CN108489395B - 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统 - Google Patents

视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108489395B
CN108489395B CN201810394449.9A CN201810394449A CN108489395B CN 108489395 B CN108489395 B CN 108489395B CN 201810394449 A CN201810394449 A CN 201810394449A CN 108489395 B CN108489395 B CN 108489395B
Authority
CN
China
Prior art keywords
point
coordinate
structural parameters
world coordinates
intersection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810394449.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108489395A (zh
Inventor
王建仑
刘文生
张成林
郑鸿旭
何灿
苏日娜
姜良宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Agricultural University
Original Assignee
China Agricultural University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Agricultural University filed Critical China Agricultural University
Priority to CN201810394449.9A priority Critical patent/CN108489395B/zh
Priority to US16/969,340 priority patent/US20210041236A1/en
Priority to PCT/CN2018/095337 priority patent/WO2019205299A1/zh
Publication of CN108489395A publication Critical patent/CN108489395A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108489395B publication Critical patent/CN108489395B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/04—Interpretation of pictures
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass

Abstract

本发明涉及数字摄影测量技术领域，提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统，所述方法包括：S1，对同一像片用前方点和相应像点进行光束平差获得后方交汇点坐标；S2，获取交会点相应的前方主点坐标；S3，利用多张不同标注图像重复S1和S2，获得多组点对；S4，利用交会点和前方投影对应点进行切线共球二次交会平差，获得视觉测量系统结构参数和云台旋转中心坐标；S5，建立仿射空间坐标系统。本发明采用共球面二次交会迭代的标定方法，能够精确地标定视觉测量系统(即云镜摄系统，同手眼系统)结构参数，建立精确的仿射坐标体系，实现基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。

Description

视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统
技术领域
本发明涉及数字摄影测量技术领域，更具体地，涉及一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统。
背景技术
现代系统集成技术和农业信息获取技术在精细农业领域的迅猛发展，使农业及其他社会行业能够对相关的表型测量、操作机械量检测、几何量检测和结构测试等提出更高的要求，如高通量、无标、无接触、廉价、高精度和网络化等。
因视觉测量系统在一定程度上能够满足上述要求，目前数字摄影测量结合数字图像解析方法已经在三维测量中被广泛应用。其中，二轴转台-镜头-摄像机一体化系统(以下简称云镜摄系统或类手眼系统)是一种非量测设备构建的视觉测量系统，在工业、建筑和生物医学上等已得到广泛的应用。其作为农业和其他行业作业中现场环境的摄影测量仪器，可以方便廉价地获取视场范围内物体的数字图像，并能够进行解析和无标三维测量运算。
视觉测量系统解析和无标三维测量运算的关键在于云镜摄的仿射坐标体系的建立，而与摄像机和镜头一体化的云台旋转中心坐标和一体化结构参数的求取是精确建立云镜摄的仿射坐标体系的基础。目前二自由度手眼系统的标定，由于参数求取过程中采用的共线交会平差方法，仅能得到焦点的世界坐标，不足以据此进一步精确解算手眼系统的结构参数。且常利用运动结构矢量直接求取，但不能控制标定精度，导致手眼坐标系统的仿射关系不能被精确标定，影响视觉测量精度。因此，一般运用控制点、结构光和激光辅助提高精度。但是，控制点、结构光和激光辅助法修正不理想会导致手眼坐标系统的仿射关系不能被精确标定，影响视觉测量精度。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统，用以有效提高对目标视觉测量系统运动结构的参数标定精度，从而更精确的表示目标视觉测量系统的仿射关系，提高视觉测量精度，从而实现基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。
一方面，本发明提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法，包括：S1，通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标；S2，获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标；S3，利用多张不同标注图像，循环执行步骤S1和S2，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对；S4，基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；S5，基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
一方面，本发明提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统，包括：第一次交会运算模块，用于通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标；前方投影点世界坐标计算模块，用于获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标；多组点对获取模块，用于控制所述第一次交会运算模块和所述前方投影点世界坐标计算模块，根据多张不同标注图像，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对；第二次交会运算模块，用于基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；仿射空间坐标系构建模块，用于基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
本发明提供的一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统，在根据光束平差共线交会获取多个交会点坐标及对应前方主点世界坐标的基础上，根据交会点坐标和前方主点世界坐标进行光束平差切线共球二次交会，解算视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心坐标，并在此基础上进行视觉测量系统仿射坐标系的构建，能够有效提高对目标视觉测量系统运动结构的参数标定精度，从而更精确的表示目标视觉测量系统的仿射关系，提高视觉测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法的流程图；
