CN109612437B - 基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，将Bumblebee用来对水田平地机上的物理点进行测量，通过双目测量原理以及坐标转换原理得到物理点在全局坐标系下的坐标；用全站仪进行调平测量，将全站仪坐标系定为与相机坐标系完全重合，通过全站仪坐标系与全局坐标系的位置关系和物理点在全站仪坐标系下的坐标，得到物理点的全局坐标；将Bumblebee求解的全局坐标与全站仪求解的全局坐标进行比对，从而实现对Bumblebee测量目标点全局坐标的检测功能。本发明可对双目视觉测量进行检测，实现了相机坐标系到全局坐标系的转换，属于工程测量技术领域。

Description

基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法
技术领域
本发明涉及一种坐标测量检测方法，尤其是基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，属于工程测量技术领域。
背景技术
目前，随着摄影测量和计算机视觉理论的发展，许多学者对摄像机三维重建技术进行了深入的研究。由于摄影测量学的高精度、非接触量测、数据多样性等优点，被用来改善森林量测方法(樊仲谋，2015年)；全站仪测量也被用于提高测量精度(郑怀兵，2014年)。考虑到摄像机镜头畸变的影响，进行非线性摄像机标定是目前最主流的标定方法(邹朋朋，2017年)。Bumblebee作为一款自带畸变校正功能的双目相机，目前为止还缺乏对其三维测量结果的精度检测。
全站仪作为一种广泛用于工程检测测量领域的仪器，可以用来检测或精度对比Bumblebee对三维空间物理点的检测精度。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可对双目视觉测量进行检测的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，将Bumblebee用来对水田平地机上的物理点进行测量，通过双目测量原理以及坐标转换原理得到物理点在全局坐标系下的坐标；用全站仪进行调平测量，将全站仪坐标系定为与相机坐标系完全重合，通过全站仪坐标系与全局坐标系的位置关系和物理点在全站仪坐标系下的坐标，得到物理点的全局坐标；将Bumblebee求解的全局坐标与全站仪求解的全局坐标进行比对，从而实现对Bumblebee测量目标点全局坐标的检测功能。
作为一种优选，基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，包括如下步骤：
使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，利用Bumblebee自带程序软件进行校正，根据双目测量原理得到相机坐标系下物理点的坐标。
在水田平地机上建立全局坐标系，选定至少三个物理点，测得物理点的全局坐标，在已知相机坐标情况下，使用高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求解任意已知相机坐标点的全局坐标。
记录Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保相机坐标系和全站仪坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标就是物理点的相机坐标。
由于全站仪测量精度达到亚毫米级，因此全站仪对于Bumblebee测定的水田平地机上物理点的全局坐标进行检测。
作为一种优选，使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，包括：采用Bumblebee 2双目相机，分辨率达1032*776，使用Bumblebee对水田平地机上选定的三个物理点进行测量，全局坐标系设置在水田平地机上，相机坐标系默认在Bumblebee的左镜头光心处，Bumblebee摄取图片，根据自带软件读取Bumblebee摄取的带物理点标记的图片，导入自带程序进行处理，得到相应的像素坐标。
作为一种优选，利用Bumblebee自带程序软件进行畸变校正，根据双目测量原理得到相机坐标系下物理点的坐标，包括：
对于自带软件计算得到的对应左右镜头分别得到的两张图片的像素坐标，考虑到水田平地机上物理点的景深以及相机自身分辨率，在程序调试时选取相机分辨率为320*240；图像坐标系原点默认在成像平面左上角，左右镜头距离T＝12cm，焦距f＝3.8mm，单位像素尺寸4.65um；物理点的景深用Z表示，设物理点P在左右像平面的水平方向图像坐标分别为xl和xr，由Bumblebee双目测量原理有：
Figure BDA0001944637760000021
其中，令d＝xr-xl,则上述公式转化为：
Figure BDA0001944637760000022
