CN105115443B - 基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其以下步骤：通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置参数；测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像；提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标；读取像素坐标及两个测量装置扫描靶标时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；计算两台测量装置分别获取扫描图像时，靶标在水平面的水平旋转角度和在垂直平面的竖直旋转角度；根据两个测量装置的相对位置、水平旋转角度和竖直旋转角度，计算靶标中心点的空间坐标。

Description

基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法
技术领域
本发明涉及计算空间三维坐标的测量技术，具体涉及基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法。
背景技术
基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量系统目前在国内属于空白。现有的基于计算机图像测量技术的三维测量系统普遍存在视场角小(水平视角，一般都在0°-180°之间)的问题。要利用现有的三维测量系统进行水平全视角的测量，则要进行多次不同角度的图像采集，采集完毕后要通过对多次采集到的图像进行拼接才能形成一幅水平全视角的图像，这个过程采集较为繁琐，图像拼接过程耗时耗力，从而使得空间三维坐标的求取过程非常耗时；且由于拼接图片过程存在误差，使得空间三维坐标精度较低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种能够快速求取被测靶标中心空间坐标的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其包括以下步骤：
通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置参数；
测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像；
提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标；
读取所述像素坐标及两个测量装置扫描靶标时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；
计算两台测量装置分别获取扫描图像时，在水平面的水平旋转角度和在垂直平面的竖直旋转角度；
根据两个测量装置的相对位置参数、所述水平旋转角度和竖直旋转角度，计算靶标中心点的空间坐标。
本发明的有益效果为：本三维测量方法在进行测量过程采用两台测量装置进行测量，且在采集图像之前就对两个坐标的相对位置关系进行了标定，从而保证了三维测量的快速进行；同时本方案还采用测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式进行图像的采集，从而保证了后续计算靶标中心空间坐标的精度。
附图说明
图1为基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法100的一个实施例的流程图；该方法包括步骤101至步骤106。
在步骤101中，通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置参数；其中，互瞄的意思是两个测量装置分别由其起始位置向同一个方向旋转，旋转至两者的中心线位于同一条直线上，且两个测量装置的测量结构均能采集到另一个测量装置的图像。
而相对位置为两个测量装置由起始位置旋转至两者的中心线位于同一条直线时，两个测量装置在水平面的水平旋转互看角、在垂直平面的竖直旋转互看角和两测量装置中心之间的距离。
在本发明的一个实施例中，通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置的具体步骤为：
选取若干对已知相对距离的空间测量点；在进行相对位置的计算时，其中的若干对至少应等于五对。
测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集所有空间测量点的扫描图片；
提取同一空间测量点在两幅扫描图片上的像素坐标；此处，具体可以采用采用霍夫变换算法提取扫描图片中空间测量点的像素坐标。
读取像素坐标、两个测量装置扫描空间测量点时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；此处的两个测量装置的起始角度指扫描开始时测量装置的水平角度，而测量装置采集一次图像的旋转角度为进行图像采集前根据需要进行设置的。
计算测量装置分别获取扫描图片时的水平旋转角度和竖直旋转角度；此处的水平旋转角度和竖直旋转角度的计算方式可以采用步骤105计算两台测量装置分别获取扫描图像时，在水平面的水平旋转角度和在垂直平面的竖直旋转角度一样的方式进行求取。
对若干对已知相对距离的空间测量点采用非线性最小二乘法，计算两个测量装置的水平旋转互看角、竖直旋转看互角和两测量装置中心之间的距离。该步骤计算水平旋转互看角、竖直旋转互看角和两测量装置中心之间的距离可以用以下方程式采用非线性最小二乘法计算得出：
其中，(x，y，z)为任一空间测量点的空间坐标，aA和aB为两个测量装置在水平面的水平旋转互看角，αn和αk为两个测量装置扫描任一空间测量点时在水平面的水平旋转角度，βn和βk为两个测量装置扫描任一空间测量点时在垂直面的竖直旋转角度，L为两测量装置中心之间的距离，rA和rB为两个测量装置在垂直面的竖直旋转互看角，(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)为已知相对距离的两个空间测量点，d0为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)之间的距离。
在步骤102中，测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像；两个测量装置的旋转速度和扫描速度均是相等的。本方案的两个测量装置是安装高精度转台上的，通过控制转台的外触发脉冲来实现测量装置的旋转速度等于其扫描速度。
采用测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式进行图像采集的主要目的是，实现了安装测量装置的转台转动角度和测量装置采样频率直接的同步，使得获取到的图像没有变形(被拉伸或压缩)，为靶标中心的三维坐标的精确计算打下了良好的基础，也为高精度的三维坐标计算打下了良好的基础。
在本发明的另一个实施例中，在测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像与提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标之间进一步包括：对扫描图像进行图像增强处理。
上述的对图像进行增强处理的具体步骤为：
计算扫描图像灰度分布的概率密度；
其中，P(k)为第k级灰度分布的概率密度，L为灰度等级的级数，k为在L个灰度等级中的任一灰度等级，nk为图像中第k级灰度的像素个数，N为扫描图像中灰度的总数；
扩展灰度分布的概率密度：
其中，Pq(k)为第k个灰度等级扩展后的概率密度；Pmax为扫描图像灰度分布的概率密度的最大值，q为灰度概率密度分布的因子；
根据直方图均衡化原理，对扫描图像的灰度进行增强：
其中，F(k)为扫描图像增强后的灰度。
本发明在获取图像后对获取的原始图像进行了图像增强处理，可以实现在不同光照情况下对300个以上的靶标的精准识别，使靶标的位置精度≤0.05像素的高精度。
在步骤103中，提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标；此处，同样可以采用霍夫变换算法提取扫描图像中靶标的中心点的像素坐标。
在步骤104中，读取像素坐标及两个测量装置扫描靶标时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；此处的两个测量装置的起始角度指扫描开始时测量装置的水平角度，而测量装置采集一次图像的旋转角度为进行图像采集前根据需要进行设置的。该处的采集一次图像的旋转角度等于步骤101中采集一次图像的旋转角度。
在步骤105中，计算两台测量装置分别获取扫描图像时，在水平面的水平旋转角度和在垂直平面的竖直旋转角度；
此步骤中，两台测量装置分别获取扫描图像时的水平旋转角度和竖直旋转角度满足以下式：
其中，α为测量装置扫描靶标中心点时在水平面的水平旋转角度，α0为扫描靶标时的起始角度，Δα为测量装置采集一次图像的旋转角度，β为测量装置扫描靶标中心点时在垂直面的竖直旋转角度，vp为靶标中心的像素坐标，v0为主点像素坐标，△b为像素尺寸，f为测量装置焦距。
在步骤106中，根据两个测量装置的相对位置、水平旋转角度和竖直旋转角度，计算靶标中心点的空间坐标。而计算靶标中心点的空间坐标满足以下式：
其中，(x，y，z)为靶标中心点P的空间坐标，aA和aB为两个测量装置在水平面的水平旋转互看角，αA和αB为两个测量装置扫描靶标中心点P时在水平面的水平旋转角度，βA和βB为两个测量装置扫描靶标中心点P时在垂直面的竖直旋转角度，L为两测量装置中心之间的距离，rA和rB为两个测量装置在垂直面的竖直旋转互看角。
在本发明的再一个实施例中，测量装置为线阵相机。测量装置的采样频率应为20kHz，旋转速度为180°/s。
使用高精度高速线阵相机主要目的为：线阵相机的分辨率可达8k以上，这是现有系统普遍采用面阵相机所远达不到的，高分辨率相机是实现高精度测量的关键之一。
综上所述，本方法采用两个测量装置进行测量，解决了传统基于计算机视觉测量技术的三维测量系统不能实现全视角(水平360°)测量的问题；采用测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像，解决了传统三维测量技术精度不高的问题，实现了水平全视角图像采集的不失真。
本方案的两个测量装置能够实现水平360°旋转，在需要水平全视角测量的场合，本方法可以一次完成测量，无需图像拼接，提高测量的速度和效率。