图2为根据本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法中二自由度手眼运动结构参数标定和仿射坐标系统剖面图；
图3为根据本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法中二自由度手眼运动结构参数标定和仿射坐标系统三维示意图；
图4为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统的结构示意图；
图5为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置的结构框图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个方面，本实施例提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法，参考图1，为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法的流程图，包括：
S1，通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标。
可以理解为，本步骤通过光束后方共线交会，列写后方共线条件方程，并利用平差算法计算每张图像分别对应的交会点坐标，即第一次交会焦点坐标。
其中，针对每张标定图像，基于标定图像上的多个像点以及对应像点所对应的前方主点，进行光束后方共线交会，并通过基于观测值权阵矫正的光束平差迭代运算，获取交会点坐标，即第一次交会焦点坐标。其中的前方主点为前方控制标定点。
即，对于每一张标注图像，选取其中的多个像点以及这些像点分别对应的前方主点进行光束平差后方共线交会计算，获取该图像所对应的后方交会点的交会点坐标。也即，对于同一帧图像，利用前方主点、相应像点与后方交会点的共线关系，列写共线方程，进行光束后方共线交会计算。然后利用观测值权阵对光束平差计算过程进行矫正，通过光束平差迭代运算，获取满足设定标准的迭代结果作为最终的后方交会点坐标。
S2，获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标。
可以理解为，本步骤根据前方主点的光学特性，基于上述步骤根据特定标定图像获取的交会点坐标，以及同时得到的主光轴，求取所得交会点沿主光轴所对应的前方主点的标板投影世界坐标。
S3，利用多张不同标注图像，循环执行步骤S1和S2，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对。
可以理解为，在对目标视觉测量系统进行参数标定时，仅对一张标定图像进行前方主点的观测会引入较大的误差甚至错误，因此需要利用目标视觉测量系统对多张标定图像中的多个对应点分别进行观测，进而通过光束平差计算得到较准确的标定图像后方交会点坐标，以及该交会点坐标所对应前方主点的世界坐标。
即，需要多组点对进行迭代交会，才能获取较为精确的球心坐标和结构参数，并需要对多张不同方位的标定图像进行前方主点的观测。
对于目标视觉测量系统所观测的多张标定图像，分别依次通过光束平差后方共线交会获取交会点坐标，并利用主点光学特性解算交会点坐标所对应前方主点的世界坐标。
其中可选的，所述S3的步骤进一步包括：遍历所有所述标注图像，重复执行步骤S1和S2，获取交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集，以及相应的矫正系统误差后的前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集。
可以理解为，根据前方主点的光学特性，分别计算所拍摄的各方位的标定图像的第一次交会点坐标所对应的前方主点的世界坐标，并对其进行系统误差矫正。
其中，遍历多张图像中的每一张图像，对于遍历的每一张图像，首先通过光束后方共线交会，列写后方共线条件方程，并利用平差算法计算每张图像分别对应的交会点坐标。然后根据前方主点的光学特性，求取所得交会点坐标所对应的前方主点的世界坐标。
S4，基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数。
可以理解为，在根据上述步骤的光束平差共线后方交会，获取多帧标定图像分别对应的后方交会点坐标及其对应的前方主点世界坐标之后，利用该多帧图像分别对应的后方交会点坐标及其对应的前方主点世界坐标进行光束平差共球二次交会。
具体以交会点坐标F与前方主点的世界坐标A构成直线，与旋转向量P的向量球相切，切点为P。根据多张标定图像，建立多条切线，列写切线共球条件方程，进行光束平差切线共球交会，获取目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标。
即，基于各标定图像分别对应的交会点坐标和前方主点的世界坐标，通过光束平差共球交会迭代运算，获取目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标。
S5，基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
可以理解为，在根据上述步骤完成目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心的标定后，根据标定的结构参数和云台旋转中心构建目标视觉测量系统不同视角下的仿射坐标系。例如以标定的云台旋转中心为坐标原点，通过连续转动旋转云台，使其依次到达各所需视角，并依次在各视角下根据目标视觉测量系统的结构参数进行仿射坐标系构建。
本发明实施例提供的一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法，在根据光束平差共线交会获取多个交会点坐标及对应前方主点世界坐标的基础上，根据交会点坐标和前方主点世界坐标进行光束平差切线共球二次交会，解算视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心坐标，并在此基础上进行视觉测量系统仿射坐标系的构建，能够有效提高对目标视觉测量系统运动结构的参数标定精度，从而更精确的表示目标视觉测量系统的仿射关系，提高视觉测量精度，可以实现基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。
其中，在一个实施例中，所述S1的步骤进一步包括：对标定板和标定图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差计算，获取一个所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)：
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)。
其中，根据实际标定实验设备条件，估算光束后方共线交会的前方点坐标初始值
利用所述观测值权阵对平差运算的法方程矫正如下：
式中，A1为第一观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束后方共线交会计算中共线条件方程的像方参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X1为外方位元素增量向量，L1为误差方程常数项的线性化变换向量；
求解经所述观测值权阵矫正的法方程，获取外方位元素增量向量如下：
以所述外方位元素增量向量中的三个角元素作为交会点坐标增量，并基于所述交会点坐标初始值和所述交会点坐标增量，进行坐标迭代运算，获取所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)。
可以理解为，本实施例针对每一张图像，对标定板和标定图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，并进行光束平差计算，获取一个对应的交会点坐标(Xf,Yf,Zf)。
具体在进行共线交会之前，根据实际标定实验设备条件，估算光束后方共线交会的交会点坐标初始值并在根据现有光束后方共线交会运算列写共线条件方程之后，进行光束平差计算，光束平差的误差方程为：
V1＝A1X1-L1；
式中，V1＝[v1x,v1y]T，L1＝[l1x,l1y]T，
其中，
同时，确定上述光束平差的法方程为：
