CN107131889B

CN107131889B - 一种全角度成像基准尺

Info

Publication number: CN107131889B
Application number: CN201710252064.4A
Authority: CN
Inventors: 王君; 董明利; 孙鹏; 燕必希
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN107131889A

Abstract

本发明公开了一种全角度成像基准尺，所述基准尺包括主体、基准长度端点和基准尺识别编码，所述基准长度端点置于所述主体首末两端与主体固定连接，所述基准长度端点为涂有自反射材料的球形标志点；所述基准尺识别编码为一维条形码，并将一维条形码纵向延长，360°缠绕在所述基准尺的主体上，本发明采用球形自反射标志点实现入射光的全角度反射；在编码方面，采用一维条形码，并将一维条形码纵向延长，360°缠绕在基准尺的主体上，实现全角度的成像和条形编码识别。本发明实现了基准尺在测量空间的全角度成像。

Description

一种全角度成像基准尺

技术领域

本发明涉及一种量具，具体涉及一种全角度成像基准尺。

背景技术

近年来，随着科技的飞速发展，特别是以数字化为核心的先进制造技术的飞速发展，对工业精密三维测量技术的需求日益增强。目前采用的三维工业测量系统主要包括三坐标测量机、经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、激光扫描测量系统、关节式坐标测量机、室内GPS、数字工业摄影测量系统等。其中，数字工业摄影测量采用数字相机拍摄被测物体的照片后，通过数字图像处理、三维重建优化算法等，获得被测物体三维空间几何信息，并进一步可以分析物体的运动状态等信息。与其他系统相比，数字工业摄影测量系统具有非接触、精度高、自动化程度高、效率高、成本低等优点，广泛应用于工业经济、科学研究、国防建设等众多领域。

基准尺是数字摄影测量系统中十分重要的标定附件，它为摄影测量系统提供长度基准，用于提高系统的测量精度。特别的，在某些特定应用场合，可以作为测量系统的标定件，实现相机的定向等功能。此外，基准尺还可以用于测量系统的精度评价等，因此，基准尺对于摄影测量系统有着十分重要的意义。

从目前已有的摄影测量产品和系统来看，基准尺通常由主体、基准长度端点、基准尺识别编码点等部分组成。其中，主体主要用于构成基准尺的长度，通常由碳纤维等对温度不敏感材料制作；基准长度端点是固定在主体两端的两个或多个标志点，它们之间的距离即为基准尺的长度；基准尺识别编码点用于基准尺成像后，辅助系统在像面上自动识别基准尺的长度端点，通常由固定在主体两端的两个编码点标志点构成。

在摄影测量系统中，普遍采用表面喷涂自反射材料的圆形平面标志点，编码标志点也是有多个圆形标志点构成的二维平面编码点，特殊涂层可以使入射光原路返回，使得成像时与背景产生较大的对比度，易于图像处理，并提高处理精度。但是，此类标志点对于入射光线的角度有一定限制，通常，入射光线角度不能超过60°，小于30°则比较理想，这对于摄影测量系统而言，造成了较大影响。例如，对于静态摄影测量系统，基准尺的位置是固定的，相机在成像过程中，除了考虑被测对象的成像，还要兼顾基准尺的位置和成像，给测量系统带来不便；对于动态摄影测量系统，通常只有两台相机而且位置固定，如果需要基准尺在被测空间变换不同位置成像时，往往难以满足双相机同时成像，其移动空间受到很大限制。

因此，传统的基准尺已经无法完全满足摄影测量系统的需求，需要设计全角度可成像的基准尺。

发明内容

本发明为解决在大尺寸近景摄影测量中基准尺的成像角度限制问题，提供了一种全角度成像基准尺。

本发明的技术方案是：一种全角度成像基准尺，所述基准尺包括主体、基准长度端点和基准尺识别编码，其特征在于，所述基准长度端点置于所述主体首末两端与主体固定连接，所述基准长度端点为涂有自反射材料的球形标志点；所述基准尺识别编码为一维条形码，并将一维条形码纵向延长，360°缠绕在所述基准尺的主体上。

