CN107543497B - 一种非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法 - Google Patents

Abstract

为解决非重叠视域双目视觉测量站全局坐标关联问题，本发明公开一种基于虚拟标尺的全局坐标关联方法。通过在靶室中轴线上平移靶标生成虚拟标尺，再根据靶标上人工标记点阵列在视觉测量站下坐标和虚拟标尺下坐标进行全局坐标关联。该方法成本低、易于实现，且可保证测量精度。

Description

一种非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法

技术领域

本发明属于科学试验技术领域，特指一种非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法。

背景技术

在科学试验技术领域，比如碰撞试验过程中，采用多个沿纵深配置、非重叠视域的双目视觉测量站构成视觉系统，用于弹射对象飞行的位置、姿态、位移等参数测量。如图1所示，该视觉测量系统由K个双目视觉测量站构成。双目视觉测量站，包含了2台摄像机用于拍摄弹射弹体表面的人工标记点图像，再通过双目立体视觉测量，获取的弹射对象在当前双目视觉测量站下的三维坐标。为了获得弹射对象整个过程的位置、姿态等信息，需要将K个双目视觉测量站的测量信息关联起来。为此，需要对K个双目视觉测量站进行坐标关联，以建立统一的坐标系。一般而言，对于小尺寸非重叠视域双目视觉测量站坐标关联，可以定制标尺作为真值基准，用于全局坐标关联。但是，对于大纵深(比如100m以上)、非重叠视域双目视觉测量站坐标关联，难以加工长度超过5m 的标尺。为此，针对该问题，本发明提出一种容易实现、低成本的虚拟标尺生成方法用于全局坐标关联。

发明内容

本发明的目的是解决大纵深、非重叠视域双目视觉测量站坐标关联问题，公开一种基于虚拟标尺的全局坐标关联方法，其特征是：在双目视觉测量站构成的观测区域内，平移靶标生成虚拟标尺，由虚拟标尺提供基准，用于双目视觉测量站坐标关联，具体步骤如下：

步骤1：在双目视觉测量站构成的观测区域1内，定义坐标系O-xyz

在观测区域头部2和尾部3的横截面中心处设置中心标识，两个中心标识 5-1、5-2的连线作为测量区域中轴线4，在中轴线4上设置光学瞄准装置24、并使光学瞄准装置光轴6与中轴线4重合，光学瞄准装置24采用：中心带十字丝定位的光学瞄准镜或全站仪或高倍变焦数字摄像机或激光准直仪；以观测区域头部处中心标识5-1为原点O，以中轴线为x轴，按右手准则定义坐标系O-xyz，其中x轴朝向观测区域尾部，y轴朝上，z轴朝内；

步骤2：沿中轴线4平移靶标11生成虚拟标尺10

采用的靶标11形状包括：阶梯状靶标14或L形靶标16或立方块靶标17；在靶标11的侧面a上设置m*n个人工标记点12构成人工标记点阵列13，m、n 的取值范围为1～100，人工标记点12的图案形式为棋盘格角点或圆形或十字丝图案；当靶标形状为阶梯状时，阶梯状靶标14的侧面a为阶梯状，以产生不共面的人工标记点阵列，通过拍照1幅人工标记点阵列图像可对单站双目视觉测量系统进行标定；在靶标11的侧面b中心位置处设置人工标记点15，人工标记点15的图案形式为十字丝或圆形图案；

把靶标11固定在五轴调节台20上，五轴调节台20可实现俯仰角、滚转角、偏航角3个角度调节和y轴、z轴2个方向平移调节；把五轴调节台20固定在一维平移台19上；一维平移台19放置在导轨18上作平移运动；

在靶标11上安置姿态角测量装置21，用于测量靶标11的三个姿态角：俯仰角α、滚转角β、偏航角γ，其中俯仰角、滚转角采用倾角仪测量，偏航角采用陀螺仪测量，或采用惯导系统测量靶标三个姿态角；在靶标11上安置激光测距仪22，在测量区域头部2设置反射镜23-1、测量区域尾部3设置反射镜23-2，用于测量靶标平移距离；