式中，A1为第一观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束后方共线交会计算中共线条件方程的参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X1为外方位元素增量向量，L1为共线条件方程线性化变换向量。
则，求解上述法方程的解，即获得外方位元素增量向量为：
其中，外方位元素增量向量X1中的三个角元素分量对应交会点坐标的三个坐标分量增量。
应当理解的是，对于每一张图像，均能根据上述处理步骤获取一组对应的交会点坐标增量数据。在根据以上处理步骤确定光束后方共线交会的交会点坐标初始值以及各个图像分别对应的交会点坐标增量数据(dXf,dYf,dZf)之后，根据给定的迭代公式进行迭代运算，得到系统误差矫正后的交会点坐标(Xf,Yf,Zf)。
其中，根据上述实施例，所述S2的步骤进一步包括：基于所述交会点坐标，以矫正光学畸变的所述观测值权阵W对主点的标定图像坐标进行矫正，并利用主点的光学特性，由矫正后主点的标定图像坐标，解算主点在标定板上的世界坐标，获取所述前方投影点世界坐标。
可以理解为，在理想状态下，认为采像瞬间图像中的主点与其沿着主光轴在前方的投影点，以及第一次的交会点是三点共线的，每个前方投影主点与图像中主点点一一对应。因此，在已知图像中对应主点的像空间坐标后，可以根据其主光轴的光学特性近似求取主点前方标定板投影点的世界坐标。
考虑到对图像中像点坐标的观测误差，在求取前方主点的世界坐标之前，利用上述实施例的观测值权阵，在求取前方主点世界坐标的过程中进行矫正，获取矫正后的前方主点的世界坐标。应当理解的是，其中的观测值权阵用于矫正光学畸变。
即，对计算中涉及的任意像点的图像坐标，利用观测值权阵矫正初始像坐标，然后计算获取前方主点的世界坐标；其中，观测值权阵用于矫正光学畸变。
其中，在一个实施例中，所述S4的步骤进一步包括：
以一次交会获取的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集和所述前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集中的每对对应点作为一组对应投影点，分别两两与空间点集P中相应的一个点对应，建立切线共球条件方程；F(Xf,Yf,Zf)和P均各自为共球点集，直线AFP为P球的切线，切点为P；以A、F和P进行共球二次交汇，并通过迭代运算，获取旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，同时解算结构参数dz0和R；
F(Xf,Yf,Zf)中各Fi的对应矢量由矢量旋转获得，至的旋转矩阵为
A、F和P三点切线方程为：
解得：
式中，Xf、Yf、Zf为光束平差后方共线交会的交会点坐标分量，(XO,YO,ZO)为光束平差共球交会的交会点坐标，即云台旋转中心世界坐标，dz0和R为目标视觉测量系统的结构参数；
误差方程为：
V2＝A2X2-L2；
其中：
V2＝[vx,vy]T；
vx＝a11dXO+a12dYO+a13dZO+a14d(dz0)+a15dR-lx；
vy＝a21dXO+a22dYO+a23dZO+a24d(dz0)+a25dR-ly；
L2＝[lx,ly]T；
X2＝[dXO dYO dZO d(dz0) dR]T；
法方程为：
则法方程的解为：
式中，A2为第二观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束切线共球交会计算中切线条件方程的前方主点参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X2为旋转中心坐标与结构参数增量向量，L2为切线共球条件方程线性化变换向量；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
中的各项分别为：
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，以及所述结构参数dz0和R；
其中，进行共球二次交会并进行迭代运算的运算流程为：
建立二维标板世界坐标系，从像平面上获取主点的像坐标，将像点坐标用W阵作系统误差校正；
利用主点的像坐标，计算主点在标定板上投影点的世界坐标；
初始值XO 0、YO 0、ZO 0、dz0 0和R0根据实际标定实验的设备条件粗略估算给出；
三个角元素的值用第一次共线交会获得的外方位元素代入；
逐点计算F(Xf,Yf,Zf)点集中各点的近似值；
逐点求得球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和结构参数的改正数d(dz0)和dR；
用前次迭代的近似值加改正数计算本次迭代值：
将求得的球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和计算结构参数的改正数d(dz0)和dR与规定的限差比较，达到精度则迭代结束，输出球心坐标O(XO,YO,ZO)，以及结构参数dz0和R。
可以理解为，基于各标定图像分别对应的交会点坐标F和前方主点的世界坐标A，以及空间点P，分别建立切线共球条件方程；
以云台旋转中心O为坐标原点，根据交会点坐标F与矢量的旋转矢量的对应关系，求解切线共球条件方程，获取交会点关于目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标的坐标解；
列写误差方程，并利用观测值权阵对切线共球交会平差运算的法方程矫正如下：
式中，A2为第二观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束切线共球交会计算中切线条件方程的像方参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X2为旋转中心坐标与结构参数增量向量，L2为切线共球条件方程线性化变换向量；
求解经观测值权阵矫正的法方程，获取旋转中心坐标与结构参数增量向量如下：
基于交会点关于目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标的坐标解、误差方程和旋转中心坐标与结构参数增量向量，进行迭代运算，获取目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标。
其中，参考图2，为根据本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法中二自由度手眼运动结构参数标定和仿射坐标系统剖面图，对于光束平差后方共线交会获取的交会点点集F(Xf,Yf,Zf)和前方主点点集A(X,Y,Z)是一组对应投影点，其分别两两与空间点P(Xp,Yp,Zp)对应。由于F(Xf,Yf,Zf)和P(Xp,Yp,Zp)均各自为共球点集，直线AFP为P球的切线，切点为P(Xp,Yp,Zp)。因此以A、F和P进行光束平差共球交会，建立A、F和P三点的如上切线共球条件方程。
参考图3，为根据本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法中二自由度手眼运动结构参数标定和仿射坐标系统三维示意图，以云台旋转中心O为仿射坐标系的坐标原点，考虑到F(Xf,Yf,Zf)中各Fi分量的对应矢量是由矢量旋转获得。
于是，按如上求解过程求解上述切线共球条件方程，可得交会点，即目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标的坐标解。
在已知以上运算关系的基础上，通过逐步迭代求取系统误差矫正后的旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，同时解算出结构参数dz0和R。
其中，根据所述目标视觉测量系统的结构参数的估计值和云台旋转中心世界坐标的估计坐标解，估算所述目标视觉测量系统的初始结构参数dz0 0和R0，以及初始云台旋转中心世界坐标O0(XO 0,YO 0,ZO 0)；
根据所述误差方程和所述旋转中心坐标与结构参数增量向量，逐点获取旋转中心坐标增量和以及结构参数增量和dRi；
基于所述初始结构参数dz0 0和R0，所述初始云台旋转中心世界坐标(XO 0,YO 0,ZO 0)、所述旋转中心坐标增量和以及所述结构参数增量和dRi，利用前次迭代的近似值叠加当前旋转中心坐标增量和结构参数增量，进行迭代运算，直至所述旋转中心坐标增量和所述结构参数增量达到设定精度：；
Ri＝Ri-1+dRi；
