CN107356202A - 一种激光扫描测量系统目标自动照准方法 - Google Patents

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周维虎
江炜
纪荣祎
张滋黎
董登峰
王国名
袁江
程智
吴广华
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

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Abstract

本发明涉及一种激光扫描测量系统目标自动照准方法，其采用图像处理算法得到的十字丝与目标中心坐标在像素坐标系下水平角，并根据像素坐标系与测量坐标系角度偏移比例关系计算出十字丝中心与目标中心的水平角偏移量，最后根据得到的偏移量，可以设置激光扫描测量系统的水平角旋转到目标点位置。该方法采用自动照准的方法测量被测目标坐标，能够实现对多个被测目标不同时期的坐标值进行测量，具有测量效率高，操作简单，测量结果精度高等特点。

Description

一种激光扫描测量系统目标自动照准方法
技术领域
本发明涉及一种激光扫描测量系统的目标自动照准方法，用于激光扫描测量系统对目标自动照准测量，实现对被测目标的自动化测量，提高激光扫描测量系统的测量速度和精度。
背景技术
全站仪是集水平角、俯仰角、斜距测量为一体的高精度测量仪器，具有安装操作简便、测量精度高等特点，在大地测量、工程测绘等领域有着广泛的应用。全站仪在实际测量过程中，需要对目标进行人工瞄准。对于每个测量点，需要人工调整到目标点上，再通过观测的方法调节全站仪的十字丝与目标中心重合，并手动记录每个测量点的测量结果。人工瞄准受操作人员的经验、操作现场光线等影响，测量结果的精度难以保证，且是手动记录结果，无法满足某些对时间要求较高的应用场合。此外，对于某些变形测量的应用领域，为了分析不同时期的变形情况，需要用全站仪分别测量不同时期不同测量点的坐标值，效率低下，无法实现对目标物体的动态测量。随着现代测量技术的发展，图像处理技术逐渐引入到传统的坐标测量系统中。现有的图像处理技术结合传统的测量设备存在不能实时测量，对多个目标需要多次测量的缺点，达不到完全自动测量的目的。因此，提出一种能够在测量现场多点实时自动测量的技术，对于实际坐标测量的应用具有重要意义。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种激光扫描测量系统的目标自动照准方法，通过图像检测的方法自动识别被测目标和激光扫描测量系统十字丝的中心位置，将该方法应用到激光扫描测量系统中，能够实现对多个被测目标的自动测量，具有较高的测量精度。
有鉴于此，本发明提出了一种激光扫描测量系统目标自动照准方法，采用图像处理算法得到激光扫描测量系统的十字丝中心与被测目标中心在像素坐标系下的坐标值；测量系统自带照明装置，测量过程中增加目标的亮度，提高图像处理过程中对被测目标中心的像素坐标值检测精度；根据得到的坐标偏移量，可以驱动激光扫描测量系统旋转到目标点位置，在目标点位置实现对目标的坐标测量。
具体包括下列步骤：
步骤1：激光扫描测量系统照准被测目标，利用激光扫描测量系统中的相机获取十字丝与被测目标的图像，根据图像处理的方法计算得到被测目标在像素坐标系下的像素坐标的水平坐标分量为a1，同时测量得到被测目标在测量坐标系下的水平坐标分量为a2；
步骤2：转动激光扫描测量系统，再次测量得到被测目标的水平像素坐标分量与测量坐标分量为b1，b2；
步骤3：根据步骤1和步骤2测量得到的像素坐标系与测量坐标系下的角度偏移分量，计算出被测目标的像素偏移量α与坐标偏移量γ以及二者的比值β为：
α＝a1-b1 (1)
γ＝a2-b2 (2)
步骤4：测量时，根据步骤1和步骤2测量获得被测目标的像素坐标分量，通过公式(1)计算得到被测目标的像素偏移量α，用像素偏移量除以β即求得被测目标的坐标偏移量γ。
步骤1中，图像处理的方法如下：设被测目标位于第一个测量位置，发生形变后，被测目标位于第二个测量位置，第一个测量位置的坐标值已知，激光扫描测量系统通过分析变形前后的图像，通过公式(1)计算得到图像像素偏差α，并根据公式(3)将图像像素偏差α转换为坐标偏差γ，系统根据坐标偏差，自动完成激光扫描测量角度的旋转。
在步骤1～步骤3中，为了保证激光扫描测量系统的稳健性，采用多次测量的方法，若激光扫描测量系统在测量过程中，被测目标被遮挡或者不能完全显示，激光扫描测量系统会在一定范围内多次测量，每次测量之前都会判断被测目标是否符合设定的特征，例如如图1所示具有完整的十字丝，对于不符合设定的特征的被测目标，会持续寻找，直到找到合适的被测目标。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法采用自动照准的方法测量目标点坐标，能够实现对多个被测目标不同时期的坐标值进行测量，具有测量效率高，操作简单，测量结果精度高等特点。
(1)针对传统仪器采用人眼瞄准的方法，本发明采用自动照准的方法测量被测目标的坐标值，无需人工瞄准；