以观测区域头部2作为起始位置，通过五轴调节台20调整靶标的三个姿态角，使靶标侧面a朝向双目视觉测量站、并位于第1个双目视觉测量站观测视野内，使侧面b朝向光学瞄准装置，使光学瞄准装置光轴6与侧面b垂直，使光学瞄准装置光轴穿过侧面b中心人工标记点15的中心，此位置为靶标初始位置；通过靶标姿态测量装置测量靶标初始姿态角α₁,β₁,γ₁；通过激光测距仪测量靶标距离测量区域头部反射镜的距离d₁；通过激光跟踪仪或全站仪测量人工标记点阵列13在坐标系O-xyz下的三维坐标：其中下标j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～m*n，上标O表示该坐标为O-xyz 坐标下坐标；启动第1个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列13在第1个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：其中下标 j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～m*n，u、v、w是双目视觉测量站坐标系三个坐标轴，上标1表示该坐标来源于第1个双目视觉测量站；

平移一维移动台19带动靶标11进入第i个双目视觉测量站观测视野内，i 是双目视觉测量站编号，取值范围为K，K为双目视觉测量站数量，K的取值范围为1～30；然后，通过五轴调节平台20调整靶标三个姿态角，并通过姿态角测量装置21测量靶标当前姿态角α_i,β_i,γ_i，当靶标当前姿态角与初始位置姿态角相同时，即α_i＝α₁；β_i＝β₁；γ_i＝γ₁，完成靶标姿态角调节；接着，在y轴、z轴方向上调节靶标在侧面b平面内位置，使侧面b中心与中轴线重合，以保证靶标沿着中轴线作平移运动；激光测距仪22测量靶标距离测量区域头部反射镜距离d_i, 得到靶标平移距离l_i＝d_i-d₁；启动第i个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列13在第i个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：上标i表示该坐标来源于第i个双目视觉测量站；

使靶标逐次经过K个双目视觉测量站，得到K个靶标平移距离L＝[l₁,...,l_K]，人工标记点阵列在K个双目视觉测量站坐标系下坐标：Q＝[q¹,...,q^K]；

步骤3：将双目视觉测量站下的人工标记点阵列坐标转换到虚拟标尺坐标系，实现全局坐标关联，具体方法如下：

步骤3.1根据平移距离L＝[l₁,...,l_K]，生成虚拟标尺中人工标记点阵列在 O-xyz坐标系下坐标：G＝[g¹,...,g^K]，靶标在O-xyz坐标系下的y、z轴坐标不变: x轴坐标根据平移距离得到：

步骤3.2根据靶标位于第i个靶标出现位置处，在O-xyz坐标系下的坐标和第i个双目视觉测量站下坐标qⁱ，通过最小二乘法计算出第i个双目视觉测量站坐标系转换到O-xyz坐标系的转换矩阵pⁱ，使gⁱ＝pⁱqⁱ；

步骤3.3：对K个双目视觉测量站中人工标记点阵列坐标进行处理，得到的 K个转换矩阵P＝{p¹,...,p^K}，以此实现全局坐标关联：即第i个双目视觉测量站测量结果qⁱ转为O-xyz坐标系下坐标为：gⁱ＝pⁱqⁱ，进而用于模型表面人工标记点在O-xyz坐标系下三维坐标测量，以及用于计算被测对象的位置、姿态、位移等参数。

本发明有益效果：

提供了一种低成本、易于实现、高精度全局坐标关联方法。对于弹射试验而言，最关心的是：飞行姿态角，即俯仰、滚转、偏航三个角度，以及模型在 O-yz平面内的位移，而对于大纵深(超过100m)飞行轨迹测量绝对精度要求不高。因此，所生成的虚拟标尺一定要保证各个双目视觉测量站关联以后，具有很高精度的姿态角、O-yz平面内测量精度。在本发明中，采用角度传感器直接测量靶标姿态角，角度传感器静态测量精度可达0.001度，因此全局坐标关联后，提供的参考基准姿态角精度为0.001度；另外，O-yz平面内位移，通过光学瞄准装置进行测量，测量精度可达0.1mm。因此本发明提供的全局坐标关联方法，相比制造大尺寸标尺用于全局坐标关联，成本更低、更易于实现，并且能够满足全局坐标关联精度和测量精度要求。

