直方向的夹角）、γ—铁塔水平角计算值、Q—（铁塔）中心桩点、R—塔顶点、O—照相机照相点、（M_A、M_B、M_C）—物点W在ABC三张照片的投影点、L1—已知的距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明一种多目铁塔视觉测量方法，利用一台长焦照相机对铁塔进行多方位拍照，通过计算实现以中心桩为坐标原点，以四个脚桩轴对称的空间坐标的定位，对铁塔空间尺寸的测量。如图1所示，照相机1自O点向铁塔2照相，铁塔高度存在虚拟的投影面HA，铁塔上的物点W，W在HA上投影点M,M点的实际高度为z₁。多目铁塔视觉测量的步骤如下：

⑴确定照相机的K值，利用图像读取的焦距值f、已知的距离L1、物体的尺寸B和物体对应的像素差ΔF，通过式（1）计算出K值，照相机的K值是照相机的特性，每台照相机有自己的K值。K值的计算公式为：

L=L1

⑵测量铁塔的根开l和铁塔一个物点W的高度h。根开l为铁塔两脚之间的距离，根开l和h的单位mm，可以通过实际测量或查图纸找出。物点W可以任意选取。

⑶选定3个照相相点，分别从A、B、C三个方向进行拍照，拍照时将整个铁塔全部收纳进图像中。

⑷读取照相机中图像参数及像素坐标，确定倾斜角β，倾斜角β利用照相时设置的铅直线来测确定。

将已知测量数据、图像参数和像素坐标输入到Excel算表中输入电算表中。已知测量数据为：根开l、W点高度h、倾斜角β、照相机K值和塔腿的角钢尺寸B。图像参数包括焦距、高度和宽度方向的像素值。像素坐标包括所求物点对应在图像中影像点的像素坐标、塔腿角钢尺寸B在图像中的像素差ΔF。

⑸图像训练，训练的方法为利用规划求解，调整的图像对应实际尺寸的比例关系，改变相机距铁塔的距离L，对各像点进行重新计算，求出物点的计算坐标，使计算出的坐标值与实际坐标相等，求解出图像对应的实际比例关系并固定下来。另外还需要检查图像的倾斜处理、平面角度计算是否正确。具体如下：

将测量得到的已知坐标尺寸、铁塔的根开l，将图像的像素值、图像的焦距值、像素与实物的比例关系、图像的倾斜校正数据、计算a、b值所需点的像素坐标、图像坐标零点(参考点)的像素坐标、所求物点在图像上的像素坐标输入电算表中。电算表的作用是求解物点，其求解公式通过电算表的函数和宏固定在电算表中。

将所求物点坐标输入电算表后，电算表可直接计算出所求物点的坐标，由于已知的物点的坐标是已知的，计算出的坐标会与实际的坐标存在一定的误差。令计算坐标等于已知坐标，采用规划求解的方法，可求得已知物体尺寸B对应的像素差ΔF，观察像素差ΔF的变化量是否在读数误差范围内，如在范围内可接受，否则需要检查输入参数是否正确。修正参数后重新进行图像的训练。

⑹通过固定在电算表中的函数计算公式和宏求解物点；函数计算公式包括：

ⅰ、计算或测量出照相位置距铁塔的距离L，计算时通过式⑴求解L。

L=Bkf/ΔF

ⅱ、图像中M点像素坐标转变为A点为坐标原点的空间坐标()，计算公式为：

(2)

(3)