优选的，所述主体的材料为因钢或碳纤维材料。

优选的，所述基准长度端点采用球形自反射标志点，所述标志点基体采用Y40Mn易切削钢，并做发黑氧化处理，所述球体部分外部喷涂猫眼型自反射材料。

优选的，所述基准尺识别编码由15个数据位组成，所述15个数据位包括起始区、终止区和数据区三个区域，所述起始区和终止区的固定码值是11110和0111。

一种全角度成像基准尺的空间测量方法，所述基准尺空间测量方法包括步骤：1)图像预处理；2)条形编码识别；3)端点定位。

优选的，所述图像预处理的方法为二值化方法中基于最大类间差的自适应阈值分割方法-大津法。

优选的，所述条形编码识别的方法包括如下步骤：

(1)统计二值化图像中的连通区域，得到图像上所有连通区域的中心位置、面积、外包最小矩形；

(2)从中筛选出条形编码候选区域，筛选条件是至少有4个相互距离小于一定阈值T、中心位置共线的区域；

(3)对候选区域进行条形编码判断；

(4)对于获得的二进制编码，判断其是否满足编码规则，若满足编码规则，则根据数据区的数据计算码值，实现条形编码的识别。

优选的，所述端点定位的原理为交比定理，所述交比定理是：若A,B,C,D为直线上l₁的任意四点，则公式(1)定义的R称为交比。

本发明的有益效果是：一种全角度成像基准尺采用球形自反射标志点代替传统的圆形标志点，实现入射光的全角度反射；本发明一种全角度成像基准尺，在编码点方面，采用一维条形码，并将一维条形码纵向延长，360°缠绕在基准尺的主体上，代替传统的平面二维编码标志点，实现全角度的成像和条形编码识别。本发明实现了基准尺在测量空间的全角度成像。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明一种全角度成像基准尺的结构示意图；

图2示意性示出本发明一种全角度成像基准尺的球形自反射标志点的回光反射点微观结构原理图；

图3示意性示出本发明一种全角度成像基准尺的条形编码数据位设计图；

图4示意性示出本发明一种全角度成像基准尺空间测量方法流程图；

图5示出本发发明一种全角度成像基准尺的实物展示图；

图6示意性示出本发明一种全角度成像基准尺的第一实施例的条形编码图像的二值化处理结果图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1所示为本发明一种全角度成像基准尺的结构示意图，如图1所示，一种全角度成像基准尺包括主体102、基准长度端点101和基准尺识别编码103。

所述主体102为柱体或长方体，图1所示的基准尺的主体102呈圆柱体状，主体材料为因铜或碳纤维。

所述基准长度端点101置于主体102的首末两端，所述基准长度端点101与主体102固定连接，所述基准长度端点101为涂有自反射材料的球形标志点，标记基准长度端点的两个球形标志点为A和D。

所述基准长度端点101的自反射也称为回光反射，回光反射点能够将入射光按原入射光路平行返回是由其特殊的微观结构决定的，在摄影测量系统中一般采用猫眼型回光反射材料制作标志点，材料的横截面如图2所示，在底层材料上铺设球形特殊材料，空隙间是空气，空气的折射率是Ni，球形202特殊材料的折射率是Ng。当Ng为特定值时，恰好可使入射光α1经过内球202表面折射后，到达与入射光α1平行的球直径轴线与球面的交点上。由于在球202的靠近基底201的半球上镀有反射层，光线在该点上会发生镜面反射，按照反射定律与折射定律，反射光α2折射出球面后的光线应与入射光α1平行且方向相反。球形202材料的主要成分为TiO2、BaO、SiO2，通过调节混合比，使得球形材料的折射率Ng满足上述的要求。

所述基准尺识别编码103为一维条形编码，所述一维条形编码纵向延长，360°缠绕在基准尺的主体上，标记基准尺长度编码的标志点为B和C。

所述一维条形编码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。本发明条形编码标识主要用于基准尺的自动识别，其设计需要考虑的内容包括以下四点：

(1)摄影测量中采用的基准尺数量通常较少，因此条形编码的容量不需要很大；

(2)所述条形编码仅用于摄影测量等特定场合，无需与其他条形编码识别系统、软件等通用，因此设计并不需要完全遵照一维条形编码的通用编码准则；

(3)考虑摄影测量的对象尺寸较大，基准尺的成像距离一般较远，因此，条形编码的条、空宽度适当加大，且不易采用条、空的宽度差异来作为编码元素；

(4)考虑摄影测量空间一般比较复杂，为了减少遮挡等问题，条形编码长度设计不宜过长。

基于以上因素，本发明用于基准尺的条形编码设计如图3所示，条形编码设计满足以下条件：

(1)本发明的条形编码共有15个数据位构成，满足条形编码识别的可靠性和稳定性；

(2)每个数据位以“1”、“0”二进制进行编码，对应于数据位上“有”、“无”亮条纹；

(3)为了便于识别，15个数据位由起始区B1、终止区B3、数据区B2三个区域构成，如图3所示其中A1～A5为起始区B1，A12～A15为终止区B3，分别用于确定条形编码的起点和终点，A6～A11为数据区B2，用于表示条形编码的码值信息；