附图说明

图1非重叠视域双目视觉测量系统示意图；

图2平移靶标生成虚拟标尺原理图；

图3靶标示意图；

图4阶梯状靶标结构图；

图5 L形靶标结构图；

图6立方体靶标结构图；

图7生成虚拟标尺设备配置图；

图中，1、观测区域，2、观测区域头部，3、观测区域尾部，4、中轴线，5-1 位于观测区域头部的中心标识、5-2位于观测区域尾部的中心标识，6、光学瞄准装置光轴，7-1、7-2、7-3、...、7-30分别为第1、2、3、...、30次靶标出现位置，8、靶标平移方向，9-1、9-2、9-3、...、9-30分别为第1、2、3、...、9-30 个双目视觉测量站，10、虚拟标尺，11、靶标，12、人工标记点，13、人工标记点阵列，14、阶梯状靶标，15、靶标侧面b中心处人工标记点，16、L形靶标，17、立方块靶标，18、导轨，19、一维平移台，20、五轴调节台，21、姿态角测量装置，22、激光测距仪，23-1为测量区域头部反射镜，23-2为测量区域尾部反射镜，24、光学瞄准装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，在观测区域头部2和观测区域尾部3的横截面中心处设置十字丝形状的中心标识，两个中心标识5-1、5-2的连线作为中轴线4。选用全站仪作为光学瞄准装置。在测量区域头部，中轴线上设置反射镜，选用激光测距仪用于靶标平移距离测量。

靶标11形状采用阶梯状靶标14，外形尺寸为600*600*1200mm，靶标表面涂成亚光黑色涂料，在靶标侧面a上设置10*30个均匀分布的白色圆形人工标记点12构成人工标记点阵列13，人工标记点阵列中人工标记点间距离由三坐标测量机测量，测量精度为0.01mm。在靶标侧面b中心位置处，设置十字丝人工标记点。当采用全站仪的目镜时，用于对准侧面b中心位置处十字丝人工标记点。

如图7所示，把靶标11固定在五轴调节台20上，五轴调节台20具备俯仰角、滚转角、偏航角3个角度调节和2个方向平移调节；角度调节精度：0.001 度，位移调节精度：0.01mm。五轴调节台20固定在一维平移台19上，一维平移台19放置在导轨18上，可推动一维平移台沿着测量区域轴线作平移运动。选用倾角仪用于测量靶标俯仰、滚转角，测量精度0.001度，选用激光陀螺仪用于测量靶标偏航角，测量精度0.001度，共同组成姿态角测量装置21。在靶标 11上安置激光测距仪22，在测量区域头部2、测量区域尾部3设置反射镜，用于测量靶标平移距离。

具体操作步骤如下：

步骤1：

使全站仪目镜中的十字丝与中心标识5-1、5-2重合，此时，全站仪目镜光轴与中轴线4重合，用于确定中轴线4。固定全站仪目镜姿态使其无法发生转动和位移。以测量区域头部处中心标识为原点O，以中轴线为x轴，按右手准则定义坐标系O-xyz，其中x轴朝向测量区域尾部，y轴朝上，z轴朝内。

步骤2：

如图2所示，以测量区域头部2作为起始位置，通过五轴调节台20调整靶标三个姿态角，使靶标侧面a朝向双目视觉测量站、并位于第1个双目视觉测量站观测视野内，使侧面b朝向全站仪目镜、侧面b中心人工标记点15的中心位于全站仪目镜中心，且侧面b与全站仪目镜光轴垂直。通过靶标姿态测量装置测量靶标初始姿态角：α₁,β₁,γ₁；通过激光测距仪测量靶标距离测量区域头部反射镜的距离d₁；通过激光跟踪仪或全站仪等设备，测量初始位置处，人工标记点阵列13在坐标系O-xyz下的三维坐标：其中下标j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～300，上标O表示该坐标为O-xyz 坐标下坐标；启动第1个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列13在第1个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：其中下标j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～300，u、v、w是双目视觉测量站坐标系三个坐标轴，上标1表示该坐标来源于第1个双目视觉测量站；

如图2所示，平移一维移动台19带动靶标11进入第i个双目视觉测量站观测视野内，i是双目视觉测量站编号，取值范围为1～30；然后，通过五轴调节平台20调整靶标的三个姿态角α_i,β_i,γ_i，使靶标当前姿态与初始位置姿态相同，即α_i＝α₁；β_i＝β₁；γ_i＝γ₁；接着，在y、z轴方向上调节靶标在侧面b平面内位置，使侧面b中心与全站仪目镜中心重合，以保证靶标沿着中轴线作平移运动；测量靶标距离测量区域头部反射镜距离d_i,得到靶标平移距离l_i＝d_i-d₁；启动第i个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列13在第i个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：上标i表示该坐标来源于第i个双目视觉测量站；