。

其中：ΔF为像素坐标中M点和A点水平坐标差，△Z为像素坐标中M点和A点的竖直像素坐标差。

ⅲ、铁塔水平角度计算：

⑷

α=γ+β

其中：⑺

⑻

⑼

当采用长焦远距离照相时可直接使用简化计算。

ⅳ、根据坐标变换的原理，计算图像参考点M和相机照相点O相对于铁塔中心桩点为坐标原点的坐标系（xyz）的空间坐标。

图像中M点在图像坐标系的坐标为()。根据坐标变换的原理可以推导出M点在空间坐标系中的坐标为()，简记为()。图2中Q为空间坐标系的原点，也是铁塔的中心桩点。

照相机照相点O点在图像坐标系的坐标为(0，-L，)，其中为像机相对于中心桩的高度，根据坐标变换的原理可以推导出照相点O点在空间坐标系的坐标为：

（），简记为()，=。

可以通过铁塔的对称关系在图像中找到前后对应重叠对应的点，查出可测量出该点的高度得到，也可以通过全站仪等专用测量设备直接测量得到。

ⅴ、物点W到图像M坐标点和照相机照相点O坐标点之间直线距离d的计算。根据空间解析几何的原理，令 ，，则铁塔上物点W()距()和()形成的直线的距离为：

⑸

ⅵ、利用3幅图像求解物点坐标，计算式为

令：…………………………………⑹

将式⑸带入⑹进行计算，求出物点W的坐标（x_w,，y_w，z_w）。

物点W的求解过程为：

设：,

令：

……………………(A)

……………………(B)

……………………（C）

根据(A)、(B)、(C)式可求得物点W的坐标（x_w,，y_w，z_w）。

⑺求取物点的坐标，利用空间解析几何公式求出任意两点间的距离。

将需要求取的物点在不同图像（照片）中对应的像素点坐标分别输入到电算表对应图像输入表，启动宏批量计算出多个物点的坐标。也可以通过专门编制的图像处理软件，自动读取坐标值，输入到电算表中，同时求出各物点的空间坐标。电算表中有自动生成的AUTOCAD指令，可以在AUTOCAD中显示出所求物点位置、虚拟像点位置、照相点位置以及照相点通过虚拟像点射向物点的射线。如果将某塔腿的各个节点求出，则可以在CAD中通过不同的视角看到该塔腿的空间变形情况。也可以利用空间解析几何公式求出任意两点间的距离从面实现尺寸的测量。

实施例

测量某铁塔有三幅图像，分别为IMG_4386.jpg、IMG_4400.jpg、IMG_4401.jpg。三幅图像均由canon350D相机拍摄，其相机常数k=129.3，焦距分别为78mm、94mm、78mm，图像的大小分别为1664×2496、2304×3456、2304×3456像素。图像中已知角钢的尺寸和图像像素坐标的对应比例ΔF（实际尺寸（mm）/像素）分别为：134.2/11.2、100/12.2、96/14.2。根据式（1）计算出（也可以直接测量得出）照相位置距离L分别为115824.4897mm、95463.93443mm、65390.46827mm。铁塔的根开为3634mm，铁塔设计高度为23700mm。根据公式（2）求出三幅图像的α角分别为：0.46560088、1.636771219、1.289904527弧度。图像校正β角分别为：0、0.045013832、-0.046478131弧度。根据坐标变换原理计算出三个照相点相对于中心桩空间坐标分别为(-53817.53977，-105312.1993，7000)、(-97073.24749，4476.654748，2000)、(-64644.72443，-19944.0622，3000)，坐标单位为mm。

取B腿底做参考点图像坐标，三张照片的图像坐标分别为(723，2192)、(1368、3305)、(1216、3452)，坐标单位为像素。取B腿塔顶点坐标作为物点W的图像坐标，三张图的的图像坐标分别为(780,262)、(1061,526)、(1229,163)，坐标单位为像素。根据式（1）求像点相对于参考点的图像坐标分别为(307.683079，0，11023.25728)、(-2024.469708，0，10936.81999)、(-496.8603576，0，10791.62398)，坐标单位为mm。根据坐标变换原理得出像点相对于铁塔中心桩点的空间坐标分别为(-1542.069183，-1955.137334，11023.25728)、(-1683.532702，203.0653655，10936.81999)、(-1954.735955，-1339.612294，10791.62398)，坐标单位为mm。

由三幅图像的坐标点和相机坐标点可以形成相对于中心桩坐标系的空间三条直线，三条直线的交点，即所求的物点坐标。由于测量误差的原因，三条直线很难在空间相交，通过公式(3)求出物点W的空间坐标为(-592.472,-317.344,11012.49966)，坐标单位为mm。图像参数、数据及计算结果见表1，物点W的求解示意图见图3。

