CN108844457B - 一种精确图像测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于激光的图像测量方法、系统及装置，包括步骤：预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到待测物在三维世界空间的测量值。

Description

一种精确图像测量方法及系统

本案是以申请日为2017年05月18日，申请号为201710353553.9，名称为“一种基于激光的图像测量方法、系统及装置”的发明专利为母案而进行的分案申请。

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于激光的图像测量方法、系统及装置。

背景技术

随着科学技术的发展，测量手段也发生改变。传统测量手段需要人工跑点，效率低、精度差、时间长，利用超声波、激光等新型测量方式，对于不同目标物的测量，需要人工进行不同的激光定位操作与计算，误差大、步骤繁琐，而且对于像建筑工地这样需要对施工现场材料(如钢筋等)进行检测的，由于现场材料很多，激光测量需要耗费比较久的时间，但工期又不可能停止，一旦水泥浇铸覆盖，则无法再通过激光测量对现场材料进行检测。基于图像的测量技术，因其所需的只是场景图像，所以更灵活、方便、准确，可供任何时候调阅历史图像完成测量。

图像测量需要确定空间物体的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立摄像机成像的几何模型，并对几何模型参数进行标定。传统标定过程需要事先在场景中人工测量多个控制点的信息，或者事先在场景中放置经过精密加工、结构已知的标定模板作为空间参照物，通过建立控制点或者模板上已知点的三维坐标进行标定。缺点是标定过程费时费力，不适用于在线标定和无法人工测量或使用标定模板的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于激光的图像测量方法、系统及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案为：

一种基于激光的图像测量方法，包括步骤：

S1、预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

S2、调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

S3、根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

S4、获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

S5、获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值。

本发明采用的第二技术方案为：

一种基于激光的图像测量系统，包括旋转模块、调节模块、第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块；

所述旋转模块，用于预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

所述调节模块，用于调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

所述第一计算模块，用于根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

所述第二计算模块，用于获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

所述第三计算模块，用于获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值。

本发明采用的第三技术方案为：

一种基于激光的图像测量装置，包括测量端；所述测量端包括激光、摄像机、调角器和处理器；所述激光设置在摄像机上，所述激光、摄像机和调角器分别与处理器连接，所述激光和摄像机分别与调角器连接。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于激光的图像测量方法、系统及装置，通过摄像机与激光完成摄像机映射模型的标定，再通过二维图像与三维世界空间的映射关系作用于整幅二维图像，以此消除变换失真效应，从而在二维图像中任取两点，即可测量出对应三维场景中对应两点间的距离，标定过程快速、简便，可灵活适用于各种场景。通过此方法，无论何时需要测量二维图像上的其他待测物的真实尺寸，都只需要通过该二维图像即可测量，无需再回到现实场景中测量，由于现实场景是实时变化的，无法再回到现实场景中测量，即使能够重新构建场景也无法保持一致性，进而导致无法准确测量。

附图说明

图1为本发明的基于激光的图像测量方法的步骤流程图；

图2为本发明的摄像机拍摄位姿示意图；

图3为本发明的基于激光的图像测量系统的结构示意图；

标号说明：

1、旋转模块；2、调节模块；3、第一计算模块；4、第二计算模块；5、第三计算模块。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明提供的一种基于激光的图像测量方法，包括步骤：

S1、预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

S2、调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

S3、根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

S4、获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

S5、获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于激光的图像测量方法，通过摄像机与激光完成摄像机映射模型的标定，再通过二维图像与三维世界空间的映射关系作用于整幅二维图像，以此消除变换失真效应，从而在二维图像中任取两点，即可测量出对应三维场景中对应两点间的距离，标定过程快速、简便，可灵活适用于各种场景。通过此方法，无论何时需要测量二维图像上的其他待测物的真实尺寸，都只需要通过该二维图像即可测量，无需再回到现实场景中测量，由于现实场景是实时变化的，无法再回到现实场景中测量，即使能够重新构建场景也无法保持一致性，进而导致无法准确测量。

需要说明的是，本发明的图像测量是指通过景物的图像求得真实景物的参数。摄像机是3D物体世界空间和2D图像之间的一种映射，摄像机映射模型可表示为：

该模型表示3D世界参考坐标系上某点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到2D图像参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间的关系，可以通过摄像机内部参数K与摄像机外部参数(旋转R与平移t)获得。

其中，摄像机内部参数是摄像机的固有矩阵，(u₀，v₀)是摄像机光学中心在CCD成像平面上的投影位置，f是摄像机的焦距，d_x和d_y分别是CCD每个像素在水平方向和垂直方向上的物理尺寸。

进一步的，步骤S1具体为：

摆放摄像机，使摄像机的光轴与拍摄区域的地面ρ平行，作为摄像机的初始位置，以摄像机的光轴起始点为原点O_c，以摄像机的光轴为Z_c轴，建立摄像机的第一参考坐标系X_cY_cZ_c；旋转摄像机至拍摄区域，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值，所述摄像机旋转角度值包括垂直角度α和水平角度β；

步骤S2具体为：

调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；建立所述二维图像的平面参考坐标系；所述二维图像的平面参考坐标系是以二维图像的左上角为原点，向右为u轴，向下为v轴所创建的坐标系Ouv。

以摄像机的光轴起始点为原点O_c′，以摄像机的光轴为Z_c′轴，建立摄像机的第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′；以拍摄区域的地面ρ上的激光点为原点O_w，以第一参考坐标系X_cY_cZ_c的坐标轴方向为参考方向，建立三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w；

步骤S3具体为：

根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离步骤S1得到的垂直角度α和水平角度β，代入摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t；

将摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t代入第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′与三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w之间的转换模型；所述转换模型为：

步骤S4具体为：

获取预设的摄像机内部参数K，根据摄像机的外部参数旋转R、摄像机外部参数平移t和摄像机内部参数K，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；所述映射关系表示三维世界参考坐标系上一点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到二维图像的平面参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间的关联；所述映射关系为：

其中摄像机内部参数K是通过实验室获取，为已知参数，与现场通过摄像机旋转角度及激光测距距离实时获取的摄像机外部参数(Rt)，就可以求出3D世界参考坐标系上某点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到2D图像参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间关联的摄像机映射模型；所述摄像机映射模型为：

由于拍摄区域的地面ρ上Y_w＝0，所以ρ与图像之间满足：

如图2，在实际应用中，还需要测量插在工地地面上的钢筋的尺寸，假设以垂直Z_w 轴方向的平面作为垂直参考平面(插在工地地面上的钢筋所在的平面)，在工地地面上，存 在无穷个这样的垂直参考平面(如与平面ρ垂直的平面π₁、平面π₂等等)。平面π₁是过原点O_w 的一个垂直参考平面，由于平面π₁上Z_w＝0，所以平面π₁与图像之间满足其它垂直参考平面，如平面π₂，由于可由平 面ρ获得，所以平面π₂与图像之间满足

进一步的，步骤S1之前还包括：接收测量指令，所述测量指令包括二维图像上待测物的坐标值。

步骤S5之后还包括：

发送所述待测物在三维世界空间的测量值。

由上述描述可知，可通过外设的移动终端发送测量指令给上述的图像测量装置，当接收到测量指令时，执行上述测量操作，并反馈测量结果，即为发送所述待测物在三维世界空间的测量值。

进一步的，还包括：

关联二维图像和其与三维世界空间的映射关系并存储。

由上述描述可知，通过关联二维图像与其映射关系并存储，当在不同时期对该拍摄场景内的待测物或其他待测物再次进行测量时，由于现实场景是实时变化的，无法再回到现实场景中测量，即使能够重新构建场景也无法保持一致性，进而导致无法准确测量，因此通过存储二维图像以及其映射关系，可使无论何时都可以通过该二维图像对场景内的待测物进行测量，得到空间场景内的真实测量值。

参阅图3，本发明还提供的一种基于激光的图像测量系统，包括旋转模块1、调节模块2、第一计算模块3、第二计算模块4和第三计算模块5；

所述旋转模块1，用于预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

所述调节模块2，用于调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

所述第一计算模块3，用于根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

所述第二计算模块4，用于获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

所述第三计算模块5，用于获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值。

本发明提供的一种基于激光的图像测量系统，通过摄像机与激光完成摄像机映射模型的标定，再通过二维图像与三维世界空间的映射关系作用于整幅二维图像，以此消除变换失真效应，从而在二维图像中任取两点，即可测量出对应三维场景中对应两点间的距离，标定过程快速、简便，可灵活适用于各种场景。通过此方法，无论何时需要测量二维图像上的其他待测物的真实尺寸，都只需要通过该二维图像即可测量，无需再回到现实场景中测量，由于现实场景是实时变化的，无法再回到现实场景中测量，即使能够重新构建场景也无法保持一致性，进而导致无法准确测量。

进一步的，所述旋转模块，具体用于摆放摄像机，使摄像机的光轴与拍摄区域的地面ρ平行，作为摄像机的初始位置，以摄像机的光轴起始点为原点O_c，以摄像机的光轴为Z_c轴，建立摄像机的第一参考坐标系X_cY_cZ_c；旋转摄像机至拍摄区域，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值，所述摄像机旋转角度值包括垂直角度α和水平角度β；

所述调节模块，具体用于调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；建立所述二维图像的平面参考坐标系；所述二维图像的平面参考坐标系是以二维图像的左上角为原点，向右为u轴，向下为v轴所创建的坐标系Ouv。

以摄像机的光轴起始点为原点O_c′，以摄像机的光轴为Z_c′轴，建立摄像机的第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′；以拍摄区域的地面ρ上的激光点为原点O_w，以第一参考坐标系X_cY_cZ_c的坐标轴方向为参考方向，建立三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w；

所述第一计算模块，具体用于根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离步骤S1得到的垂直角度α和水平角度β，代入摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t；

将摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t代入第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′与三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w之间的转换模型；所述转换模型为：

所述第二计算模块，具体用于获取预设的摄像机内部参数K，根据摄像机的外部参数旋转R、摄像机外部参数平移t和摄像机内部参数K，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；所述映射关系表示三维世界参考坐标系上一点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到二维图像的平面参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间的关联；所述映射关系为：

进一步的，还包括接收模块和发送模块；

所述接收模块，用于接收测量指令，所述测量指令包括二维图像上待测物的坐标值；

所述发送模块，用于发送所述待测物在三维世界空间的测量值。

进一步的，还包括关联模块，用于关联二维图像和其与三维世界空间的映射关系并存储。

本发明还提供的一种基于激光的图像测量装置，包括测量端；所述测量端包括激光、摄像机、调角器和处理器；所述激光设置在摄像机上，所述激光、摄像机和调角器分别与处理器连接，所述激光和摄像机分别与调角器连接。

进一步的，还包括服务端和至少一个以上的终端；所述测量端通过服务端分别与终端连接。

在具体实施方式中，本装置还包括服务端及终端。服务端分别与测量端及终端通过网络连接。服务端提供测量端和终端之间的通信接口，服务端接收来自/发送去往测量端或终端的电信号。终端向用户显示可视输出，包括待测2D图像、测量过程/结果的文本信息、图形信息及其任意组合。终端接收用户的控制输入，向服务端发送控制信号，执行2D图像测量，获取图像内待测物的测量值。

综上所述，本发明提供的一种基于激光的图像测量方法、系统及装置，通过摄像机与激光完成摄像机映射模型的标定，再通过二维图像与三维世界空间的映射关系作用于整幅二维图像，以此消除变换失真效应，从而在二维图像中任取两点，即可测量出对应三维场景中对应两点间的距离，标定过程快速、简便，可灵活适用于各种场景。通过此方法，无论何时需要测量二维图像上的其他待测物的真实尺寸，都只需要通过该二维图像即可测量，无需再回到现实场景中测量，由于现实场景是实时变化的，无法再回到现实场景中测量，即使能够重新构建场景也无法保持一致性，进而导致无法准确测量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种精确图像测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

S2、调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

S3、根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

S4、获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

S5、获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值；

其中，所述步骤S1具体为：

摆放摄像机，使摄像机的光轴与拍摄区域的地面ρ平行，作为摄像机的初始位置，以摄像机的光轴起始点为原点O_c，以摄像机的光轴为Z_c轴，建立摄像机的第一参考坐标系X_cY_cZ_c；旋转摄像机至拍摄区域，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值，所述摄像机旋转角度值包括垂直角度α和水平角度β；

步骤S2具体为：

调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；建立所述二维图像的平面参考坐标系；

以摄像机的光轴起始点为原点O_c′，以摄像机的光轴为Z_c′轴，建立摄像机的第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′；以拍摄区域的地面ρ上的激光点为原点O_w，以第一参考坐标系X_cY_cZ_c的坐标轴方向为参考方向，建立三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w；

步骤S3具体为：

根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离步骤S1得到的垂直角度α和水平角度β，代入摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t；

将摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t代入第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′与三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w之间的转换模型；所述转换模型为：

步骤S4具体为：

获取预设的摄像机内部参数K，根据摄像机的外部参数旋转R、摄像机外部参数平移t和摄像机内部参数K，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；所述映射关系表示三维世界参考坐标系上一点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到二维图像的平面参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间的关联；所述映射关系为：

在实际应用中，以垂直Z_w轴方向的平面作为垂直参考平面，在工地地面上，存在无穷个这样的垂直参考平面，包括与地面ρ垂直的平面π₁、平面π₂，其中平面π₁是过原点O_w的一个垂直参考平面，由于平面π₁上Z_w＝0，所以平面π₁与图像之间满足其它垂直参考平面，如平面π₂，由于 可由地面ρ获得，所以平面π₂与图像之间满足其中，P点为Z_w轴与平面π₂的交点；所述地面ρ为平面；

步骤S1之前还包括：接收测量指令，所述测量指令包括二维图像上待测物的坐标值；

步骤S5之后还包括：

发送所述待测物在三维世界空间的测量值；

还包括：

关联二维图像和其与三维世界空间的映射关系并存储。

2.一种精确图像测量系统，其特征在于，包括旋转模块、调节模块、第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块；

所述旋转模块，用于预设摄像机的初始位置，旋转摄像机，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值；

所述调节模块，用于调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；

所述第一计算模块，用于根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离，计算得到摄像机的平移值；

所述第二计算模块，用于获取预设的摄像机内部参数，根据摄像机旋转角度值、摄像机的平移值和摄像机内部参数，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；

所述第三计算模块，用于获取二维图像上待测物的坐标值，代入二维图像与三维世界空间的映射关系中，计算得到所述待测物在三维世界空间的测量值；

其中，所述旋转模块，具体用于摆放摄像机，使摄像机的光轴与拍摄区域的地面ρ平行，作为摄像机的初始位置，以摄像机的光轴起始点为原点O_c，以摄像机的光轴为Z_c轴，建立摄像机的第一参考坐标系X_cY_cZ_c；旋转摄像机至拍摄区域，使得拍摄区域位于摄像机的显示区域内，得到摄像机旋转角度值，所述摄像机旋转角度值包括垂直角度α和水平角度β；

所述调节模块，具体用于调节设置在摄像机上的激光射出的激光束方向，使得位于拍摄区域内的激光点位于摄像机的显示区域的中心位置，拍摄得到二维图像；建立所述二维图像的平面参考坐标系；

以摄像机的光轴起始点为原点O_c′，以摄像机的光轴为Z_c′轴，建立摄像机的第二参考坐标系Z_c′Y_c′Z_c′；以拍摄区域的地面ρ上的激光点为原点O_w，以第一参考坐标系X_cY_cZ_c的坐标轴方向为参考方向，建立三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w；

所述第一计算模块，具体用于根据激光获取摄像机到拍摄区域的测距距离步骤S1得到的垂直角度α和水平角度β，代入摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t；

将摄像机的外部参数旋转R和摄像机外部参数平移t代入第二参考坐标系X_c′Y_c′Z_c′与三维世界参考坐标系X_wY_wZ_w之间的转换模型；所述转换模型为：

所述第二计算模块，具体用于获取预设的摄像机内部参数K，根据摄像机的外部参数旋转R、摄像机外部参数平移t和摄像机内部参数K，计算得到所述拍摄区域的二维图像与三维世界空间的映射关系；所述映射关系表示三维世界参考坐标系上一点的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)与该点映射到二维图像的平面参考坐标系上的齐次坐标(u，v，1)之间的关联；所述映射关系为：

在实际应用中，以垂直Z_w轴方向的平面作为垂直参考平面，在工地地面上，存在无穷个这样的垂直参考平面，包括与地面ρ垂直的平面π₁、平面π₂，其中平面π₁是过原点O_w的一个垂直参考平面，由于平面π₁上Z_w＝0，所以平面π₁与图像之间满足其它垂直参考平面，如平面π₂，由于 可由地面ρ获得，所以平面π₂与图像之间满足其中，P点为Z_w轴与平面π₂的交点；所述地面ρ为平面；

还包括接收模块和发送模块；

所述接收模块，用于接收测量指令，所述测量指令包括二维图像上待测物的坐标值；

所述发送模块，用于发送所述待测物在三维世界空间的测量值；

还包括关联模块，用于关联二维图像和其与三维世界空间的映射关系并存储。