CN103868501A - 一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置 - Google Patents

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袁建平
朱战霞
马卫华
顾文娟
方群
罗建军
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    • G—PHYSICS
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    • G01C15/02—Means for marking measuring points

Abstract

本发明涉及一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，其特征在于：灯源位于信标灯箱的内部，信标灯箱的六个平面背景均为黑色，黑色背景上设有N行N列的标识点；所述标识点的排布为：中心为特殊标识点，周围全部为白色标准圆形标识点；所述特殊标识点为在六个面上的特殊标识图形为：白色圆形、黑色圆形、1/4白色圆形、2/4白色圆形、3/4白色圆形和两个1/4白色圆形形成的八字形。本发明可广泛用于航天器近距离相对位置和姿态的视觉测量、地面各种运动体的位置姿态视觉测量，水下航行器的位置姿态视觉测量等。

Description

一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置
技术领域
本发明属于工业数字摄影测量技术，尤其涉及一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置。
背景技术
在工业数字摄影测量中，人工标识作为特征点起着相当重要的作用。为了满足不同的测量任务和测量环境的需要，国内外的学者和测量工作者设计了各种类型的人工标识，包括球形标识、普通漫反射标识、激光投影标识、彩色标识以及回光反射标识。
（1）球形标识：在工业数字摄影测量中，球形标识图像的形状与像机主光轴和标志平面法线夹角有关。正直摄影情况下(摄影主光轴与平面法线平行)，球形标识的成像也为圆形，但非正直摄影及摄影主光轴与平面法线不平行情况下，球形标识的成像为椭圆或圆锥的一部分，随着主光轴与标志法线夹角增大，标识图像所成的椭圆也越窄，椭圆图像越窄，在识别与定位时会增加识别的难度、降低定位精度，匹配精度也越低。
（2）普通漫反射标识：摄影测量中，普通漫反射标识一般是以白色为背景的黑色圆或以黑色为背景的白色圆为标识点，目的是使标识自身的颜色和背景颜色有较大的反差。
（3）激光投影标识：激光点既可以在经纬仪测量系统中作为标识使用，又可以在摄影测量中使用。激光点由激光投点器投影得到，实际上是一种投影标识。
（4）彩色标识：工业数字摄影测量使用彩色标志是利用了光的相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，从而反射了绿色。
（5）回光反射标识是由具有回光反射材料的反射膜制作而成的，这种回光反射膜由一面带有背胶，能够粘贴在被测物体上，另一面由直径大约50um的玻璃微珠或微晶立方角体组成。回光反射材料的原理是反光材料中都含有一种高折射率玻璃微珠或微晶立方角体，将入射光按原路反射回光源处，形成回归反射现象。
以上这些已有标识的应用都存在自身的限制，例如，球形标识对外部照明就很敏感，当照明光线与球形表面交角减小时，会产生阴影；激光投影标识的光点不稳定且会形成光斑，从而影响位置和姿态的测量；彩色标识容易丢失标识的空间分辨率，不利于观测和数据处理；回光反射标识中玻璃微珠的形状不可能十分一致完整以及不同波长的光有不同的角度偏差，所以反射光不可能与入射光完全平行，这样就会造成测量的误差。
然而对于普通漫反射标识，其标识图像与背景之间有较大的对比度，在识别和定位时比较容易。这种标识制作方便，不需要很多特殊的材料和制作工艺，而且这种标识的成像受摄影角度影响很小，可以在测量过程中进行大角度摄影。但是这种标识图案的设计目前集中于黑白大小相同的圆点且分布较密（如图1所示），不利于快速观测和识别。本发明正是针对其不足，基于普通漫反射人工标识的原理设计并给出了有利于快速观测和识别的人工标识图案。
见文献：1、陈玉萍，苏博.摄影测量中标记点编码与解码的方法[J].技术与创新管理，2009,30（4）；2、范生宏，李广云，黄桂平.工业数字摄影测量中人工标志的研究与应用[D].2006；3、马扬飚，钟约先，戴小林.基于编码标志点的数码相机三维测量与重构[J].光学技术，2006,32（6）；4、郑晓杰，王军杰，左春.基于几何特性的摄影测量标记点信息处理方法[J].测量测试技术，2007,34（5）：49—52。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，可用于航天器近距离相对位置和姿态的视觉测量、地面各种运动体的位置姿态视觉测量，水下航行器的位置姿态视觉测量等。
技术方案
一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，其特征在于包括正六面体信标灯箱4、灯源和标识点；灯源位于信标灯箱4的内部，信标灯箱4的六个平面背景均为黑色，黑色背景上设有N行N列的标识点；所述标识点的排布为：中心为特殊标识点2，周围全部为白色标准圆形标识点3；所述特殊标识点2为在六个面上的特殊标识图形为：白色圆形、黑色圆形、1/4白色圆形、2/4白色圆形、3/4白色圆形和两个1/4白色圆形形成的八字形。
