CN105526872B - 基于数字图像测量的三维运动测量系统 - Google Patents

基于数字图像测量的三维运动测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于数字图像测量的三维运动测量系统，包括中控电脑、三维标志牌以及第一摄像机和第二摄像机；三维标志牌包括二维平面标志牌和单面镜，二维平面标志牌用于贴附在目标物体对应位置上，单面镜的镜面与二维平面标志牌相对且两者的夹角为45°；第一摄像机透过单面镜测量二维平面标志牌的运动；第二摄像机测量在单面镜中二维平面标志牌成像的运动；中控电脑分别与所述第一摄像机和第二摄像机通讯连接，其根据第一摄像机和第二摄像机的测量结果，计算目标点的三维运动。本发明简化了测量现场的安装与调试过程，同时大大提高了测量精度。

Description

基于数字图像测量的三维运动测量系统
技术领域
本发明属于目标三维运动测量技术领域，特别是用于工程建(构)筑物的三维动态测量技术领域，具体涉及一种基于数字图像测量的三维运动测量系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，应用于农业、医疗、工业、交通以及军事等领域的运动检测、测量设备需要越来越高的精度和智能。三维运动测量在各个领域中得到了长足的发展，现已经广泛地应用在建筑结构、机械、电子工业、交通监控、体育运动、虚拟现实等三维运动中。
随着数码设备不断的更新换代，用于采集图像的摄像机分辨率可以达到千万像素，采样频率也不断提高，这为图像识别技术的发展与应用提供了很好的硬件保障。数字图像测量是一种非接触的自动获取目标空间位置信息的方法，通过对数字图像采集、图像处理以及对目标空间位置信息进行映射等过程，达到测量目标点的运动信息的目的。试验现场安装方便、操作简单、无需特别的测量经验即可以完成对目标点的位移信息的测量。
数字图像在二维状态下的测量已经非常成熟，测试精度、稳定性方面等均在现有的工程项目中得到了验证。但是由于现实中大部分物体的运动都是在三维状态下的运动情况，如果简单的通过两个正交的二维运动去表示出一个点的三维运动的情况，误差较大，这是由于高精度的图像测量方法只能测量面内运动，对于三维测量需要增加一个正交的平面，两个平面所测量的位移并不是同一个点的位移，将两者简单的认为是一个点的三维运动就会带来误差，这就大大降低了数字图像测量的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种三维运动测量系统，其基于数字图像测量技术设计出一种三维标志牌，保证了两个摄像机能够测量同一目标点，从而提高了测量精度。
具体地，本发明提出的一种基于数字图像测量的三维运动测量系统，包括中控电脑、安装于目标物体对应位置上的三维标志牌以及测量所述三维标志牌的摄像机组；所述三维标志牌包括二维平面标志牌和单面镜，所述二维平面标志牌用于贴附在目标物体对应位置上，所述单面镜的镜面与所述二维平面标志牌相对且两者的夹角为45°；所述摄像机组包括第一摄像机和第二摄像机；所述第一摄像机安装在所述单面镜的透光面方向上，其透过所述单面镜测量所述二维平面标志牌的运动；所述第二摄像机安装在所述单面镜的镜面方向上，其测量在单面镜中二维平面标志牌成像的运动；所述中控电脑分别与所述第一摄像机和第二摄像机通讯连接，其根据所述第一摄像机和第二摄像机的测量结果，计算所述目标物体上目标点的三维运动。
在本发明的进一步优选方案中，所述二维平面标志牌上具有若干个特征点和一个中心特征点，所述中心特征点位于各特征点的中间位置且与所述目标点对应，所述中控电脑通过计算所述中心特征点的三维运动确定所述目标点的三维运动。
在本发明的进一步优选方案中，所述特征点为四个，四个特征点以及所述中心特征点整体呈“十”字分布。
在本发明的进一步优选方案中，所述第一摄像机和第二摄像机均为像素至少为640×480的数字摄像机。
在本发明的进一步优选方案中，以所述二维平面标志牌所在的平面为YOZ直角坐标系平面，以所述单面镜中二维平面标志牌成像所在平面为YOX直角坐标系平面；所述中心特征点的位移为y1、z1，其绕y轴的转角弧度为β1；所述中心特征点在所述单面镜的成像点的位移为x2、y2，其绕z轴的转角弧度为γ2；所述中心特征点到所述二维平面标志牌所在平面和所述单面镜所在平面的相交线的距离为D；
所述中心特征点对应的目标点的三维运动位移计算如下：
在本发明的进一步优选方案中，所述第一摄像机和第二摄像机的图像分辨率为1280X1024，所述中心特征点到四个特征点的距离均为L，且L＝1cm，D＝1.25cm。
在本发明的进一步优选方案中，所述第一摄像机和第二摄像机的Y轴方向和Z轴方向的位移测量精度为0.01mm，其转动测量精度为2分。
