CN110726402A - 非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法，包括以下步骤：关闭激光器，采集一副含靶标的数字图像，对采集到的靶标图像进行透视投影矫正：对矫正后的靶标图像利用OTSU算法进行二值化处理；利用Sobel算子对处理后的二值化图像进行边缘检测；灰度质心法提取靶标质心的质心；对激光点图像的预处理以及质心提取同对靶标图像的处理方法一致，对激光点图像进行处理，求取激光点质心；对激光点进行粗引导至靶标质心位置附近；对激光点进行精引导至靶标质心位置；利用二分搜索策略，使得激光斑不断逼近靶标中心，当两者之间的距离小于阈值d时，就判定激光斑指向靶标，引导过程结束。

Description

非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法

所属技术领域

本发明涉及一种精密测量仪器系统，特别涉及一种非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法。

背景技术

申请专利(基于非正交轴系激光全站仪的三维坐标测量方法，CN201610915794)及论文文献(①Fengting Yang，Bin Wu，Ting Xue，Mohammed Farhan Ahmed and Jie Huang,A cost-effective non-orthogonal 3D measurement system,Measurement,128(2018):264-270；②吴斌，张雨，王占胜，彭丛丛，何蓉芳.非正交轴系激光全站仪坐标测量技术，天津大学学报，51(11)：1188-1194，2018；③吴斌，丁文，杨峰亭，薛婷，非正交轴系全站仪坐标测量系统误差分析技术研究，计量学报，38(6)：661-666，2017；④杨峰亭，大空间非正交轴系测量仪器系统关键技术的研究，硕士学位论文，天津大学，2016；⑤丁文，非正交轴系坐标测量系统误差分析技术研究，硕士学位论文，天津大学，2017)中提出了一种非正交轴系激光全站仪。与传统全站仪相比，非正交轴系激光全站仪降低了仪器设计、加工、装配的难度及成本。

非正交轴系激光全站仪使用时，需要人工操作，在仪器的使用过程中引入了人工瞄准误差，且操作繁琐。因此，针对人眼瞄准误差较大和操作繁琐的问题，基于视觉引导的非正交轴系“激光全站仪”的功能与传统的非正交轴系全站仪类似，可以实现角度和距离的测量，但与传统非正交轴系全站仪相比，其结合视觉引导技术，大大的降低由人眼瞄准带来的操作误差，提高了测量流程和测量速度，使得空间三维点坐标测量更加准确，可满足大尺寸空间坐标精密测量的广泛推广应用。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种针对非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法。非正交轴系激光全站仪的激光点的视觉引导装置采用一个二维转台、一个激光测距仪、靶平面和500万分辨率的工业相机构建，相机和激光测距仪安装在二维站台上，且二者的位置关系没有明确要求，只要保证激光点在引导过程中时刻保证在相机视场内即可。本发明的非正交轴系激光全站仪的激光点的视觉引导方法，引导方法分为激光点图像和靶标图像预处理、粗引导和精引导三部分。技术方案如下：