同时，左镜头像素坐标设为(LX，LY)，右镜头像素坐标设为(RX，RY)，则图像坐标(xl，yl)和(xr,yr)满足下式：
xl＝LX-160,xr＝RX-160
yl＝LY-120，yr＝RY-120 (3)
则相机坐标满足：
Figure BDA0001944637760000031
从而，由公式(1)—(4)求出物理点的相机坐标。
作为一种优选，对于试验平台水田平地机上建立的相应全局坐标系，选定相应物理点，测得三个点的全局坐标，在已知相机坐标情况下使用高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求解任意已知相机坐标点的全局坐标(X，Y，Z)，包括：
选取1PJ-3.0型水田激光平地机为实验平台，在水田平地机静止不工作时，视作水田平地机的机身固定不动，机身上建立全局坐标系，物理点P均设置在水田平地机上，P点的Bumblebee相机坐标获取得到，在研究平地机多体动力学位姿分析过程中，最终目的均是获取体上点的全局坐标，测得三个容易测得全局坐标的物理点的全局坐标，根据高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标的转化关系，从而将获取得到的物理点P的相机坐标全部转化为全局坐标，如下式：
Figure BDA0001944637760000032
其中，也有
Figure BDA0001944637760000033
Figure BDA0001944637760000034
式中，(Xc,Yc,Zc)是指相机坐标系下物理点的相机坐标。
作为一种优选，为检测Bumblebee测量物理点坐标准确性，使得全站仪坐标系与相机坐标系完全重合，包括：记录Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保全站仪坐标原点位置与Bumblebee的左相机光心重合，同时，全站仪坐标定后视点时使得全站仪坐标系X轴与相机坐标系X轴重合，如此两个坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标就是物理点的相机坐标。
作为一种优选，确保全站仪中心位置与Bumblebee的左镜头光心重合，包括：根据人工测量左镜头光心高度，在全站仪调平后，设置测站时，将全站仪光心高度减去左镜头高度，输入站点Z仪器高，则实现将全站仪坐标系原点与Bumblebee左光心位置重合；在坐标定后视过程中确保全站仪E方向与相机坐标系Xc轴方向重合，则全站仪测出的坐标(E，-Z，N)即为对应的相机坐标(Xc,Yc,Zc)。
作为一种优选，根据选定的三个物理点的全局坐标以及全站仪坐标，求取全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系，包括：同理于公式(5)-(7)，将全站仪测出的物理点的全站仪坐标与物理点的全局坐标代入公式(5)-(7)，求出全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系R2、T2，此时公式(5)-(7)中的R1、T1分别变成R2、T2，(Xc,Yc,Zc)变成全站仪坐标(E，-Z，N)。
作为一种优选，根据求解出来的R1、T1、R2、T2，求出所有物理点的全局坐标，包括：对于所有物理点，由于已知R1、T1，以及对应的相机坐标，由公式(5)求解出物理点的全局坐标；同时，按照公式(5)用样的方法根据R2、T2，以及对应的全站仪坐标，求解出物理点的全局坐标。
作为一种优选，对于Bumblebee和全站仪求解出来的对应两组点的全局坐标的结果，进行对比求差，以全站仪的计算结果为准，对比分析Bumblebee的测量精度。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明采用采购自加拿大的Bumblebee双目相机进行三维空间对象物理点(物理点)的三维重建，该技术目前在视觉测量中较为新颖可靠，且对于像素坐标结果相机配套软件有自带畸变校正等功能，测出的结果真实可靠。
2.本发明采用全站仪进行精准调平测量，全过程对于全站仪的操作以及坐标定后视、设置仪器高等操作确保全站仪坐标系原点与Bumblebee相机坐标系原点重合，则全站仪测出的点的坐标可以与相机坐标进行实时对比。
3.本发明引入Bumblebee相机与全站仪对全局坐标系下点的共同测试方法，形成对比效应，达到检测结果。
4.实现了相机坐标系到全局坐标系的转换。
5.全站仪精准调平测量方法，通过设置仪器高以及后视点的方法，使得全站仪坐标系与相机坐标系完全重合，保证全站仪测得的坐标就是相机坐标，此种方法直接、新颖，达到与相机坐标互相检测的目的。
6.通过对Bumblebee测量结果的检验，从而为后续该双目相机对于任意多体机械系统上物理点的三维重建的测量精度提供参考，并实现了这种简单的Bumblebee测量精度检测方法。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是Bumblebee的双目测量原理图。