式中，Ui表示当前迭代云台旋转中心世界坐标或结构参数，Ui-1表示前次迭代云台旋转中心世界坐标或结构参数的近似值，dUi表示当前旋转中心坐标增量或结构参数增量，U取为XO、YO、ZO、dz0或R。
可以理解为，具体在进行切线共球面交会迭代标定时，按照下述运算流程进行：
在进行切线共球交会运算之前，需要建立二维标板世界坐标系。从像平面上获取像主点的前方投影世界坐标时，在计算该投影世界坐标前，将计算所涉及像点坐标用观测值权阵W作系统误差校正，计算前方主点在标定板上投影点的世界坐标。
代入初始值XO 0、YO 0、ZO 0、dz0 0和R0，通过依次将根据上述实施例获取的各第一次交会点坐标和像主点前方投影点代入切线共球交会方程，标的坐标解，并结合列写的误差方程求取所述目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标。三个角元素的值用第一次平差后方共线交会获得的外方位元素代入。
其中，根据上述实施例逐点计算各不同图像所对应的交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)的近似值，各不同交会点坐标组成交会点集合。
根据所述误差方程和所述旋转中心坐标与结构参数增量向量，逐点获取旋转中心坐标增量和以及结构参数增量和dRi。
以目标视觉测量系统的初始结构参数dz0 0和R0，以及初始云台旋转中心世界坐标O0(XO 0,YO 0,ZO 0)为基础，依次叠加根据各交会点坐标求取的旋转中心坐标增量和以及结构参数增量和dRi，具体得到如上迭代公式。
最后，将求得的旋转中心坐标增量和以及结构参数增量和dRi与规定的限差比较，判断迭代是否达到设定精度，并在达到设定精度时结束迭代运算，输出旋转中心坐标O(XO,YO,ZO)和结构参数dz0和R。
其中，在另一个实施例中，所述S5的步骤进一步包括：根据给定定焦fi以及所述结构参数dz0和R，确定初始焦点F0；以所述云台旋转中心坐标所对应的点为坐标原点，逐次旋转云台，依次获取各对应视角的焦点Fi，并建立各对应视角的仿射坐标系。
可以理解为，在上述实施例的基础上，对于某给定定焦fi，根据通过步骤S1至S4标定出的结构参数dz0 i和旋转结构参数R，确定第一视角的初始点F0坐标(焦点)，即初始焦点F0(Xf0,Yf0,Zf0)。建立第一视角下的仿射坐标系。
然后，以云台(或手眼系统)的旋转中心O为坐标原点，将云台进行旋转，其中旋转矩阵为：
云台被旋转到第二视角，第一视角下的初始焦点F0(Xf0,Yf0,Zf0)对应的第二视角下的焦点F1的坐标为：
建立第二视角下的仿射坐标系。
之后仍以云台(或手眼系统)的旋转中心O为坐标原点，继续逐次旋转云台，到达各所需视角，并依次求取各对应视角的焦点Fi，建立各不同视角下的仿射坐标系，实现多视角无标前方交会视觉测量。
即，以云台或手眼系统的旋转中心O为坐标原点，以设定定焦fi以及结构参数dz0 i和旋转结构参数R作为初始点F0焦点坐标，将云台旋转，旋转矩阵如上所示。
从而获取Fi点的坐标如上所示。
然后仍以旋转中心O为原点，继续旋转，随云台的旋转，依次建立不同视角的仿射坐标系统，实现多视角无标前方交会视觉测量。
为了进一步说明本发明的技术方案，本实施例提供如下优化技术方案处理流程，但不对本发明所要求保护的范围进行限定。
步骤1，选取多张标注图像中的一张图像，对于该图像利用前方点和相应像点坐标进行光束平差后方共线交会，获得交汇点坐标；
步骤2，对于获取的交会点坐标，计算与其相应的前方主点的前方投影点世界坐标；
步骤3，遍历多张标注图像中的其余各帧图像，循环执行步骤1和步骤2，获取各图像分别对应的交会点坐标与像主点的前方投影点世界坐标对；
步骤4，利用获得的多组交会点坐标与主点的前方世界坐标对，进行切线共球二次交会，通过迭代计算获取目标视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；
步骤5，利用目标视觉测量系统的结构参数以及云台旋转中心点，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系统。
作为本发明实施例的另一个方面，本实施例提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统，参考图4，为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统的结构示意图，包括：第一次交会运算模块1、前方投影点世界坐标计算模块2、多组点对获取模块3、第二次交会运算模块4和仿射空间坐标系构建模块5。其中，
第一次交会运算模块1用于通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标；前方投影点世界坐标计算模块2用于获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标；多组点对获取模块3用于控制所述第一次交会运算模块和所述前方投影点世界坐标计算模块，根据多张不同标注图像，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对；第二次交会运算模块4用于基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；仿射空间坐标系构建模块5用于基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
可以理解为，为了解决传统参数标定方法的精确率低的问题，本实施例在标定系统中至少分别设置第一次交会运算模块1、前方投影点世界坐标计算模块2、多组点对获取模块3、第二次交会运算模块4和仿射空间坐标系构建模块5。各功能模块间进行通信连接，可相互进行数据传输。应当理解的是，可以通过硬件处理器(hardware processor)来实现系统中的相关功能模块。
其中，第一次交会运算模块1通过光束后方共线交会，列写后方共线条件方程，并利用平差算法计算每张图像分别对应的交会点坐标。即，针对每张图像，基于图像上的任意像点以及任意像点对应的前方点，进行光束后方共线交会，并通过基于观测值权阵矫正的光束平差迭代运算，获取交会点坐标。
前方投影点世界坐标计算模块2则根据像方主点的光学特性，像主点坐标沿着主光轴在前方的投影，求取所对应的前方投影主点的世界坐标。
在上述功能模块1和2处理的基础上，具体考虑到在对目标视觉测量系统进行参数标定时，仅对几张图像进行前方投影主点的观测会引入较大的误差甚至错误，因此多组点对获取模块3需要利用目标视觉测量系统对多张图像中的多个对对应点分别进行观测，并通过光束平差共线后方交会计算得到较准确的焦点坐标。
即，利用多组点对获取模块3，遍历多张图像中的每一张图像，对于遍历的每一张图像，多组点对获取模块3首先通过光束后方共线交会，列写共线条件方程，并利用平差算法分别计算每张图像中对应的后方交会点坐标。然后，多组点对获取模块3根据前方主点的光学特性，求取交会点坐标和像主点所在的主光轴上对应的前方投影主点的世界坐标。其中的主点光学特性与上述方法类实施例中相同，可参照上述方法类实施例，此处不再赘述。
在利用多组点对获取模块3进行光束平差后方共线交会，获取多帧图像分别对应的后方交会点坐标及其对应的前方主点世界坐标之后，第二次交会运算模块4利用该多帧图像分别对应的后方交会点坐标及其对应的前方主点世界坐标进行光束共球二次交会。
具体根据各图像分别对应的交会点坐标与前方主点的世界坐标对，以及空间点P，第二次交会运算模块4分别进行光束共球交会，列写切线共球条件方程。然后第二次交会运算模块4根据多个交会点坐标与前方主点的世界坐标对进行平差迭代计算，获取目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标。
在利用第二次交会运算模块4完成目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心的标定后，仿射空间坐标系构建模块5根据标定的结构参数和云台旋转中心构建目标视觉测量系统不同视角下的仿射坐标系。例如以标定的云台旋转中心为坐标原点，通过连续旋转旋转云台，使其依次到达各所需视角，并依次在各视角下根据目标视觉测量系统的结构参数进行仿射坐标系构建。
