CN106152942A - 一种浮空器囊体多相机联合测量方法 - Google Patents

一种浮空器囊体多相机联合测量方法 Download PDF

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王勤俭
吴平
程杨
阳志勇
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Abstract

本发明公开了一种浮空器囊体多相机联合测量方法，在实际外景中将浮空器囊体场景分为多段场景，分段场景要有30％以上重叠区域。利用多相机联合，合理设计相机的位置完成每个场景多角度影像采集，按照摄影测量和计算机视觉中的视觉测量技术构建每段场景的点云模型，将相邻场景的点云模型拼接后采用标准三角形面元重建方法重构浮空器囊体表面的三维模型，实现任意场景下浮空器囊体体积测量的应用问题。本发明的有益效果是：对于不同大小的浮空器可以完成其体积量测，并能保持有效的接近实际的准确结果，本发明是大型浮空器囊体体积测量技术基础，具有重要实现意义。

Description

一种浮空器囊体多相机联合测量方法
技术领域
本发明涉及三维立体视觉测量技术的摄影测量学领域,旨在解决一种大型浮空器囊体体积测量中的分段采集拼接技术和多相机联合测量方法的问题。
背景技术
浮空器囊体体积测量是大型浮空器在飞试前一个重要工作过程，通过对浮空器囊体空间尺寸和囊体体积进行现场测量，通过评估其有效载荷条件下的平衡性能、气动特性，成为评价和验证设计参数的有效手段，对提高浮空器飞行品质产生重要影响。研究一种基于分段采集拼接技术的浮空器囊体多相机联合测量方法，实现大型浮空器囊体体积外场试验环境中的准确测量很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种浮空器囊体多相机联合测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种浮空器囊体多相机联合测量方法，该方法的主要实现过程为：将大场景分为若干段，利用多个相机联合多角度进行数据采集，每段场景与相邻场景之间具有30％以上重叠区域，由每个场景所获取的影像数据进行三维重建，得到场景的点云数据，在未充气的浮空器囊体的表面设置多个视觉特征点，保证每段场景的重叠区域有至少3个视觉特征点，利用重叠区域中的视觉特征点将各段场景统一到一个坐标系中，完成场景的无缝拼接，构成整个大场景的完整的点云数据模型，在点云数据模型的基础上重构浮空器囊体表面的三维模型，根据该三维模型求出浮空器囊体体积。
本发明利用重叠区域中的视觉特征点作为对应点求出两个相邻分段场景点云的平移和旋转矩阵，将各段场景的点云模型统一到一个坐标系中，旋转矩阵R表示为：
其中，代表航向倾角，即绕y轴旋转的角度；代表旁向倾角，即绕x轴旋转的角度；κ代表像片旋角，即绕z轴旋转的角度。
多个相机的布置方式为：多个相机均匀分布在场景范围中，每只测量相机安装支架的总高度要高于测量区内的浮空器囊体高度，以地面为基准，相机均匀分布在这个高度以内。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明对于不同大小的浮空器可以完成其体积量测，并能保持有效的接近实际的准确结果，本发明是大型浮空器囊体体积测量技术基础，具有重要实现意义。
附图说明
图1为本发明实施例浮空器囊体测量场景测量侧面示意图；
图2为本发明实施例浮空器囊体测量场景测量正面示意图；
图3为本发明SFM算法原理示意图；
其中，1、照相机；2、浮空器囊体；3、浮空器囊体表面布设的视觉特征标记点；4、分段场景范围；5、影像。
具体实施方式
本发明原理如下:
(1)分段采集拼接技术
浮空器囊体体积较大，要量测其体积需要完成大场景的数据采集，由于整个场景的数据量过大不便于后续处理，为解决这个问题可采用分段采集的方法将场景分为若干段分别进行数据采集。在采集过程中为方便后期的拼接和建模需要在浮空器囊体上贴上视觉特征标志点，并在多个角度环绕拍摄影像，相邻场景需要有一定的重叠区域，重叠区域中含有至少3个视觉特征点。
将分段采集的模型拼接成整体场景的模型需要将相邻的模型两两配准。这里把点云模型之间的坐标转换当作刚性变换，利用重叠区域中的视觉特征点作为对应点求出两个相邻分段场景点云的平移和旋转矩阵，将各段场景的点云模型统一到一个坐标系中。假设两个场景的点云模型分别为P、Q，将点云Q视作源点云到点云P为目标点云，Q到P的变换看成刚性变换，即P＝R*Q+T,其中R是旋转矩阵，一个3×3的正交矩阵，且其行列式为1。T是一个三维的平移向量T＝(tx,ty,tz)T。
旋转矩阵有多种表达方式，这里采用以Y轴为主轴的φ-ω-κ系统：以Y为主轴旋转φ角，然后绕X轴旋转ω角，最后绕Z轴旋转κ角。由此定义的旋转矩阵R可表示为公式(1)：
坐标转换参数向量t可表示为：t＝(tx，ty，tz，φ，ω，κ)T将至少需要3组视觉特征点的三维坐标作为对应点代入即可求出变换参数，这样就可以将两个相邻场景点云模型统一到一个坐标系下，去除重叠区域的冗余点即可完成分段场景点云模型的无缝拼接。
(2)多相机联合测量方法
由于外景测量时受外界风速、光照影响较大，由一台照相机完成对浮空器囊体整个表面的影像采集不仅耗费时间多，而且由于环境变化成像时间不同的同一物体的影像也会产生差异，对每个场景中模型的建立，需要利用多相机联合进行多角度拍摄，浮空器囊体测量的场景布设如图1、2。拍摄的影像利用SFM原理进行解析获取三维空间的位置，构成点云模型。
SFM是计算机视觉中由影像计算物体三维坐标的一种算法，其基本原理如图3所示，它基于物方(空间)点、像点、相机中心三点共线的成像模型，根据两张或两张以上影像上的同名点，进行交会得到空间点三维坐标，最终实现三维空间的测量与认知。三点共线的原理可以用下面的公式描述：
x - x 0 = - f a 1 ( X A - X S ) + b 1 ( Y A - Y S ) + c 1 ( Z A - Z S ) a 3 ( X A - X S ) + b 3 ( Y A - Y S ) + c 3 ( Z A - Z S ) y - y 0 = - f a 2 ( X A - X S ) + b 2 ( Y A - Y S ) + c 2 ( Z A - Z S ) a 3 ( X A - X S ) + b 3 ( Y A - Y S ) + c 3 ( Z A - Z S ) - - - ( 2 )
式(2)为一般中心投影的构像方程——共线方程，也是SFM算法所基于的基本模型。
在SFM算法构建的点云模型的基础上通过标准三角形面元重建方法重构浮空器囊体表面的三维模型，根据所得的三维模型，由各个面元的解析表达求解浮空器囊体的外形尺寸，而浮空器囊体体积可在三维模型的基础上，利用数值积分方法求得。