(4)所有条形编码的起始区B1和终止区B3设计为固定码值11110和0111；

(5)为了区别起始区B1和终止区B3，数据区B2的6个数据中，最多只能有两个亮条纹相连，暗条纹的连续相连个数不受限制，因此，数据区最多可以表达44个码值，可以满足摄影测量系统使用。

本发明全角度成像基准尺的识别算法设计包括识别条形编码和识别端点，如图4所示所述空间测量方法包括步骤1)图形预处理，2)条形码识别；3)端点定位。

其中所述图形预处理在摄影测量系统中，通常采用的是灰度图像，而且由于采用了自反射标志点，可以实现目标与背景的高对比度，因此，对于条形编码的识别，可以直接对灰度图像进行二值化处理，将目标和背景区分开。

本发明采用的处理方法为二值化处理方法的自适应阈值分割方法-大津法，所述方法满足数字摄影测量系统的图像二值化处理需求，而且处理速度相对较快。

所述条形编码识别过程包括如下步骤：

(2)从中筛选出条形编码候选区域，筛选条件是至少有4个相互距离小于一定阈值T、中心位置共线的区域。

(3)对候选区域进行条形编码判断。首先，将候选区域中的所有中心位置拟合直线，并将中心位置按照直线方向进行排序，确定直线穿过候选区域的两端边界点P1和P2。将P1P2线段15等分，根据直线方程计算15等分中心点坐标，并在图像上确定中心点坐标的亮与暗，组成15位二进制编码。

(4)对于获得的15位二进制编码，判断其是否满足编码规则，即存在起始区(11110)和终止区(0111)，并且数据区连续1的位数不超过2个。如果满足上述编码规则，则可以根据数据区的数据计算码值，实现条形编码的识别。

所述端点定位根据交比定理解决端点定位问题。

若A,B,C,D为直线上l₁的任意四点，则下式定义的R称为交比(Cross Ratio)：

这里，可以把AC(或BC，AD，BD等)理解为两点间的距离。

交比定理：射影变换保持点列的交比不变。

所述定理表示，若存在射影变换将直线l₁变换到l₂，A,B,C,D为直线l₁任意四点，A',B',C',D'为它们在l₂上的对应点，则R(A,B,C,D)＝R(A',B',C',D')。

根据上述所述的交比定理，确定基准尺端点，如图1所示，确定所示A和D两点的具体方法包括如下步骤：

(1)如图1所示A、B、C、D在基准尺制作时近直线排列，根据成像几何关系，四点的成像仍然保持直线排列。因此，可以根据找到的B和C点计算其所在直线L。

(2)自动设定直线度阈值T1，即基准尺端点偏离直线L的距离阈值。所述设定阈值的方法为选择基准尺两个条形编码的所有亮条区域高度的最大值。

(3)建立候选点集P_set。根据直线方程，寻找所有特征点离直线距离满足直线度阈值(T1)要求的点集P_set。

(4)自动设定距离阈值T2BL、T2BH、T2CL、T2CH，分别表示离B、C点的距离范围低阈值和高阈值。

其中确定低阈值和高阈值的方法是通过BC在像面上的距离，计算BC段的物像比，并根据物像比计算AB和CD的像面距离，然后分别该距离的80％和120％作为对应的低阈值和高阈值。

(5)从候选点集P_set中，结合阈值T2BL、T2BH、T2CL、T2CH，筛选出A、D点的候选点集P_setA和P_setB。同时，根据B、C两点的坐标，可以剔除位于B、C点之间的候选点。

(6)设定交比阈值T3，表示比例尺4点交比值与其成像交比值的最大偏差，通常根据经验设定，典型值为0.03。

(7)利用交比定理，分别从候选点集P_setA和P_setB中进一步确定A、D点。由于像点、系统参数等方面的误差存在，像点交比从数值上并不完全等同于基准尺自身的交比，所以，以最接近基准尺交比条件且小于交比阈值T3的标志点组合作为A、D点。

实施例1

图5所示为本发明全角度成像基准尺的实物展示图，如图5所示本实施中全角度成像基准尺主体材料选择因钢，因钢与碳纤维材料相比，其直径较小，在像面上对条形编码的识别更加困难，易于验证算法的有效性和可靠性。

本实施例中采用的条形编码组合为51(110011)和45(101101)，相关长度通过基准尺专用测长仪进行标定，其中AD＝1096.032mm，AB＝158.586mm，CD＝133.255mm，则BC＝AD-AB-CD＝804.191mm。