本发明实施例提供的一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统，通过设置相关的功能模块，在根据光束平差共线交会获取多个交会点坐标及对应前方主点世界坐标的基础上，基于交会点坐标和前方主点世界坐标进行光束平差切线共球二次交会，解算视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心坐标，并据此进行视觉测量系统仿射坐标系的构建，能够有效提高对目标视觉测量系统运动结构的参数标定精度，从而更精确的表示目标视觉测量系统的仿射关系，提高视觉测量精度，实现基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。
其中可选的，第一次交会运算模块1具体用于：对标定板和标定图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差计算，获取一个所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)：
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)；
前方投影点世界坐标计算模块2具体用于：利用主点的光学特性，基于所述交会点坐标，以矫正光学畸变的所述观测值权阵W对主点的标定图像坐标进行矫正，并由矫正后主点的标定图像坐标，解算主点在标定板上的世界坐标，获取所述前方投影点世界坐标。
其中，在一个实施例中，第二次交会运算模块4具体用于：
以一次交会获取的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集和所述前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集中的每对对应点作为一组对应投影点，分别两两与空间点集P中相应的一个点对应，建立切线共球条件方程；F(Xf,Yf,Zf)和P均各自为共球点集，直线AFP为P球的切线，切点为P；以A、F和P进行共球二次交汇，并通过迭代运算，获取旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，同时解算结构参数dz0和R；
F(Xf,Yf,Zf)中各Fi的对应矢量由矢量旋转获得，至的旋转矩阵为
A、F和P三点切线方程为：
解得：
式中，Xf、Yf、Zf为光束平差后方共线交会的交会点坐标分量，(XO,YO,ZO)为光束平差共球交会的交会点坐标，即云台旋转中心世界坐标，dz0和R为目标视觉测量系统的结构参数；
误差方程为：
V2＝A2X2-L2；
其中：
V2＝[vx,vy]T；
vx＝a11dXO+a12dYO+a13dZO+a14d(dz0)+a15dR-lx；
vy＝a21dXO+a22dYO+a23dZO+a24d(dz0)+a25dR-ly；
L2＝[lx,ly]T；
X2＝[dXO dYO dZO d(dz0) dR]T；
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
式中，A2为第二观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束切线共球交会计算中切线条件方程的前方主点参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X2为旋转中心坐标与结构参数增量向量，L2为切线共球条件方程线性化变换向量；
中的各项分别为：
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，以及所述结构参数dz0和R；
其中，进行共球二次交会并进行迭代运算的运算流程为：
建立二维标板世界坐标系，从像平面上获取主点的像坐标，将像点坐标用W阵作系统误差校正；
利用主点的像坐标，计算主点在标定板上投影点的世界坐标；
初始值XO 0、YO 0、ZO 0、dz0 0和R0根据实际标定实验的设备条件粗略估算给出；
三个角元素的值用第一次共线交会获得的外方位元素代入；
逐点计算F(Xf,Yf,Zf)点集中各点的近似值；
逐点求得球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和结构参数的改正数d(dz0)和dR；
用前次迭代的近似值加改正数计算本次迭代值：
将求得的球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和计算结构参数的改正数d(dz0)和dR与规定的限差比较，达到精度则迭代结束，输出球心坐标O(XO,YO,ZO)，以及结构参数dz0和R。
其中，在另一个实施例中，仿射空间坐标系构建模块5具体用于：
以云台或手眼系统的旋转中心O为坐标原点，以设定定焦fi以及结构参数dz0 i和旋转结构参数R作为初始点F0焦点坐标，将云台旋转，旋转矩阵为：
获取F1点的坐标为：
仍以旋转中心O为原点，继续旋转，随云台的旋转，依次建立不同视角的仿射坐标系统，实现多视角无标前方交会视觉测量。
应当理解的是，本发明各视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统的实施例中，各功能模块的具体处理过程与上述方法类实施例对应，可参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
作为本发明实施例的又一个方面，本实施例提供一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置，参考图5，为本发明实施例一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置的结构框图，包括：至少一个处理器501，以及至少一个与处理器501通信连接的存储器502。其中，存储器502中存储有可在处理器501上运行的计算机程序，处理器501执行所述计算机程序时实现如上所述的视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法。
可以理解为，所述的视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置中至少包含一个处理器501和一个存储器502，且处理器501和存储器502之间形成通信连接，可以进行相互间信息和指令的传输，如处理器501从存储器502中读取视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法的程序指令等。
视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置运行时，处理器501调用存储器502中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于各所述图像分别对应的所述交会点坐标和所述前方主点的世界坐标，通过光束平差共球交会迭代运算，获取所述目标视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心世界坐标；以及，针对每张所述图像，基于所述图像上的任意像点以及所述任意像点对应的前方主点，进行光束后方共线交会，并通过基于观测值权阵矫正的光束平差迭代运算，获取所述交会点坐标等。
本发明另一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上所述的视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法。
可以理解为，上述存储器502中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。或者，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解，各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等，包括若干指令，用以使得一台计算机设备(如个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述各方法实施例或者方法实施例的某些部分所述的方法。
本发明实施例提供的一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建装置和一种非暂态计算机可读存储介质，在根据光束平差共线交会获取多个交会点坐标及对应前方主点世界坐标的基础上，根据交会点坐标和前方主点世界坐标进行光束平差切线共球二次交会，解算视觉测量系统的结构参数和云台旋转中心坐标，并在此基础上进行视觉测量系统仿射坐标系的构建，能够有效提高对目标视觉测量系统运动结构的参数标定精度，从而更精确的表示目标视觉测量系统的仿射关系，提高视觉测量精度。
另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法，其特征在于，包括：