(2)对于被遮挡的目标，扫描测量系统可以在多次旋转角度的情况下对目标进行连续图像获取，根据获取的图像结算出坐标值，实现连续自动测量，不需要转站或者人工操作；
(3)采用图像处理的方法计算坐标偏差，提高了被测目标的坐标测量精度。
附图说明
图1为激光扫描测量系统自动照原理示意图；
01-摄像机视频区域；02-十字丝；03被测目标位置；04-被测目标变形后偏移位置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的激光扫描测量系统目标自动照准方法如下：
1)需要被测目标的中心与测量系统的十字丝中心的像素坐标值。激光扫描测量系统的十字丝图像信息由两条直线组成，可以采用二次曲线拟合的方法计算得到直线在像素坐标系下亚像素精度的方程解析式，得到两条直线的方程解析式之后，根据直线的相对位置求解直线的交点，得到的坐标点即为十字丝中心像素的坐标值。
2)激光扫描测量系统自带照明装置，测量过程中增加目标的亮度，提高图像处理过程中对被测目标中心的检测精度。针对被测目标中心像素坐标值检测，通过系统的相机实时采集被测目标的图像信息，根据被测目标的不同形状采用质心法、边缘检测法等图像处理算法识别被测目标中心的像素坐标值。
3)得到十字丝与被测目标中心的像素坐标值之后，可以确定像素坐标系与测量坐标系角度偏移比例。当目标点不变时，设测量系统的角度变化量为α，像素坐标系中十字丝偏移量为γ，则二者之间的比例关系为：
本发明涉及的目标自动照准方法，其原理如图1所示。
图1是摄像机视频区域01中显示的测量系统的十字丝02与目标的相对位置，设采用图像处理算法得到的十字丝与被测目标中心坐标在像素坐标系下水平角分别为a1，b1，根据上述标定得到的像素坐标系与测量坐标系角度偏移比例关系，可以计算出激光扫描测量系统的十字丝02中心与被测目标中心的水平角偏移量为：
根据得到的偏移量，可以设置激光扫描测量系统的水平角旋转到被测目标位置。每次测量完成之后，记录测量得到的被测目标在激光扫描测量系统下的坐标值。
在图1中，对于发生形变的被测目标，当被测目标位置03偏移到被测目标变形后偏移位置04的位置时，设置激光扫描测量系统自动驱动到被测目标位置03，激光扫描测量系统能够自动检测到被测目标在被测目标变形后偏移位置04，并利用图像处理的方式计算出位置偏移前后在水平和垂直方向的像素的偏移量，从而指示伺服电机驱动激光扫描测量系统照准到被测目标变形后偏移位置04，实现对被测目标的自动测量。系统根据上一次测量得到的结果，依次测量每个被测目标变形后的坐标值，通过分析计算测量前后的坐标值偏差，实现对多个被测目标的自动测量。
为了保证系统的稳健性，对于测量过程中出现被测目标不能完全识别的情况。若激光扫描测量系统在测量过程中，测量被测目标被遮挡或者不能完全显示，激光扫描测量系统会在一定范围内多次测量，每次测量之前都会判断被测目标是否具有如图1所示完整的十字丝02。对于不具有完整十字丝的被测目标，会持续寻找，直到找到合适的被测目标。本发明提高了激光扫描测量系统的稳定性，能够消除激光扫描测量系统在自动化测量存在的偏差。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光扫描测量系统目标自动照准方法，包括下列步骤：
步骤1：激光扫描测量系统照准被测目标，利用激光扫描测量系统中的相机获取十字丝与被测目标的图像，根据图像处理的方法计算得到被测目标在像素坐标系下的像素坐标的水平坐标分量为a1，同时测量得到被测目标在测量坐标系下的水平坐标分量为a2；
步骤2：转动激光扫描测量系统，再次测量得到被测目标的水平像素坐标分量与测量坐标分量为b1，b2；
步骤3：根据步骤1和步骤2测量得到的像素坐标系与测量坐标系下的角度偏移分量，计算出被测目标的像素偏移量α与坐标偏移量γ以及二者的比值β为：
α＝a1-b1 (1)
γ＝a2-b2 (2)
<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤4：测量时，根据步骤1和步骤2测量获得被测目标的像素坐标分量，通过公式(1)计算得到被测目标的像素偏移量α，用像素偏移量除以β即求得被测目标的坐标偏移量γ。
2.根据权利要求1所述的一种激光扫描测量系统目标自动照准方法，其特征在于：步骤1中，图像处理的方法如下：设被测目标位于第一个测量位置，发生形变后，被测目标位于第二个测量位置，第一个测量位置的坐标值已知，激光扫描测量系统通过分析变形前后的图像，通过公式(1)计算得到图像像素偏差α，并根据公式(3)将图像像素偏差α转换为坐标偏差γ，系统根据坐标偏差，自动完成激光扫描测量角度的旋转。
3.根据权利要求1所述的一种激光扫描测量系统目标自动照准方法，其特征在于：在步骤1～步骤3中，为了保证激光扫描测量系统的稳健性，采用多次测量的方法，若激光扫描测量系统在测量过程中，被测目标被遮挡或者不能完全显示，激光扫描测量系统会在一定范围内多次测量，每次测量之前都会判断被测目标是否具有完整十字丝，对于不具有完整十字丝的被测目标，会持续寻找，直到找到合适的被测目标。
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