使靶标逐次经过30个双目视觉测量站，得到30个靶标平移距离L＝[l₁,...,l₃₀]，人工标记点阵列在30个双目视觉测量站坐标系下坐标：Q＝[q¹,...,q³⁰]

步骤3：将双目视觉测量站测量的人工标记点阵列坐标转换到虚拟标尺坐标系，实现全局坐标关联，具体方法如下：

步骤3.1根据平移距离L＝[l₁,...,l₃₀]，生成虚拟标尺中人工标记点阵列在 O-xyz坐标系下坐标：G＝[g¹,...,g³⁰]，靶标在O-xyz坐标系下的y、z轴坐标不变:x轴坐标根据平移距离得到：

步骤3.2根据靶标位于第i个靶标出现位置处，在O-xyz坐标系下的坐标和第i个双目视觉测量站下坐标qⁱ，通过最小二乘法计算出第i个双目视觉测量站坐标系转换到O-xyz坐标系的转换矩阵pⁱ，使gⁱ＝pⁱqⁱ；

步骤3.3：对30个双目视觉测量站中人工标记点阵列坐标进行处理，得到的30个转换矩阵P＝{p¹,...,p³⁰}，以此实现全局坐标关联：即第i个双目视觉测量站测量结果qⁱ转为O-xyz坐标系下坐标为：gⁱ＝pⁱqⁱ，进而用于模型表面人工标记点在O-xyz坐标系下三维坐标测量，以及用于计算模型飞行过程中姿态与位移等参数。

实施例2

与实施例1不同之处，靶标侧面a采用棋盘格图案，图案中的角点用于坐标关联计算。

实施例3

与实施例1不同之处，靶标采用图5所示L形块。

实施例4

与实施例1不同之处，靶标采用图6所示立方块。

实施例5

与实施例1不同之处，侧面b中的人工标识设置为圆形人工标记点，用高倍变焦摄像机代替全站仪，用于靶标侧面b中人工标识对准。

实施例6

与实施例1不同之处，使用两个激光测距仪同时测量与测量区域头部反射镜和测量区域尾部反射镜的距离D1、D2，前15站利用D1计算平移位移，后 15站利用D2计算平移位移。

Claims (8)

1.一种非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征是：在双目视觉测量站构成的观测区域内，平移靶标生成虚拟标尺，由虚拟标尺提供基准，用于双目视觉测量站坐标关联，具体步骤如下：

步骤1：在双目视觉测量站构成的观测区域(1)内，定义坐标系O-xyz

在观测区域头部(2)和尾部(3)的横截面中心处设置中心标识，两个中心标识(5-1、5-2)的连线作为测量区域中轴线(4)，在中轴线(4)上设置光学瞄准装置(24)、并使光学瞄准装置光轴(6)与中轴线(4)重合；以观测区域头部处中心标识(5-1)为原点O，以中轴线为x轴，按右手准则定义坐标系O-xyz，其中x轴朝向观测区域尾部，y轴朝上，z轴朝内；

步骤2：沿中轴线(4)平移靶标(11)生成虚拟标尺(10)

采用的靶标(11)形状包括：阶梯状靶标(14)或L形靶标(16)或立方块靶标(17)；在靶标(11)的侧面a上设置m*n个人工标记点(12)构成人工标记点阵列(13)，m、n的取值范围为1～100；在靶标(11)的侧面b中心位置处设置人工标记点(15)；

把靶标(11)固定在五轴调节台(20)上，五轴调节台(20)可实现俯仰角、滚转角、偏航角3个角度调节和y轴、z轴2个方向平移调节；把五轴调节台(20)固定在一维平移台(19)上；一维平移台(19)放置在导轨(18)上作平移运动；

在靶标(11)上安置姿态角测量装置(21)，用于测量靶标(11)的三个姿态角：俯仰角α、滚转角β、偏航角γ；在靶标(11)上安置激光测距仪(22)，在测量区域头部(2)、测量区域尾部(3)设置反射镜，用于测量靶标平移距离；

以观测区域头部(2)作为起始位置，通过五轴调节台(20)调整靶标的三个姿态角，使靶标侧面a朝向双目视觉测量站、并位于第1个双目视觉测量站观测视野内，使侧面b朝向光学瞄准装置，使光学瞄准装置光轴(6)与侧面b垂直，使光学瞄准装置光轴穿过侧面b中心人工标记点(15)的中心，此位置为靶标初始位置；