S1，通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标；
S2，获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标；
S3，利用多张不同标注图像，循环执行步骤S1和S2，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对；
S4，基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；
S5，基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤进一步包括：
对标定板和标定图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差计算，获取一个所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)：
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)；
其中，A1为第一观测矩阵，X1为外方位元素增量向量，L1为误差方程常数项的线性化变换向量，X、Y、Z表示光束后方共线交会计算中共线条件方程的参数变量，c11、c12、c21、c22、c31、c32表示矫正系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2的步骤进一步包括：
基于所述交会点坐标，利用矫正光学畸变的所述观测值权阵W，对主点的标定图像坐标进行矫正，并利用主点的光学特性，由矫正后的主点的标定图像坐标，解算主点在标定板上的世界坐标，获取所述前方投影点世界坐标。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述S3的步骤进一步包括：
遍历所有所述标注图像，重复执行步骤S1和S2，获取交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集，以及相应的矫正系统误差后的前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S4的步骤进一步包括：
以一次交会获取的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集和所述前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集中的每对对应点作为一组对应投影点，分别两两与空间点集P中相应的一个点对应，建立切线共球条件方程；F(Xf,Yf,Zf)和P均各自为共球点集，直线AFP为P球的切线，切点为P；以A、F和P进行共球二次交汇，并通过迭代运算，获取旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，同时解算结构参数dz0和R；
F(Xf,Yf,Zf)中各Fi的对应矢量由矢量旋转获得，至的旋转矩阵为
A、F和P三点切线方程为：
解得：
式中，Xf、Yf、Zf为光束平差后方共线交会的交会点坐标分量，(XO,YO,ZO)为光束平差共球交会的交会点坐标，即云台旋转中心世界坐标，dz0和R为目标视觉测量系统的结构参数；
误差方程为：
V2＝A2X2-L2；
其中：
V2＝[vx,vy]T；
vx＝a11dXO+a12dYO+a13dZO+a14d(dz0)+a15dR-lx；
vy＝a21dXO+a22dYO+a23dZO+a24d(dz0)+a25dR-ly；
L2＝[lx,ly]T；
X2＝[dXO dYO dZO d(dz0) dR]T；
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
式中，A2为第二观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束切线共球交会计算中切线条件方程的前方主点参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X2为旋转中心坐标与结构参数增量向量，L2为切线共球条件方程线性化变换向量；
中的各项分别为：
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，以及所述结构参数dz0和R；
其中，进行共球二次交会并进行迭代运算的运算流程为：
建立二维标板世界坐标系，从像平面上获取主点的像坐标，将像点坐标用W阵作系统误差校正；
利用主点的像坐标，计算主点在标定板上投影点的世界坐标；
初始值XO 0、YO 0、ZO 0、dz0 0和R0根据实际标定实验的设备条件粗略估算给出；
三个角元素的值用第一次共线交会获得的外方位元素代入；
逐点计算F(Xf,Yf,Zf)点集中各点的近似值；
逐点求得球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和结构参数的改正数d(dz0)和dR；
用前次迭代的近似值加改正数计算本次迭代值：
Ri＝Ri-1+dRi；
将求得的球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和计算结构参数的改正数d(dz0)和dR与规定的限差比较，达到精度则迭代结束，输出球心坐标O(XO,YO,ZO)，以及结构参数dz0和R。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S5的步骤进一步包括：
以云台或手眼系统的旋转中心O为坐标原点，以设定定焦fi以及结构参数dz0 i和旋转结构参数R作为初始点F0焦点坐标，将云台旋转，旋转矩阵为：
获取F1点的坐标为：
仍以旋转中心O为原点，继续旋转，随云台的旋转，依次建立不同视角的仿射坐标系统，实现多视角无标前方交会视觉测量。
7.一种视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建系统，其特征在于，包括：
第一次交会运算模块，用于通过光束平差后方共线交会，获取交会点坐标；
前方投影点世界坐标计算模块，用于获取所述交会点坐标所对应主点的前方投影点世界坐标；
多组点对获取模块，用于控制所述第一次交会运算模块和所述前方投影点世界坐标计算模块，根据多张不同标注图像，获取多组交会点坐标与前方投影点世界坐标对；
第二次交会运算模块，用于基于多组所述交会点坐标与前方投影点世界坐标对，进行光束平差切线共球二次交会，并通过迭代计算，获取所述视觉测量系统的云台旋转中心坐标和结构参数；
仿射空间坐标系构建模块，用于基于所述云台旋转中心坐标和所述结构参数，建立以云台旋转中心为基础的仿射空间坐标系。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一次交会运算模块具体用于：
对标定板和标定图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差计算，获取一个所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)：
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)；
所述前方投影点世界坐标计算模块具体用于：
基于所述交会点坐标，以矫正光学畸变的所述观测值权阵W对主点的标定图像坐标进行矫正，并利用主点的光学特性，由矫正后主点的标定图像坐标，解算主点在标定板上的世界坐标，获取所述前方投影点世界坐标；
其中，A1为第一观测矩阵，X1为外方位元素增量向量，L1为误差方程常数项的线性化变换向量，X、Y、Z表示光束后方共线交会计算中共线条件方程的参数变量，c11、c12、c21、c22、c31、c32表示矫正系数。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二次交会运算模块具体用于：
以一次交会获取的所述交会点坐标F(Xf,Yf,Zf)点集和所述前方投影点世界坐标A(X,Y,Z)点集中的每对对应点作为一组对应投影点，分别两两与空间点集P中相应的一个点对应，建立切线共球条件方程；F(Xf,Yf,Zf)和P均各自为共球点集，直线AFP为P球的切线，切点为P；以A、F和P进行共球二次交汇，并通过迭代运算，获取旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，同时解算结构参数dz0和R；