Claims (9)

1.基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置参数；
测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像；
提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标；
读取所述像素坐标及两个测量装置扫描靶标时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；
计算两台测量装置分别获取扫描图像时，在水平面的水平旋转角度和在垂直平面的竖直旋转角度；
根据两个测量装置的相对位置参数、所述水平旋转角度和竖直旋转角度，计算靶标中心点的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述相对位置参数为两个测量装置由起始位置旋转至两者的中心线位于同一条直线时，两个测量装置在水平面的水平旋转互看角、在垂直平面的竖直旋转互看角和两测量装置中心之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集靶标的扫描图像与所述提取同一靶标的中心点在两幅扫描图像中的像素坐标之间进一步包括：对所述扫描图像进行图像增强处理。
4.根据权利要求2所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述通过互瞄获取两个测量装置之间的相对位置参数进一步包括：
选取若干对已知相对距离的空间测量点；
测量装置以扫描速度等于其旋转速度的方式采集所有空间测量点的扫描图片；
提取同一空间测量点在两幅扫描图片上的像素坐标；
读取像素坐标、两个测量装置扫描空间测量点时的起始角度和测量装置采集一次图像的旋转角度；
计算测量装置分别获取扫描图片时空间测量点的水平旋转角度和竖直旋转角度；
对若干对已知相对距离的空间测量点采用非线性最小二乘法，计算两个测量装置的水平旋转互看角、竖直旋转互看角和两测量装置中心之间的距离。
5.根据权利要求4所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述计算两个测量装置的水平旋转互看角、竖直旋转互看角和两测量装置中心之间的距离用以下方程式采用非线性最小二乘法计算得出：
其中，(x，y，z)为任一空间测量点的空间坐标，aA和aB为两个测量装置在水平面的水平旋转互看角，αn和αk为两个测量装置扫描任一空间测量点时在水平面的水平旋转角度，βn和βk为两个测量装置扫描任一空间测量点时在垂直面的竖直旋转角度，L为两测量装置中心之间的距离，rA和rB为两个测量装置在垂直面的竖直旋转互看角，(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)为已知相对距离的两个空间测量点，d0为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)之间的距离。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述两台测量装置分别获取扫描图像时的水平旋转角度和竖直旋转角度满足以下式：
其中，α为测量装置扫描靶标中心点时在水平面的水平旋转角度，α0为扫描靶标时的起始角度，Δα为测量装置采集一次图像的旋转角度，β为测量装置扫描靶标中心点时在垂直面的竖直旋转角度，vp为靶标中心的像素坐标，v0为主点像素坐标，△b为像素尺寸，f为测量装置焦距。
7.根据权利要求6所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述计算靶标中心点的空间坐标满足以下式：
其中，(x，y，z)为靶标中心点P的空间坐标，aA和aB为两个测量装置在水平面的水平旋转看角，αA和αB为两个测量装置扫描靶标中心点P时在水平面的水平旋转角度，βA和βB为两个测量装置扫描靶标中心点P时在垂直面的竖直旋转角度，L为两测量装置中心之间的距离，rA和rB为两个测量装置在垂直面的竖直旋转互看角。
8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述测量装置为线阵相机。
9.根据权利要求8所述的基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量方法，其特征在于，所述测量装置的采样频率应为20kHz，旋转速度为180°/s。
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