Claims (3)

1.一种浮空器囊体多相机联合测量方法，其特征在于，该方法的主要实现过程为：将大场景分为若干段，利用多个相机联合多角度进行数据采集，每段场景与相邻场景之间具有30％以上重叠区域，由每个场景所获取的影像数据进行三维重建，得到场景的点云数据，在未充气的浮空器囊体的表面设置多个视觉特征点，保证每段场景的重叠区域有至少3个视觉特征点，利用重叠区域中的视觉特征点将各段场景统一到一个坐标系中，完成场景的无缝拼接，构成整个大场景的完整的点云数据模型，在点云数据模型的基础上重构浮空器囊体表面的三维模型，根据该三维模型求出浮空器囊体体积。
2.根据权利要求1所述的浮空器囊体多相机联合测量方法，其特征在于，利用重叠区域中的视觉特征点作为对应点求出两个相邻分段场景点云的平移和旋转矩阵，将各段场景的点云模型统一到一个坐标系中，旋转矩阵R表示为：
其中，代表航向倾角，即绕y轴旋转的角度；代表旁向倾角，即绕x轴旋转的角度；κ代表像片旋角，即绕z轴旋转的角度。
3.根据权利要求1所述的浮空器囊体多相机联合测量方法，其特征在于，多个相机的布置方式为：多个相机均匀分布在场景范围中，每只测量相机安装支架的总高度要高于测量区内的浮空器囊体高度，以地面为基准，相机均匀分布在这个高度以内。
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