F(Xf,Yf,Zf)中各Fi的对应矢量由矢量旋转获得，至的旋转矩阵为
A、F和P三点切线方程为：
解得：
式中，Xf、Yf、Zf为光束平差后方共线交会的交会点坐标分量，(XO,YO,ZO)为光束平差共球交会的交会点坐标，即云台旋转中心世界坐标，dz0和R为目标视觉测量系统的结构参数；
误差方程为：
V2＝A2X2-L2；
其中：
V2＝[vx,vy]T；
vx＝a11dXO+a12dYO+a13dZO+a14d(dz0)+a15dR-lx；
vy＝a21dXO+a22dYO+a23dZO+a24d(dz0)+a25dR-ly；
L2＝[lx,ly]T；
X2＝[dXO dYO dZO d(dz0) dR]T；
法方程为：
则法方程的解为：
式中，W为用以引入矫正系统误差的观测值权阵；
W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]；
式中，A2为第二观测矩阵，W为引入误差矫正分量的观测值权阵，W＝[(c11X+c12),(c21Y+c22),(c31Z+c32)]，其中X、Y、Z表示光束切线共球交会计算中切线条件方程的前方主点参数变量，c11、c12、c31、c22、c31、c32表示矫正系数，X2为旋转中心坐标与结构参数增量向量，L2为切线共球条件方程线性化变换向量；
中的各项分别为：
通过迭代运算，获取系统误差矫正后的所述旋转中心交会点世界坐标O(XO,YO,ZO)，以及所述结构参数dz0和R；
其中，进行共球二次交会并进行迭代运算的运算流程为：
建立二维标板世界坐标系，从像平面上获取主点的像坐标，将像点坐标用W阵作系统误差校正；
利用主点的像坐标，计算主点在标定板上投影点的世界坐标；
初始值XO 0、YO 0、ZO 0、dz0 0和R0根据实际标定实验的设备条件粗略估算给出；
三个角元素的值用第一次共线交会获得的外方位元素代入；
逐点计算F(Xf,Yf,Zf)点集中各点的近似值；
逐点求得球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和结构参数的改正数d(dz0)和dR；
用前次迭代的近似值加改正数计算本次迭代值：
Ri＝Ri-1+dRi；
将求得的球心坐标的改正数dXO、dYO、dZO和计算结构参数的改正数d(dz0)和dR与规定的限差比较，达到精度则迭代结束，输出球心坐标O(XO,YO,ZO)，以及结构参数dz0和R。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述仿射空间坐标系构建模块具体用于：
以云台或手眼系统的旋转中心O为坐标原点，以设定定焦fi以及结构参数dz0 i和旋转结构参数R作为初始点F0焦点坐标，将云台旋转，旋转矩阵为：
获取F1点的坐标为：
仍以旋转中心O为原点，继续旋转，随云台的旋转，依次建立不同视角的仿射坐标系统，实现多视角无标前方交会视觉测量。
CN201810394449.9A 2018-04-27 2018-04-27 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统 Active CN108489395B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810394449.9A CN108489395B (zh) 2018-04-27 2018-04-27 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统
US16/969,340 US20210041236A1 (en) 2018-04-27 2018-07-12 Method and system for calibration of structural parameters and construction of affine coordinate system of vision measurement system
PCT/CN2018/095337 WO2019205299A1 (zh) 2018-04-27 2018-07-12 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810394449.9A CN108489395B (zh) 2018-04-27 2018-04-27 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108489395A CN108489395A (zh) 2018-09-04
CN108489395B true CN108489395B (zh) 2019-03-22

Family

ID=63313219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810394449.9A Active CN108489395B (zh) 2018-04-27 2018-04-27 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210041236A1 (zh)
CN (1) CN108489395B (zh)
WO (1) WO2019205299A1 (zh)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110956667B (zh) * 2019-11-28 2023-02-17 李安澜 基于近似平面靶的摄像机自标定方法及系统
CN111612852B (zh) * 2020-05-20 2023-06-09 阿波罗智联(北京)科技有限公司 用于验证相机参数的方法和装置
CN112050751B (zh) * 2020-07-17 2022-07-22 深圳大学 一种投影仪标定方法、智能终端及存储介质
CN111915685B (zh) * 2020-08-17 2023-10-31 沈阳飞机工业（集团）有限公司 一种变焦摄像机标定方法
CN112215905A (zh) * 2020-10-22 2021-01-12 北京易达恩能科技有限公司 移动式红外测温系统的自动标定方法
CN112729245B (zh) * 2020-11-30 2022-08-12 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种自动瞄准投点器及投点方法
CN112611325B (zh) * 2020-12-07 2022-05-24 东莞市兆丰精密仪器有限公司 一种激光中心的标定方法及其与影像中心同步的标定方法
CN112880592B (zh) * 2021-01-20 2022-03-04 湘潭大学 一种基于芯轴的数控转台顶尖的倾斜标定方法
CN113030855B (zh) * 2021-03-23 2023-09-29 深圳市迈诺电子有限公司 基于天线阵列的二维平面定位方法
CN113343163B (zh) * 2021-04-19 2023-03-21 华南农业大学 一种大规模边角网平差及精度评定方法、系统及存储介质
CN113405532B (zh) * 2021-05-31 2022-05-06 中国农业大学 基于视觉系统结构参数的前方交会测量方法及系统
CN113405568B (zh) * 2021-06-03 2022-10-28 中国农业大学 视觉测量系统结构参数测量的方法、系统及电子设备
CN113473834B (zh) * 2021-06-23 2022-04-15 珠海格力电器股份有限公司 异型元件的插装方法、装置、系统、电子设备和存储介质
CN113761709B (zh) * 2021-07-23 2023-12-01 散裂中子源科学中心 一种附有高程约束的三维平差方法及装置
CN113744343B (zh) * 2021-08-09 2023-12-05 佛山智能装备技术研究院 基于结构光传感器的手眼标定方法、系统及存储介质
CN113496528B (zh) * 2021-09-07 2021-12-14 湖南众天云科技有限公司 固定交通路侧场景下视觉检测目标位置标定方法及装置
CN114322940B (zh) * 2021-12-02 2024-04-09 中国人民解放军96796部队 一种空地一体多目交会测量空爆位置中心的方法及系统
CN114608540B (zh) * 2022-03-17 2023-06-16 中国科学院紫金山天文台 一种数字摄影测量系统的测量网型确定方法