表1多目铁塔视觉测量的图像参数、数据及计算结果

关于空间坐标系设定：如图4所示，铁塔的四个腿根部围成方形中心位置，中心桩点为坐标原点，以横向的A、D方向为x方向，以与x轴垂直，D、C方向为y轴，向上的方向为z轴。照相时不管照相的方向如何，铁塔的空间坐标系不变。如表2所示，以B腿为参考腿时，角度不再变换，参考腿为A腿时，铁塔水平角变换为；参考腿为C腿时，铁塔水平角变换为；参考腿为D腿时，铁塔水平角变换为。

表2铁塔水平角变换数据

Claims (5)

1.一种多目铁塔视觉测量方法，利用一台长焦照相机对铁塔进行多方位拍照，通过计算实现对铁塔空间尺寸的测量，步骤如下：

⑴确定照相机的K值，利用已知的距离L1、物体的尺寸B、物体对应的像素差△F，图像读取的焦距值f，通过式(1)计算出K值：

（1）

L=L1

⑵测量铁塔的根开l，查图纸或用测量设备测量出铁塔一个物点W的高度h；

⑶选定2~5个照相点进行拍照，拍照时将整个铁塔全部收纳进图像中；

⑷读取图像参数及像素坐标，确定铁塔与竖直方向的夹角β，将已知测量数据、图像参数和像素坐标输入到Excel电算表中；

⑸图像训练，训练的方法为利用规划求解，调整的图像对应实际尺寸的比例关系，改变相机距铁塔的距离L，对各像点进行重新计算，求出物点的计算坐标，使计算出的坐标值与实际坐标相等，求解出图像对应的实际比例关系并固定下来；

⑹通过电算表中的函数计算公式和宏求解物点；所述函数计算公式包括：

ⅰ、计算或测量出照相位置距铁塔的距离L，计算时通过式⑴求解L；

ⅱ、图像中M点像素坐标转变为A点为坐标原点的空间坐标()，计算公式为：

(2)

(3)

；

其中：ΔF为像素坐标中M点和A点水平坐标差，△Z为像素坐标中M点和A点的竖直像素坐标差；

ⅲ、铁塔水平角度α的计算，计算式为：

⑷

α=γ+β

其中：γ为铁塔水平角的计算值，β为校正角，即铁塔与竖直方向的夹角β，α为校正后铁塔水平角；

ⅳ、根据坐标变换的原理，计算图像参考点M和照相机照相点O相对于铁塔中心桩点为坐标原点的坐标系的空间坐标：

图像M点的坐标为：

（)，简记为()；

照相点O坐标为：

（），简记为()，=；

ⅴ、物点W到图像M坐标点和照相机照相点O坐标点之间直线距离d的计算，

计算式为：

⑸

式⑸中X=x ₀ －x ₁ ，Y=y ₀ －y ₁ ，Z=z ₀ －z ₁ ；z _w ，y _w ，z _w 为物点W的空间坐标；

ⅵ、利用2~5幅图像求解物点坐标，计算为：

令：⑹

将式⑸带入⑹进行计算，求出物点W的坐标（x _w ,y _w ,z _w ）；

⑺求取多个物点的坐标，利用空间解析几何公式求出任意两点间的距离。

2.根据权利要求1所述的多目铁塔视觉测量方法，其特征是：所述测量设备为全站仪、经纬仪或测距仪。

3.根据权利要求1所述的多目铁塔视觉测量方法，其特征是：所述式⑷中a和b的计算式为：

⑺

⑻

⑼

当采用长焦远距离照相时可直接使用简化计算。

4.根据权利要求1所述的多目铁塔视觉测量方法，其特征是：步骤⑷中所述已知测量数据包括根开l、W点高度h、塔腿角钢尺寸B，所述图像参数包括焦距、高度和宽度方向的像素值、图像的倾斜角β，所述像素坐标包括所求物点对应在图像中影像点的坐像素坐标、塔腿角钢尺寸B在图像中的像素差ΔF。

5.根据权利要求1所述的多目铁塔视觉测量方法，其特征是：β角利用照相时设置的铅直线来测确定或由相邻两层的端点像素坐标计算求出。