通过靶标姿态测量装置测量靶标初始姿态角α₁,β₁,γ₁；

通过激光测距仪测量靶标距离测量区域头部反射镜的距离d₁；

通过激光跟踪仪或全站仪测量人工标记点阵列(13)在坐标系O-xyz下的三维坐标：其中下标j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～m*n，上标O表示该坐标为O-xyz坐标下坐标；

启动第1个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列(13)在第1个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：其中下标j是人工标记点阵列中人工标记点编号，取值范围为1～m*n，u、v、w是双目视觉测量站坐标系三个坐标轴，上标1表示该坐标来源于第1个双目视觉测量站；

平移一维移动台(19)带动靶标(11)进入第i个双目视觉测量站观测视野内，i是双目视觉测量站编号，取值范围为1～K,K为双目视觉测量站数量，K的取值范围为1-30；接着，通过五轴调节平台(20)调整靶标三个姿态角，并通过姿态角测量装置(21)测量靶标当前姿态角α_i,β_i,γ_i，当靶标当前姿态角与初始位置姿态角相同时，即α_i＝α₁；β_i＝β₁；γ_i＝γ₁，完成靶标姿态角调节；接着，在y轴、z轴方向上调节靶标在侧面b平面内位置，使侧面b中心与中轴线重合，以保证靶标沿着中轴线作平移运动；激光测距仪(22)测量靶标距离测量区域头部反射镜距离d_i,得到靶标平移距离l_i＝d_i-d₁；启动第i个双目视觉测量站，测量靶标侧面a上的人工标记点阵列(13)在第i个双目视觉测量站坐标系下三维坐标：上标i表示该坐标来源于第i个双目视觉测量站；

使靶标逐次经过K个双目视觉测量站，得到K个靶标平移距离L＝[l₁,...,l_K]，人工标记点阵列在K个双目视觉测量站坐标系下坐标：Q＝[q¹,...,q^K]；

步骤3：将双目视觉测量站下的人工标记点阵列坐标Q＝[q¹,...,q^K]转换到虚拟标尺坐标系O-xyz下坐标：G＝[g¹,...,g^K]，实现全局坐标关联。

2.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：所述光学瞄准装置(24)包括：中心带十字丝定位的光学瞄准镜或全站仪或高倍变焦数字摄像机或激光准直仪。

3.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：所述靶标(11)的侧面a上人工标记点(12)的图案形式为棋盘格角点或圆形或十字丝图案。

4.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：在靶标(11)的侧面b中心位置处设置人工标记点(15)的图案形式为十字丝或圆形图案。

5.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：当靶标形状为阶梯状靶标时，所述阶梯状靶标(14)的侧面a为阶梯状，以产生不共面的人工标记点阵列，通过拍照1幅人工标记点阵列图像可对单站双目视觉测量系统进行标定。

6.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：所述靶标(11)的俯仰角、滚转角采用倾角仪测量，偏航角采用陀螺仪测量。

7.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：所述靶标(11)的俯仰角、滚转角、偏航角采用惯导系统测量。

8.根据权利要求1所述的非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法，其特征在于：在步骤3中，将双目视觉测量站下的人工标记点阵列坐标Q＝[q¹,...,q^K]转换到虚拟标尺坐标系O-xyz下坐标：G＝[g¹,...,g^K]，实现全局坐标关联的具体方法是：

步骤3.1根据平移距离L＝[l₁,...,l_K]，生成虚拟标尺中人工标记点阵列在O-xyz坐标系下坐标：G＝[g¹,...,g^K]，靶标在O-xyz坐标系下的y、z轴坐标不变: x轴坐标根据平移距离得到：

步骤3.2根据靶标位于第i个靶标出现位置处，在O-xyz坐标系下的坐标和第i个双目视觉测量站下坐标qⁱ，通过最小二乘法计算出第i个双目视觉测量站坐标系转换到O-xyz坐标系的转换矩阵pⁱ，使gⁱ＝pⁱqⁱ；

步骤3.3：对K个双目视觉测量站中人工标记点阵列坐标进行处理，得到的K个转换矩阵P＝{p¹,...,p^K}，以此实现全局坐标关联：即第i个双目视觉测量站测量结果qⁱ转为O-xyz坐标系下坐标为：gⁱ＝pⁱqⁱ。