在本发明的进一步优选方案中，当Y轴的转角为5°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.1mm；当Y轴的转角为10°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.2mm。
在本发明的进一步优选方案中，所述目标点的旋转角小于所需的测量精度对应的限定角度。
在本发明的进一步优选方案中，所述目标点的最大扭转角度不大于10°，所述中控电脑在计算时选择结构旋转角度较小的方向作为Y轴。
本发明至少具备以下有益效果：
1、本发明基于数字图像测量技术设计出一种三维标志牌，所述三维标志牌包括二维平面标志牌和单面镜，使得第一摄像机和第二摄像机能够测量同一目标点的三维运动，简化了测量现场的安装与调试过程，同时大大提高了测量精度。
2、本发明具有精度高、非接触等优势，可对建(构)筑物的各个目标点进行三维运动测量，也可广泛应用于其他三维运动测量。
附图说明
图1是实施例提出的基于数字图像测量的三维运动测量系统的结构原理示意图。
图2是图1中二维平面标志牌上特征点及中心特征点分布示意图。
图3是图1的整体测量原理示意图。
图4是图3中第一摄像机的测量原理示意图。
图5是图3中第二摄像机的测量原理示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。
实施例
请参阅图1和图2，本实施例提出的一种基于数字图像测量的三维运动测量系统，包括中控电脑、安装于目标物体对应位置上的三维标志牌以及测量所述三维标志牌的摄像机组；三维标志牌包括二维平面标志牌和单面镜，所述二维平面标志牌用于贴附在目标物体对应位置上，所述单面镜的镜面与所述二维平面标志牌相对且两者的夹角为45°；所述摄像机组包括第一摄像机和第二摄像机；所述第一摄像机安装在所述单面镜的透光面方向上，其透过所述单面镜测量所述二维平面标志牌的运动；所述第二摄像机安装在所述单面镜的镜面方向上，其测量在单面镜中二维平面标志牌成像的运动；所述中控电脑分别与所述第一摄像机和第二摄像机通讯连接，其根据所述第一摄像机和第二摄像机的测量结果，计算所述目标点的三维运动。
为了提高精确度，本实施例中所述二维平面标志牌上具有若干个特征点和一个中心特征点，特征点的数量具体优选为四个，所述中心特征点位于四个特征点的中间位置，整体呈“十”字分布，如图2所示，四个特征点分别为点“2”、“3”、“4”、“5”，中心特征点为点“1”左右两个特征点的中心间距为L24，上下两个特征点的中心间距L35。所述中心特征点的位置与所述目标点对应，所述中控电脑通过计算所述中心特征点的三维运动确定所述目标点的三维运动。
本实施例中，所述第一摄像机和第二摄像机均为像素至少为640×480的数字摄像机。
三维运动测量系统原理
请参阅图3，图3中的二维平面标志牌上具有整体呈“十”字分布的四个特征点(点“2”、“3”、“4”、“5”)和一个中心特征点(点“1”)；单面镜中二维平面标志牌成像中同样具有整体呈“十”字分布的四个特征点成像(点“12”、“13”、“14”、“15”)和一个中心特征点成像(点“11”)。第一摄像机透过单面镜对着二维平面标志牌，对目标点(对应中心特征点“1”)进行亚像素定位计算其在二维平面标志牌面内的运动轨迹；第二摄像机对着单面镜，通过单面镜拍摄二维平面标志牌在单面镜中的成像，对目标点成像(对应中心特征点的成像点“11”)进行亚像素定位，得到在二维平面标志牌成像所在平面内的运动轨迹。两个摄像机所测量的为同一个目标点的运动，将两者数据经过理论计算即可得到目标点的三维运动。
具体地，其中第一摄像机测量原理，请参阅图4：
以所述二维平面标志牌所在的平面为YOZ直角坐标系平面。根据数字图像测量原理可以计算出中心特征点“1”在二维平面标志牌所在的平面内的位移，即y和z方向的位移，分别表示y1、z1，并通过四个特征点计算出绕x轴的转角，表示为α1(这里的角度用弧度表示，以逆时针为正)。
其中第二摄像机测量原理，请参阅图5：
以所述单面镜中二维平面标志牌成像所在平面为YOX直角坐标系平面。根据数字图像测量原理可以计算出中心特征点成像点“11”在二维平面标志牌成像所在的平面内的位移，即x和y方向的位移，分别表示为x2、y2，并通过四个特征点计算出绕z轴的转角，表示为γ2(这里的角度用弧度表示，以逆时针为正)。
假设所述中心特征点“1”到所述二维平面标志牌所在平面和所述单面镜所在平面的相交线的距离为D，且所述中心特征点“1”到四个特征点的距离均为L。
(1)当中心特征点“1”绕x轴产生旋转后，中心特征点在单面镜中的成像点“11”会产生y、z向的位移，由于第二摄像机对z方向位移不敏感，因此可以忽略z向影响。