图3是Bumblebee测量水田平地机上物理点的坐标系示意图。
图4是全站仪测量水田平地机上物理点的坐标系示意图。
其中，图2中各参数意义如下：P为物理点，xl、xr分别指P在相机左右镜头成像平面上的像素横坐标，pl、pr分别指P在左右镜头像平面上的成像点。Ol、Or分别指左右镜头的光心，cl、cr分别指左右镜头成像平面图像坐标系原点，Z指P点景深，f为相机焦距，T指左右镜头光心的距离。图3中XYZ为建立于水田平地机机身上的全局坐标系，XcYcZc为Bumblebee的相机坐标系，默认为原点与左镜头光心Ol重合。图4中XYZ为全局坐标系，与图3中的XYZ为同一坐标系，ENZ为全站仪坐标系，坐标系原点与全站仪光心重合，E、N轴分别与全站仪测量时的水平角90度、天顶距90度方向重合。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，采用Bumblebee 2双目相机，分辨率达1032*776，采用KTS460RM系列全站仪，采用华南农业大学研制的1PJ-3.0型水田激光平地机为实验平台，在水田平地机上选取至少三个物理点，三个物理点需满足不共线条件。如图1所示，本发明方法包括S101-S104四个步骤：
S101、使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，利用Bumblebee自带程序软件进行畸变等校正，根据双目相机原理得到相机坐标系下物理点的坐标。
使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，包括：采用Bumblebee 2双目相机，分辨率达1032*776，使用Bumblebee对水田平地机上选定的三个物理点进行测量，全局坐标系设置在水田平地机上，相机坐标系默认在Bumblebee的左镜头光心处，Bumblebee摄取图片，根据自带软件读取Bumblebee摄取的带物理点标记的图片，导入自带程序进行处理，得到相应的像素坐标。
利用Bumblebee自带程序软件进行畸变校正，根据双目测量原理得到相机坐标系下物理点的坐标，包括：
对于自带软件计算得到的对应左右镜头分别得到的两张图片的像素坐标，考虑到水田平地机上物理点的景深以及相机自身分辨率，在程序调试时选取相机分辨率为320*240；图像坐标系原点默认在成像平面左上角，左右镜头距离T＝12cm，焦距f＝3.8mm，单位像素尺寸4.65um；Z为物理点P景深，设物理点P在左右像平面的水平方向图像坐标分别为xl和xr，由Bumblebee双目测量原理有：
Figure BDA0001944637760000061
其中，令d＝xr-xl,则上述公式转化为：
Figure BDA0001944637760000062
同时，左镜头像素坐标设为(LX，LY)，右镜头像素坐标设为(RX，RY)，则图像坐标(xl，yl)和(xr,yr)满足下式：
xl＝LX-160,xr＝RX-160
yl＝LY-120，yr＝RY-120 (3)
则相机坐标满足：
Figure BDA0001944637760000063
从而，由公式(1)—(4)求出物理点的相机坐标。
S102、对于试验平台水田平地机上建立的相应全局坐标系，选定相应物理点，测得三个点的全局坐标，在已知相机坐标情况下可以使用高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求解任意已知相机坐标点的全局坐标。
求解任意已知相机坐标点的全局坐标(X，Y，Z)，包括：
选取1PJ-3.0型水田激光平地机为实验平台，在水田平地机静止不工作时，视作水田平地机的机身固定不动，机身上建立全局坐标系，物理点P均设置在水田平地机上，P点的Bumblebee相机坐标获取得到，在研究平地机多体动力学位姿分析过程中，最终目的均是获取体上点的全局坐标，测得三个容易测得全局坐标的物理点的全局坐标，根据高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标的转化关系，从而将获取得到的物理点P的相机坐标全部转化为全局坐标，如下式：
Figure BDA0001944637760000071
其中，也有
Figure BDA0001944637760000072
Figure BDA0001944637760000073
式中，(Xc,Yc,Zc)是指相机坐标系下物理点的相机坐标。
S103、记录双目相机Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保全站仪中心位置与Bumblebee的左相机光心重合，同时，全站仪坐标定后视点时使得全站仪坐标系X轴与相机坐标系X轴重合，如此两个坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标就是物理点的相机坐标。
