CN110006368B - 一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统 - Google Patents

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    • 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
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明提供一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统，包括利用相机拍摄绳索不同摆角时的图像作为样本图像；求取各样本图像中绳索运动端在该样本图像中的像素坐标以及在实际空间中的世界坐标；根据各样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵M；根据透视投影成像矩阵M完成相机的标定；利用相机拍摄绳索的实时摆动图像，计算出实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。硬件要求低、精度高，适用场景更广泛。本发明应用于绳索摆角视觉测量领域。

Description

一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统
技术领域
本发明涉及绳索摆角视觉测量领域，尤其涉及一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统。
背景技术
基于视觉测量技术的绳索摆角测量需在绳索底端安置一个LED灯，在绳索顶端铰接处固定智能相机，通过滤镜使智能相机只能收到LED灯的光线，以此能准确记录LED灯的图像位置，经过智能相机的数据分析实时计算出绳索的摆角数值。
现有的测量方法采用加速度传感器或倾角仪，安装于绳索底端，实时获得绳索的加速度信息和和倾角信息。这种方式布线较为复杂，应用场景受限；且精度对硬件要求极高，误差在时序上累加，需经常性校正硬件。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统，硬件要求低、精度高，适用场景更广泛。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法，其采用的技术方案是：
一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法，包括以下步骤：
S1、利用相机拍摄若干绳索不同摆角时的图像作为样本图像；
S2、求取各样本图像中绳索运动端在该样本图像中的像素坐标以及在实际空间中的世界坐标；
S3、根据各样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵M；
S4、根据透视投影成像矩阵M完成相机的标定；
S5、利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，计算出实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
S6、根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
S7、根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤S2中，利用全站仪求取各样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤S6具体包括：
S61、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63、根据相机的参数求取P1、P2对应的在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64、以绳索的固定端为原点，绳索的长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65、根据射线方程与球面方程计算出实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于视觉测量的绳索摆角测量系统，其采用的技术方案是：
一种基于视觉测量的绳索摆角测量系统，包括安装平台、相机、绳索与悬挂组件，所述绳索的一端固定连接在安装平台上，所述绳索的另一端悬空，所述悬挂组件固定连接在绳索悬空的一端，所述相机固定设在安装平台上，所述相机的摄像方向竖直向下，所述绳索连接在安装平台的一端与相机相距3cm以下。
作为上述技术方案的进一步改进，所述悬挂组件包括安装底座以及若干LED灯，若干LED灯呈环形结构固定设在安装底座的顶部，所述绳索的悬空端与安装底座固定相连，所述绳索与安装底座的连接点位于若干LED灯所组成的环形结构的中心位置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述悬挂组件还包括环形结构的装灯盘，所述装灯盘固定设在安装底座的顶部，各LED灯设在装灯盘上，所述绳索穿过装灯盘的环心后与安装底座相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述相机为智能相机。
本发明的有益技术效果：
本发明中通过先拍摄若干绳索不同摆角时的图像作为样本图像，利用样本图像求取出相机的透视投影成像矩阵，随后求取出相机的参数，进而完成对相机的标定，最终根据绳索的实时摆动图像求取出绳索的实时摆动角度，硬件要求低、精度高，适用场景更广泛。
附图说明
图1是基于视觉测量的绳索摆角测量方法的流程示意图；
图2是基于视觉测量的绳索摆角测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实时方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示本实施例公开了一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法，其具体步骤为：
S1、利用相机拍摄若干绳索不同摆角时的图像作为样本图像，本实施例中样本图像的数量在20张以上，记为N。
S2、利用全站仪求取各样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标，根据样本图像求取其中绳索运动端的像素坐标。
S3、根据各样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵M，具体为：
利用直接线性变换将图像中绳索运动端的像素坐标和世界坐标的成像几何关系在齐次坐标下写成透视投影成像矩阵的形式：
Figure BDA0002064814380000041
式中，[u,v,1]T表示各样本图像中伸缩运动端归一化后的像素坐标，[Xw,Yw,Zw,1]T表示各样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标的齐次坐标，M3×4为3×4的透视投影成像矩阵，记为M3×4＝(mij)，s为未知尺度因子；
消除上式中的未知尺度因子s，可以得到方程组：
Figure BDA0002064814380000051
将N张样本图像中的绳索运动端的像素坐标与世界坐标代入上述的方程组，可以得到一个含有2N个方程的方程组：AL＝U。其中A为(2N*12)的矩阵，L为透视投影成像矩阵元素组成的向量：
L＝[m11,m12,m13,m14,m21,m22,m23,m24,m31,m32,m33,m34]
根据最小二乘法进行对上述的含有2N个方程的方程组进行求解：
L′＝(ATA)ATU
即能求得m11,m12,m13,m14,m21,m22,m23,m24,m31,m32,m33，由于m34为1，即能求得透视投影成像矩阵M。
S4、根据透视投影成像矩阵M完成相机的标定，根据相机标定的原理，相机的内参矩阵乘以相机的外参矩阵同样得到一个3×4矩阵，即相机的内参矩阵×相机的外参矩阵＝透视投影成像矩阵M，因此在步骤S3已求取出透视投影成像矩阵M的情况下则能快速的完成对相机的标定。
S5、利用相机拍摄绳索的实时摆动图像，计算出实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标。
S6、根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，具体包括以下步骤：
S61、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63、根据相机的参数求取P1、P2对应的在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64、以绳索的固定端为原点，绳索的长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65、根据射线方程与球面方程计算出实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
S7、根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
本实施例还公开了一种基于视觉测量的绳索3摆角测量系统，包括安装平台1、相机2、绳索3与悬挂组件。其中，安装平台1可以是轨道车等各种需要测量绳索3摆角的工程设备。
绳索3的一端固定连接在安装平台1上，绳索3的另一端悬空，悬挂组件固定连接在绳索3悬空的一端，相机2固定设在安装平台1上，相机2的摄像方向竖直向下，绳索3连接在安装平台1的一端与相机2相距3cm以下。
具体的，悬挂组件包括安装底座41、装灯盘42以及并未图示的若干LED灯，装灯盘42为环形结构且螺栓固定连接在安装底座41的顶部，若干LED灯呈环形结构固定设在装灯盘42上，绳索3的悬空端与安装底座41固定相连，绳索3与安装底座41的连接点位于若干LED灯所组成的环形结构的中心位置，其中，通过限位装置对绳索3与安装底座41的连接点进行定位，保证绳索3穿过环形结构的正中心。上述方法中的绳索3运动端的像素坐标即为相机2所拍摄图像中环形结构的中心位置，有效的提高了绳索3运动端的像素坐标的准确性。
优选的，相机2为智能相机2，以防止相机2拍摄图像后对图像进行解算得到绳索3摆角的过程中，因数据传输会造成系统延迟增加，进而无法满足系统实时性需求。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (3)

1.一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用相机拍摄若干绳索不同摆角时的图像作为样本图像；
S2、求取各样本图像中绳索运动端在该样本图像中的像素坐标以及在实际空间中的世界坐标；
S3、根据各样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵M；
S4、根据透视投影成像矩阵M完成相机的标定；
S5、利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，计算出实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
S6、根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
S7、根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
2.根据权利要求1所述基于视觉测量的绳索摆角测量方法，其特征在于，步骤S2中，利用全站仪求取各样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
3.根据权利要求1所述基于视觉测量的绳索摆角测量方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
S61、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62、根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63、根据相机的参数求取P1、P2对应的在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64、以绳索的固定端为原点，绳索的长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65、根据射线方程与球面方程计算出实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
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