(2)当中心特征点“1”绕y轴产生旋转后，中心特征点在单面镜中的成像点“11”会产生x、z向的位移，其绕y轴的转角表示为β1(这里的角度用弧度表示，以逆时针为正)，这里同样忽略z向影响。对x位移修正为
(3)当中心特征点“1”绕z轴产生旋转后，中心特征点在单面镜中的成像点“11”会产生x、y向的位移对。x位移修正为x＝x2+D·sinγ2·tanγ2。
综合上述(1)、(2)和(3)，则中心特征点“1”也即目标点的位移为：y＝y1、z＝z1，
精度分析
以所述第一摄像机和第二摄像机的图像分辨率为1280X1024，L＝1cm且D＝1.25cm进行计算，所述第一摄像机和第二摄像机的Y轴方向和Z轴方向的位移测量精度为0.01mm，其转动测量精度为2分。
当Y轴的转角为5°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.1mm；当Y轴的转角为10°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.2mm。因此，所述目标点的旋转角需小于所需的测量精度对应的限定角度。在实际工程使用中，所述目标点的最大扭转角度不大于10°比较安全，并且所述中控电脑在计算时可选择结构旋转角度较小的方向作为Y轴，这样可以避免由于旋转角度过大而造成精度丢失。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于,包括中控电脑、安装于目标物体对应位置上的三维标志牌以及测量所述三维标志牌的摄像机组；所述三维标志牌包括二维平面标志牌和单面镜，所述二维平面标志牌用于贴附在目标物体对应位置上，所述单面镜的镜面与所述二维平面标志牌相对且两者的夹角为45°；所述摄像机组包括第一摄像机和第二摄像机；所述第一摄像机安装在所述单面镜的透光面方向上，其透过所述单面镜测量所述二维平面标志牌的运动；所述第二摄像机安装在所述单面镜的镜面方向上，其测量在单面镜中二维平面标志牌成像的运动；所述中控电脑分别与所述第一摄像机和第二摄像机通讯连接，其根据所述第一摄像机和第二摄像机的测量结果，计算所述目标物体上目标点的三维运动。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述二维平面标志牌上具有若干个特征点和一个中心特征点，所述中心特征点位于各特征点的中间位置且与所述目标点对应，所述中控电脑通过计算所述中心特征点的三维运动确定所述目标点的三维运动。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述特征点为四个，四个特征点以及所述中心特征点整体呈“十”字分布。
4.根据权利要求3所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述第一摄像机和第二摄像机均为像素至少为640×480的数字摄像机。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，以所述二维平面标志牌所在的平面为YOZ直角坐标系平面，以所述单面镜中二维平面标志牌成像所在平面为YOX直角坐标系平面；所述中心特征点到所述二维平面标志牌所在平面和所述单面镜所在平面的相交线的距离为D；所述中心特征点到四个特征点的距离均为L，且L＝1cm，D＝1.25cm。
6.根据权利要求5所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述第一摄像机和第二摄像机的图像分辨率为1280X1024。
7.根据权利要求6所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述第一摄像机和第二摄像机的Y轴方向和Z轴方向的位移测量精度为0.01mm，其转动测量精度为2分。
8.根据权利要求7所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，当Y轴的转角为5°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.1mm；当Y轴的转角为10°时，对X轴方向位移进行修正后其精度为0.2mm。
9.根据权利要求8所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述目标点的旋转角小于所需的测量精度对应的限定角度。
10.根据权利要求9所述的基于数字图像测量的三维运动测量系统，其特征在于，所述目标点的最大扭转角度不大于10°，所述中控电脑在计算时选择结构旋转角度较小的方向作为Y轴。
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