为检测Bumblebee测量物理点坐标准确性，使得全站仪坐标系与相机坐标系完全重合，包括：记录Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保全站仪坐标原点位置与Bumblebee的左相机光心重合，同时，全站仪坐标定后视点时使得全站仪坐标系X轴与相机坐标系X轴重合，如此两个坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标就是物理点的相机坐标。
确保全站仪中心位置与Bumblebee的左镜头光心重合，包括：根据人工测量左镜头光心高度，在全站仪调平后，设置测站时，将全站仪光心高度减去左镜头高度，输入站点Z仪器高，则实现将全站仪坐标系原点与Bumblebee左光心位置重合；在坐标定后视过程中确保全站仪E方向与相机Xc轴方向重合，则全站仪测出的坐标(E，-Z，N)即为对应的相机坐标(Xc,Yc,Zc)。
根据选定的三个物理点的全局坐标以及全站仪坐标，求取全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系，包括：同理于公式(5)-(7)，将全站仪测出的物理点的全站仪坐标与物理点的全局坐标带入公式(5)-(7)，求出全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系R2、T2，此时公式(5)-(7)中的R1、T1分别变成R2、T2，(Xc,Yc,Zc)变成全站仪坐标(E，-Z，N)。
根据求解出来的R1、T1、R2、T2，求出所有物理点的全局坐标，包括：对于所有物理点，由于已知R1、T1，以及对应的相机坐标，由公式(5)求解出物理点的全局坐标；同时，按照公式(5)用样的方法根据R2、T2，R1、T1分别变成R2、T2，以及(Xc,Yc,Zc)变成全站仪坐标(E，-Z，N)，求解出物理点的全局坐标(X，Y，Z)。
S104、由于全站仪测量精度可以达到亚毫米级，因此，经过试验测定，对于Bumblebee测定的平地机上物理点的的相机坐标进行检测，从而为后续该双目相机对于任意多体机械系统上物理点的三维重建的测量精度提供参考，并实现了这种简单的Bumblebee测量精度检测方法。
对于Bumblebee和全站仪求解出来的对应两组点的全局坐标的结果，进行对比求差，以全站仪的计算结果为准，对比分析Bumblebee的测量精度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：将Bumblebee用来对水田平地机上的物理点进行测量，通过双目测量原理以及坐标转换原理得到物理点在全局坐标系下的坐标；用全站仪进行调平测量，将全站仪坐标系定为与相机坐标系完全重合，通过全站仪坐标系与全局坐标系的位置关系和物理点在全站仪坐标系下的坐标，得到物理点的全局坐标；将Bumblebee求解的全局坐标与全站仪求解的全局坐标进行比对，从而实现对Bumblebee测量目标点全局坐标的检测功能。
2.按照权利要求1所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，利用Bumblebee自带程序软件进行校正，根据双目测量原理得到相机坐标系下物理点的坐标；
在水田平地机上建立全局坐标系，选定至少三个物理点，测得物理点的全局坐标，在已知相机坐标情况下，使用高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求解任意已知相机坐标点的全局坐标；
记录Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保相机坐标系和全站仪坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标与物理点的相机坐标相对应；
由于全站仪测量精度达到亚毫米级，因此全站仪对于Bumblebee测定的水田平地机上物理点的全局坐标进行检测。
3.按照权利要求2所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：使用Bumblebee对物理点进行测量，获取相应像素坐标，包括：
采用Bumblebee 2双目相机，分辨率达1032*776，使用Bumblebee对水田平地机上选定的三个物理点进行测量，全局坐标系设置在水田平地机上，相机坐标系默认在Bumblebee的左镜头光心处，Bumblebee摄取图片，根据自带软件读取Bumblebee摄取的带物理点标记的图片，导入自带程序进行处理，得到相应的像素坐标。
4.按照权利要求3所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：利用Bumblebee自带程序软件进行畸变校正，根据双目测量原理得到相机坐标系下物理点的坐标，包括：