为了检验所述基准尺的实际应用效果，将其置于大型室内三维控制场的不同位置，所述控制场尺寸大约4m×3m×3m，布置96个测量用圆形标志点，对基准尺的识别制造干扰。采用Nikon D2X数字相机，对其进行不同距离、不同角度的成像，图像分辨率4288×2848，20mm定焦镜头。

对于全角度成像基准尺，影响其成像和识别的主要因素是成像距离。在当前实验条件下，采用实验相机，分别在有效成像距离大约3米、4米、5米、6米处对基准尺进行多角度成像。

图6所示为本发明一种全角度成像基准尺的第一实施例的条形编码图像的二值化处理结果图，其中(a)图为在4米处成像距离时的二值化处理后的图像，(b)图为在5米处成像距离时二值化处理后的图像。

以码值51的条形编码为例，在4米成像距离时采集图像的二值化处理后的结果如图6(a)所示。根据设计的全角度基准尺的相关长度数据，结合设计的识别算法，成功实现基准尺端点定位，而且不同成像角度对图像处理和定位结果没有影响。

当有效成像距离超过5米后，其二值化处理后结果如图6(b)所示，由于条形编码区域成像过窄，容易造成码值识别错误。可以通过调整条形编码区域宽度、更换设备等方法获得有效编码区域成像。实际上，这与摄影测量系统需要根据测量任务选择合适的附件和设备是一致的。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims

1.一种利用全角度成像基准尺进行空间测量的方法，其特征在于，所述基准尺包括主体、基准长度端点和基准尺识别编码，所述基准长度端点置于所述主体首末两端与主体固定连接，所述基准长度端点为涂有自反射材料的球形标志点；所述基准尺识别编码为一维条形码，将所述一维条形码纵向延长，360°缠绕在所述基准尺的主体上，其中，

所述条形编码共有15个数据位构成，每个数据位以“1”、“0”二进制进行编码，对应于数据位上“有”、“无”亮条纹；

15个数据位由起始区B1、终止区B3、数据区B2三个区域构成，起始区B1用于确定条形编码的起点，终止区B3用于确定条形编码的终点，数据区B2用于表示条形编码的码值信息，数据区B2的多个数据中，最多只能有两个亮条纹相连；

所述空间测量的方法包括如下步骤：

1)对图像预处理；

2)对条形编码识别，包括：

(2)从中筛选出条形编码候选区域，筛选条件是至少有4个相互距离小于阈值T、中心位置共线的区域；

(3)对候选区域进行条形编码判断；

(4)对于获得的二进制编码，判断其是否满足编码规则，若满足编码规则，则根据数据区的数据计算码值，实现条形编码的识别；

3)对端点进行定位，所述端点定位的原理为交比定理，所述交比定理是：若A,B,C,D为直线上l₁的任意四点，则公式(1)定义的R称为交比，

根据所述的交比定理，确定基准尺端点A和D两点的具体方法包括如下步骤：

(a)A、B、C、D在基准尺制作时近直线排列，根据成像几何关系，四点的成像仍然保持直线排列，根据找到的B和C点计算所在的直线L；

(b)自动设定直线度阈值T1，即基准尺端点偏离直线L的距离阈值；

(c)建立候选点集P_set，根据直线方程，寻找所有特征点离直线距离满足直线度阈值T1要求的点集P_set；

(d)自动设定距离阈值T2BL、T2BH、T2CL、T2CH，即距离B、C点的距离范围低阈值和高阈值；

其中确定低阈值和高阈值的方法是通过BC在像面上的距离，计算BC段的物像比，并根据物像比计算AB和CD的像面距离，然后分别该距离的80％和120％作为对应的低阈值和高阈值；

(e)从候选点集P_set中，结合距离阈值T2BL、T2BH、T2CL、T2CH，筛选出A、D点的候选点集P_setA和P_setB，同时，根据B、C两点的坐标，可以剔除位于B、C点之间的候选点；

(f)设定交比阈值T3，表示基准尺4点交比值与其成像交比值的最大偏差；

(g)利用交比定理，分别从候选点集P_setA和P_setB中进一步确定A、D点，以最接近基准尺交比条件且小于交比阈值T3的标志点组合作为A、D点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主体的材料为因钢或碳纤维材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准长度端点采用球形自反射标志点，所述标志点基体采用Y40Mn易切削钢，并做发黑氧化处理，球体部分外部喷涂猫眼型自反射材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准尺识别编码由15个数据位组成，所述15个数据位包括起始区、终止区和数据区三个区域，所述起始区和终止区的固定码值是11110和0111。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像预处理的方法为二值化方法中基于最大类间差的自适应阈值分割方法-大津法。