所述N为奇数且大于等于3。
一种所述视觉测量用接触式主动发光平面标识装置的使用方法，其特征在于步骤如下：将标识装置固定在被标示物体上，且标识装置的三个方向的坐标主轴与标识装置三个方向的坐标主轴一致。
有益效果
本发明提出的一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，基于主动发光标识，光源采用LED灯，利用普通漫反射的工作原理进行人工标识的设计，特别地，为了方便对动态物体的检测，人为设计了一组便于识别的特殊标识，通过对这些特殊标识的观测和处理，可方便地实现三维空间内动态物体位置和姿态的确定。
本发明的信标箱上的人工标识辅助实现运动物体位置和姿态的快速定位，可在大范围实现运动物体位姿的视觉测量。本发明可以实现对运动物体位置和姿态的快速视觉测量。通过合理选择分布在特征信标箱上最中间的特征点，可以实现运动物体三维位置和姿态的快速测量。本发明可广泛用于航天器近距离相对位置和姿态的视觉测量、地面各种运动体的位置姿态视觉测量，水下航行器的位置姿态视觉测量等。
本发明原理简单，制作简单，操作方便，实用性强。
附图说明
图1：现有技术的漫反射人工标识图案；
图2：本发明的人工标识图案；
其中，1是特殊标识周围分布的是大小相同的圆；2是人工标识图案中间的特殊标识点；3是黑色背景；4是制作好的信标灯箱；
图3：本发明标识装置中六面体的标识图案；
图4：本发明实施例标识装置中六面体的标识图案。；
图5：本发明实施例的标识装置。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例针对室内较暗环境下或者轨道空间夜景环境下的测量，因此设计的人工标识是一组位于黑色背景上的特殊白色图案，目的是使标识自身的颜色和背景颜色有较大的反差，这样有利于对被测动态物体位置和姿态的检测和识别。
黑色背景上的白色人工标识图案呈对称分布，其最中间布设特殊图案（称为编码标识点），周围全部为白色标准圆形图案，形成N行N列，N为奇数，本实施例N等于3。
为了在三维空间对动态物体的六自由度运动状态（位置和姿态）进行快速识别和测量，本发明设计了一组（六个）人工标识，以3行3列为例，每个人工标识除了中间的编码标识点不同，其余都相同。最中间的编码标识点的图案如图3所示，特殊标识周围分布的是大小相同的圆。
人工标识图案如图2所示。其中，1是特殊标识周围分布的是大小相同的圆；2是人工标识图案中间的特殊标识点；3是黑色背景；4是制作好的信标灯箱，灯箱内安装有LED光源。
所述标识点的排布为：中心为特殊标识点2，周围的八个标识点3全部为白色标准圆形标识点；所述特殊标识点2为在六个面上的特殊标识图形为：白色圆形、黑色圆形、1/4白色圆形、2/4白色圆形、3/4白色圆形和两个1/4白色圆形形成的八字形。
将这一组人工标识沿着被标示物体的三个主轴垂直方向对称地安装，且标识装置的三个方向的坐标主轴与标识装置三个方向的坐标主轴一致。在物体运动过程中，根据视觉测量系统得到的图像就能够很快地判断出当前物体的大致姿态，不用进行繁琐的解算和递推，减少了处理时间并且提高了实时性和测量精度。具体步骤如下：
第一步：根据被测动态物体结构，确定三个主轴方向。
第二步：根据被测动态物体的对称结构，合理选择人工标识的安装平面和安装位置。
第三步：根据测量范围和具体安装空间的大小，确定人工标识背景的尺寸，选择尺寸大小合适的电路板，采用焊接技术将若干LED灯珠均匀安装在电路板上。
第四步：采用绝缘性良好的材料制作与电路板尺寸大小合适的外壳，灯珠所在面上的壳体采用白色透光材料，然后将电路板固定其中，进行封装（称作信标箱）。
第五步：采用丝刻技术在黑色不透光薄膜材料（可粘贴）上，按照图3设计的人工标识图案精确刻出白色部分，然后将此黑色不透光薄膜平整地粘贴在信标箱的白色透光面上。
第六步：接通电源，LED灯亮，信标箱上仅能看到周围白色圆和中间的特殊标识，其余部分是被黑色不透光薄膜材料遮盖的背景。
第七步：将制作好的信标箱依次对称安装在被测动态物体三个主轴的垂直方向上，然后连接电源测试LED灯的照明程度。
第八步：将被测动态物体处于测量环境中，开启视觉测量系统，通过对各个特征圆圆心图案的识别和检测，获取各个特征圆圆心空间位置的实时测量结果。
第九步：根据每个面上的特殊编码标识，基于一定的算法进行解算，最终可得到被测物体的位置和姿态。

Claims (4)

1.一种视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，其特征在于包括正六面体信标灯箱（4）、灯源和标识点；灯源位于信标灯箱（4）的内部，信标灯箱（4）的六个平面背景均为黑色，黑色背景上设有N行N列的标识点；所述标识点的排布为：中心为特殊标识点（2），周围全部为白色标准圆形标识点（3）；所述特殊标识点（2）为在六个面上的特殊标识图形为：白色圆形、黑色圆形、1/4白色圆形、2/4白色圆形、3/4白色圆形和两个1/4白色圆形形成的八字形。
2.根据权利要求1所述视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，其特征在于：所述N为奇数且大于等于3。
3.根据权利要求1所述视觉测量用接触式主动发光平面标识装置，其特征在于：所述光源采用LED光源。
4.一种权利要求1或2或3所述视觉测量用接触式主动发光平面标识装置的使用方法，其特征在于步骤如下：将标识装置固定在被标示物体上，且标识装置的三个方向的坐标主轴与标识装置三个方向的坐标主轴一致。
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