对于自带软件计算得到的对应左右镜头分别得到的两张图片的像素坐标，考虑到水田平地机上物理点的景深以及相机自身分辨率，在程序调试时选取相机分辨率为320*240；图像坐标系原点默认在成像平面左上角，左右镜头距离T＝12cm，焦距f＝3.8mm，单位像素尺寸4.65um；物理点的景深用Z表示，设物理点P在左右像平面的水平方向图像坐标分别为xl和xr，由Bumblebee双目测量原理有：
Figure FDA0002438460830000021
其中，令d＝xr-xl,则上述公式(1)转化为：
Figure FDA0002438460830000022
同时，左镜头像素坐标设为(LX，LY)，右镜头像素坐标设为(RX，RY)，则图像坐标(xl，yl)和(xr,yr)满足下式：
xl＝LX-160，xr＝RX-160
yl＝LY-120，yr＝RY-120 (3)
则相机坐标满足：
Figure FDA0002438460830000023
从而，由公式(1)—(4)求出物理点的相机坐标。
5.按照权利要求4所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：对于试验平台水田平地机上建立的相应全局坐标系，选定相应物理点，测得三个点的全局坐标，在已知相机坐标情况下使用高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求解任意已知相机坐标点的全局坐标(X，Y，Z)，包括：
选取1PJ-3.0型水田激光平地机为实验平台，在水田平地机静止不工作时，视作水田平地机的机身固定不动，机身上建立全局坐标系，物理点P均设置在水田平地机上，P点的Bumblebee相机坐标获取得到，在研究平地机多体动力学位姿分析过程中，最终目的均是获取体上点的全局坐标，测得三个容易测得全局坐标的物理点的全局坐标，根据高斯牛顿迭代法求解出相机坐标系到全局坐标的转化关系，从而将获取得到的物理点P的相机坐标全部转化为全局坐标，如下式：
Figure FDA0002438460830000031
其中，也有
Figure FDA0002438460830000032
Figure FDA0002438460830000033
式中，(Xc,Yc,Zc)是指相机坐标系下物理点的相机坐标。
6.按照权利要求5所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：为检测Bumblebee测量物理点坐标准确性，使得全站仪坐标系与相机坐标系完全重合，包括：
记录Bumblebee放置的位置，另取全站仪架设，进行调平测量，确保全站仪坐标原点位置与Bumblebee的左相机光心重合，同时，全站仪坐标定后视点时使得全站仪坐标系X轴与相机坐标系X轴重合，如此两个坐标系完全重合，全站仪测得的物理点的全站仪坐标与物理点的相机坐标相对应。
7.按照权利要求6所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：确保全站仪中心位置与Bumblebee的左镜头光心重合，包括：
根据人工测量左镜头光心高度，在全站仪调平后，设置测站时，将全站仪光心高度减去左镜头高度，输入站点Z仪器高，则实现将全站仪坐标系原点与Bumblebee左光心位置重合；在坐标定后视过程中确保全站仪E方向与相机坐标系Xc轴方向重合，则全站仪测出的坐标(E，-Z，N)即为对应的相机坐标(Xc,Yc,Zc)。
8.按照权利要求7所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：根据选定的三个物理点的全局坐标以及全站仪坐标，求取全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系，包括：
同理于公式(5)-(7)，将全站仪测出的物理点的全站仪坐标与物理点的全局坐标代入公式(5)-(7)，求出全站仪坐标系到全局坐标系的转化关系R2、T2，此时公式(5)-(7)中的R1、T1分别变成R2、T2，(Xc,Yc,Zc)变成全站仪坐标(E，-Z，N)。
9.按照权利要求8所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：根据求解出来的R1、T1、R2、T2，求出所有物理点的全局坐标，包括：
对于所有物理点，由于已知R1、T1，以及对应的相机坐标，由公式(5)求解出物理点的全局坐标；同时，按照公式(5)用样的方法根据R2、T2，以及对应的全站仪坐标，求解出物理点的全局坐标。
10.按照权利要求9所述的基于Bumblebee与全站仪相结合的双目定位检测方法，其特征在于：对于Bumblebee和全站仪求解出来的对应两组点的全局坐标的结果，进行对比求差，以全站仪的计算结果为准，对比分析Bumblebee的测量精度。
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