CN114516051B (zh) * 2022-03-18 2023-05-30 中国农业大学 三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统
CN114463422B (zh) * 2022-04-14 2022-08-16 北京深度奇点科技有限公司 一种用于影像测量校正的方法和系统
CN114877870B (zh) * 2022-05-18 2023-07-14 大连理工大学 基于虚拟基准尺的大尺寸摄影测量精度提升方法
CN115507769B (zh) * 2022-05-24 2023-09-22 北京工业大学 融合视觉和光学原理的齿轮快速测量方法
CN114972536B (zh) * 2022-05-26 2023-05-09 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种航空面阵摆扫式相机定位和标定方法
CN114812446B (zh) * 2022-05-31 2023-03-21 南京航空航天大学 一种基于摄影测量技术的飞机水平测量工装标定方法
CN115661349B (zh) * 2022-10-26 2023-10-27 中国农业大学 基于样本图像的三维重建方法、系统、设备、介质及产品
CN116451474B (zh) * 2023-04-19 2023-12-29 沈阳航空航天大学 一种螺纹牙斜面数学表达式的建立方法
CN116204756B (zh) * 2023-04-28 2023-07-07 武汉大学 一种多分析中心精密站坐标产品综合方法及系统
CN116433756B (zh) * 2023-06-15 2023-08-18 浪潮智慧科技有限公司 一种单目相机的地表物体空间分析方法、设备及介质

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4825394A (en) * 1985-05-07 1989-04-25 General Dynamics Corporation Vision metrology system
US6044132A (en) * 1997-12-31 2000-03-28 Siemens Corporate Research, Inc. Apparatus for providing markers on an image, for use in conjunction with C-arm calibration apparatus
US20060017720A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-26 Li You F System and method for 3D measurement and surface reconstruction
CN101727670B (zh) * 2009-11-10 2012-01-04 西安交通大学 一种可变幅面多相机系统柔性标定方法及装置
CN103827917B (zh) * 2011-07-25 2017-06-09 科英布拉大学 用于使用棋盘图案的一幅或多幅图像的自动相机校准的方法和装置
CN102654391B (zh) * 2012-01-17 2014-08-20 深圳大学 基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统及其标定方法
CN102889882B (zh) * 2012-09-03 2014-11-12 北京信息科技大学 一种基于光束平差的三维重建方法
CN107003109B (zh) * 2014-11-13 2019-11-05 奥林巴斯株式会社 校准装置、校准方法、光学装置、摄影装置、投影装置、测量系统以及测量方法
CN105241377B (zh) * 2015-09-16 2018-04-13 中国农业大学 基于云镜摄系统参数和视频帧的植物三维测量方法和系统
US10412365B2 (en) * 2015-09-22 2019-09-10 Purdue Research Foundation Calibration arrangement for structured light system using a tele-centric lens
CN107543495B (zh) * 2017-02-17 2019-02-22 北京卫星环境工程研究所 航天器设备自动准直测量系统、准直方法与测量方法
CN107230233A (zh) * 2017-05-04 2017-10-03 深圳大学 基于光束平差的远心镜头三维成像系统的标定方法及装置
CN107680139B (zh) * 2017-10-17 2019-11-01 中国人民解放军国防科技大学 一种远心双目立体视觉测量系统的通用性标定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108489395A (zh) 2018-09-04
WO2019205299A1 (zh) 2019-10-31
US20210041236A1 (en) 2021-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108489395B (zh) 视觉测量系统结构参数标定和仿射坐标系构建方法与系统
CN110296691B (zh) 融合imu标定的双目立体视觉测量方法与系统
CN113532311B (zh) 点云拼接方法、装置、设备和存储设备
CN109118545A (zh) 基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定方法及系统
US7479982B2 (en) Device and method of measuring data for calibration, program for measuring data for calibration, program recording medium readable with computer, and image data processing device
EP2085744B1 (en) Distance measuring device, method, and program
CN100417231C (zh) 立体视觉半实物仿真系统及方法
CN108364319A (zh) 尺度确定方法、装置、存储介质及设备
CN104517291B (zh) 基于目标同轴圆特征的位姿测量方法
CN110345921B (zh) 立体视场视觉测量及垂轴像差和轴向像差校正方法及系统
CN106352855A (zh) 一种摄影测量方法及装置
CN110163797A (zh) 一种标定转台位姿关系实现任意角点云拼接的方法及装置
CN105910584B (zh) 大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法
CN110414510A (zh) 一种指针式仪表读数校正方法
CN108592787A (zh) 3d旋转扫描系统的转轴标定方法与系统
CN112489109B (zh) 一种三维成像系统方法、装置及三维成像系统
CN114608806A (zh) 一种基于双目相机的激光振镜扫描系统的标定方法
CN110108203A (zh) 一种基于摄影测量技术的丝线位置测量方法及系统
CN108242047A (zh) 基于ccd的光学卫星遥感影像数据校正方法
CN111754584A (zh) 一种远距离大视场相机参数标定系统和方法
CN109099888A (zh) 一种位姿测量方法、设备及存储介质
El-Ashmawy A comparison study between collinearity condition, coplanarity condition, and direct linear transformation (DLT) method for camera exterior orientation parameters determination
CN113034615B (zh) 一种用于多源数据融合的设备标定方法及相关装置
CN113405532B (zh) 基于视觉系统结构参数的前方交会测量方法及系统
CN114758011A (zh) 融合离线标定结果的变焦相机在线标定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant