CN109211186A - 一种非接触快速测定空间中两点距离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触快速测定空间中两点距离的方法，具体为利用SURF特征检测算法检测并跟踪摄像头所获取视频的特征点，并通过特征点位移矢量和摄像头像素‑角度对应关系计算出摄像头转动的角度，结合激光测距仪的测量结果，得到空间中任意两点的距离，本发明测量方法简单容易操作，耗时极短，成本低廉，不需要高精密的转动机构就能达到工业级的测量精度。

Description

一种非接触快速测定空间中两点距离的方法
技术领域
本发明涉及工业检测领域，特别是一种非接触快速测定空间中两点距离的方法。
背景技术
在电力等工业领域，由于设备高度较高、带电无法接近等原因，用非接触手段测量空间中任意两点的距离具有重要的意义，特别是施工车辆和大型吊臂在带电设备附近工作，需要快速准确地测量安全距离是否符合条件；传统的测量方法需要依靠全站型电子测距仪，该仪器体积和重量较大，操作复杂，使用前需要支好三脚架进行调平等准备工作，而且价格十分昂贵，配备到一线班组成本高昂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种非接触快速测定空间中两点距离的方法,能够快速地得到空间中任意两点的距离，轻便、成本低廉，测量精度与全站型电子测距仪相当。
本发明采用以下方案实现：一种非接触快速测定空间中两点距离的方法，包括以下步骤：
步骤S1：摄像头与激光测距仪平行固定，用以确保激光光斑能够与视频中心重合；
步骤S2：摄像头对准A点，激光测距仪测量到A点的距离D1；
步骤S3：使用SURF特征检测算法检测摄像头视频图像中间区域的特征点，得到特征点P1,P2,P3...Pn，n表示特征点的总个数；
步骤S4：摄像头转动到B点，转动过程中，每隔10帧得到步骤S3中特征点的新坐标，并计算出特征点P1,P2,P3...Pn的移动矢量
步骤S5：采用滤波算法对步骤S4中的移动矢量进行滤波，得到滤波后移动矢量求出滤波后移动矢量的均值其中，移动矢量总数为k，因为有n-k个移动矢量被滤波算法剔除；
步骤S6：累加摄像头转动过程所有时刻t滤波后的移动矢量均值得到摄像头转动像素矢量并通过像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ；
步骤S7：摄像头对准B点，激光测距仪测量到B点的距离D2；
步骤S8：计算A点与B点之间的距离。
进一步地，在步骤S3中，检测摄像头视频图像中间区域的特征点，具体方法为：由于普遍的镜头现有技术原因，摄像头所获取的视频图像边缘存在一定畸变，所看到的未畸变图像是摄像头软件调整后的结果，因此采用边缘区域的特征点计算会造成较大误差，对于像素为M×N的图像，选择中间0.6M×0.6N像素区域进行特征点检测。
进一步地，在步骤S4中，摄像头转动的具体过程为，摄像头初始位置P1，完全精确的测量中能够转动到P1′，但是由于操作者手持过程中难以避免的少许移动d，最终到达位置P2，P1到P1′测量角度为θ，真实测量角度为θr＝θ-α，α表示因操作者手部少许移动导致的角度测量偏差值，其中α＝d/L，L为镜头到待测物体距离。
进一步地，少许移动距离d,正常遵守测量方法d不大于0.05m，摄像头镜头到待测物体距离L，L大于10m，则α＜0.005rad＝0.287°。
进一步地，在步骤S5中，滤波算法具体为：算出移动矢量的模找出最大值和最小值按数值范围均分为N个区间，N为跟踪的特征点总数除以5，找出包含最多移动矢量的模的区间i，剔除大于区间i最大边界的数值，就得到滤波后的移动矢量采用滤波算法能够消除因视频质量原因产生的特征点跳动噪声。
进一步地，在步骤S6中利用像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ具体为：当某特征点相对摄像头镜头的位置从A转动到A′，则该特征点在摄像头感光器件上的成像点从B移动到B′，设B到B′的像素移动矢量为OA与OA′夹角为θ，O表示镜头光学中心，OA表示镜头光学中心O与位置A的距离，OA′表示镜头光学中心O与位置A′的距离，摄像头感光器件上每个像素点对应视角θm，则有θ＝nθm+offset，其中offset是误差修正参数，该公式的两个参数θm和offset取决于摄像头本身的技术结构，能够用多次测量结果通过线性拟合得到。
进一步地，所述步骤S8中A点与B点之间的距离为：根据余弦定理，AB间距离
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明测量方法简单容易操作，耗时极短，从准备到完成测量只要几秒时间。
2、本发明成本低廉，不需要高精密的转动机构就能达到工业级的测量精度。
3、由于本发明只用到摄像头和激光测距仪，所以本发明产品体积和重量小，单人掌上即可携带。
附图说明
图1为本发明实施例的算法流程图。
图2为本发明实施例的误差分析示意图。
图3为本发明实施例的摄像头转动角度测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种非接触快速测定空间中两点距离的方法，包括以下步骤：
步骤S1：摄像头与激光测距仪平行固定，用以确保激光光斑能够与视频中心重合；
步骤S2：摄像头对准A点，激光测距仪测量到A点的距离D1；
步骤S3：使用SURF特征检测算法检测摄像头视频图像中间区域的特征点，得到特征点P1,P2,P3...Pn，n表示特征点的总个数；
步骤S4：摄像头转动到B点，转动过程中，每隔10帧得到步骤S3中特征点的新坐标，并计算出特征点P1,P2,P3...Pn的移动矢量
步骤S5：采用滤波算法对步骤S4中的移动矢量进行滤波，得到滤波后移动矢量求出滤波后移动矢量的均值其中，移动矢量总数为k，因为有n-k个移动矢量被滤波算法剔除；
步骤S6：累加摄像头转动过程所有时刻t滤波后的移动矢量均值得到摄像头转动像素矢量并通过像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ；
步骤S7：摄像头对准B点，激光测距仪测量到B点的距离D2；
步骤S8：计算A点与B点之间的距离。
在本实施例中，在步骤S3中，检测摄像头视频图像中间区域的特征点，具体方法为：由于普遍的镜头现有技术原因，摄像头所获取的视频图像边缘存在一定畸变，所看到的未畸变图像是摄像头软件调整后的结果，因此采用边缘区域的特征点计算会造成较大误差，对于像素为M×N的图像，选择中间0.6M×0.6N像素区域进行特征点检测。
在本实施例中，在步骤S4中，摄像头转动的具体过程为，如图2所示，O2为相机处于P2位置时的感光元件中心，O1为相机处于P1位置时的感光元件中心，A与B为待测物体的两个端点，摄像头初始位置P1，完全精确的测量中能够转动到P1′，但是由于操作者手持过程中难以避免的少许移动d，最终到达位置P2，P1到P1′测量角度为θ，真实测量角度为θr＝θ-α，其中α＝d/L，α表示，其中L为镜头到待测物体距离，正常遵守测量方法d不大于0.05m，而L一般大于10m，则α＜0.005rad＝0.287°，角度误差极小，符合大多数场合的测量精度要求。
在本实施例中，在步骤S5中，滤波算法具体为：算出移动矢量的模找出最大值和最小值按数值范围均分为N个区间，N为跟踪的特征点总数除以5，找出包含最多移动矢量的模的区间i，剔除大于区间i最大边界的数值，就得到滤波后的移动矢量采用滤波算法能够消除因视频质量原因产生的特征点跳动噪声。
在本实施例中，在步骤S6中利用像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ具体为：如图3所示，当某特征点相对摄像头镜头的位置从A转动到A′，则该特征点在摄像头感光器件上的成像点从B移动到B′，设B到B′的像素移动矢量为OA与OA′夹角为θ，O表示镜头光学中心，OA表示镜头光学中心O与位置A的距离，OA′表示镜头光学中心O与位置A′的距离，摄像头感光器件上每个像素点对应视角θm，则有θ＝nθm+offset，其中offset是误差修正参数，该公式的两个参数θm和offset取决于摄像头本身的技术结构，能够用多次测量结果通过线性拟合得到。
在本实施例中，步骤S8中A点与B点之间的距离为：根据余弦定理，AB间距离
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种非接触快速测定空间中两点距离的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：摄像头与激光测距仪平行固定，用以确保激光光斑能够与视频中心重合；
步骤S2：摄像头对准A点，激光测距仪测量到A点的距离D1；
步骤S3：使用SURF特征检测算法检测摄像头视频图像中间区域的特征点，得到特征点P1,P2,P3...Pn，n表示特征点的总个数；
步骤S4：摄像头转动到B点，转动过程中，每隔10帧得到步骤S3中特征点的新坐标，并计算出特征点P1,P2,P3...Pn的移动矢量
步骤S5：采用滤波算法对步骤S4中的移动矢量进行滤波，得到滤波后移动矢量求出滤波后移动矢量的均值其中，移动矢量总数为k，因为有n-k个移动矢量被滤波算法剔除；
步骤S6：累加摄像头转动过程所有时刻t滤波后的移动矢量均值得到摄像头转动像素矢量并通过像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ；
步骤S7：摄像头对准B点，激光测距仪测量到B点的距离D2；
步骤S8：计算A点与B点之间的距离。
2.根据权利要求1所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法的，其特征在于：所述步骤S3中，检测摄像头视频图像中间区域的特征点，具体方法为：选择中间0.6M×0.6N像素区域进行特征点检测。
3.根据权利要求1所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法，其特征在于：所述步骤S4中，摄像头转动的具体过程为，摄像头初始位置P1，完全精确的测量中能够转动到P1′，但是由于操作者手持过程中难以避免的少许移动距离d，最终到达位置P2，P1到P1′测量角度为θ，真实测量角度为θr＝θ-α，α表示因操作者手部少许移动导致的角度测量偏差值，其中α＝d/L，L为摄像头镜头到待测物体距离。
4.根据权利要求3所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法的，其特征在于：所述的少许移动距离d,正常遵守测量方法d不大于0.05m，所述摄像头镜头到待测物体距离L，L大于10m，则α＜0.005rad＝0.287°。
5.根据权利要求1所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法的，其特征在于：所述步骤S5中，滤波算法具体为：算出移动矢量的模找出最大值和最小值按数值范围均分为N个区间，N为跟踪的特征点总数除以5，找出包含最多移动矢量的模的区间i，剔除大于区间i最大边界的数值，就得到滤波后的移动矢量。
6.根据权利要求1所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法的，其特征在于：所述步骤S6中利用像素移动矢量-角度转换算法计算摄像头转动角度θ具体为：当某特征点相对摄像头镜头的位置从A转动到A′，则该特征点在摄像头感光器件上的成像点从B移动到B′，设B到B′的像素移动矢量为OA与OA′夹角为θ，O表示镜头光学中心，OA表示镜头光学中心O与位置A的距离，OA′表示镜头光学中心O与位置A′的距离，摄像头感光器件上每个像素点对应视角θm，则有θ＝nθm+offset，其中offset是误差修正参数，该公式的两个参数θm和offset取决于摄像头本身的技术结构，能够用多次测量结果通过线性拟合得到。
7.根据权利要求1所述一种非接触快速测定空间中两点距离的方法的，其特征在于：所述步骤S8中A点与B点之间的距离为：根据余弦定理，AB间距离
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