一种非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法，包括以下步骤：

1)关闭激光器，采集一副含靶标的数字图像S(i，j)，对采集到的靶标图像进行透视投影矫正：

第1步：设靶标图像大小为W×H，灭点坐标为e(m_x，m_y)，对于靶标图像上任意点P(j，i)，经过第一次X方向矫正后变为P′(j₀，i₀)：

其中W为靶标图像的X方向像素总数，即靶标图像宽度，H为靶标图像的Y方向像素总数，即靶标图像的高度，(i，j)是靶标图像中任意一点的位置；

第2步：根据透视投影原理，靶标图像在Y方向的缩放比例和在X方向的缩放比例一致，对Y方向进行第一次矫正：

2)对矫正后的靶标图像利用OTSU算法进行二值化处理；

3)利用Sobel算子对处理后的二值化图像进行边缘检测；

4)灰度质心法提取靶标质心的质心O(x₀，y₀)；

5)对激光点图像的预处理以及质心提取同对靶标图像的处理方法一致，对激光点图像进行处理，求取激光点质心；

6)对激光点进行粗引导至靶标质心位置附近：

第1步：为完成粗引导过程，以靶平面左下角为原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴建立二维坐标系，令激光束起点E与靶平面的交点T定义为TE，表示测距模块激光束，TE的长度L代表测距模块的测距值，用于灭点矫正的靶标正方形的四边分别定义为AB、CD、AD、BC，其实际长度均为W；T代表目标点激光斑，O点为用于灭点矫正的正方形的中心，过T点做AB的平行线交OE于P点，且与X轴的夹角为α；OP垂直于TP；TP和OE都是建立粗引导模型时的辅助线；θ表示水平转台沿TP方向旋转到P时转过的角度值；δ代表竖直转台沿OP方向旋转到O时转过的角度；

第2步：测量时由于L的长度远远大于W，近似得到：

L sinθ≈TP

L sinδ≈OP

第3步：AB之间的像素差值为G1，AD之间的像素差值为G2，那么AB方向和AD方向单位像素代表的实际值分别为：

第4步：非正交轴系激光全站仪的非正交性，水平旋转和竖直旋转的实际的旋转路径与TP和OP有所偏差，令实际旋转角度设为β，γ，非正交轴系全站仪的实际路径为TQ和OQ，Q点为TP旋转(|θ-β|)和OP旋转(|δ-γ|)后的交点，由角度α，得到：

TQ＝(TP-OP×tanα)×cosα

求出转台水平旋转角度β和竖直旋转角度γ，完成粗引导过程；

7)对激光点进行精引导至靶标质心位置

在粗引导的基础上，对激光点进行精引导，精引导过程通过二分法实现。

优选地，7)中，根据激光点坐标L(x_l，y_l)和靶标坐标T(x_t，y_t)的相对位置关系，分为以下四步：

此后的引导策略根据帧间图像提取到的激光点和靶标位置确定；记上一帧采集图像的激光点坐标L_last(x_{last_laser},y_{last_laser})，靶标坐标为T_last(x_{last_tar},y_{last_tar})，转台的旋转角度为last_angel；控制策略如下：

第1步：前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第2步：前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第3步：前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第4步：前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

利用二分搜索策略，使得激光斑不断逼近靶标中心，当两者之间的距离小于阈值d时，就判定激光斑指向靶标，引导过程结束。

本发明可通过工业相机对非正交轴系激光全站仪进行精确地引导，大大简化了其测量流程和测量速度，以及消除人工瞄准误差，使得空间点坐标测量更加精确，可满足大尺寸空间坐标精密测量的广泛应用。

附图说明

图1为非正交轴系激光全站仪架构

图2为非正交轴系激光全站仪视觉引导流程图

图3为双灭点透视矫正流程示意图

图4为双灭点图像矫正原理示意图

图5为透视投影矫正前后抽象靶标图像示意图

图6为粗引导模型示意图

图7为基于二分搜索的精引导算法流程图

具体实施方式

本发明所提出的方法包括靶标图像和激光点图像透视投影矫正、靶标图像和激光点图像二值化、靶标和激光点边缘检测求质心、激光点粗引导和精引导，图3给出了所采用方法的框图，包括：

1、关闭激光器，采集一副含靶标的数字图像，以下介绍一种对靶标图像的预处理方法，包括下列步骤：

1)由于靶平面是任意摆放，所以对采集到的靶标图像进行透视投影矫正：

第一步：采集一副靶标图像S(i，j)，图像大小为W×H，灭点坐标为e(m_x，m_y)，对于图像上任意点P(j，i)，经过第一次X方向矫正后变为P′(j₀，i₀)：

其中W为靶标图像的X方向像素总数，即靶标图像宽度，H为靶标图像的Y方向像素总数，即靶标图像的高度。

第二步：根据透视投影原理，靶标图像在Y方向的缩放比例和在X方向的缩放比例一致，对Y方向进行第一次矫正：

2)对矫正后的靶标图像利用OTSU算法进行二值化处理

3)利用Sobel算子对处理后的二值化图像进行边缘检测；

4)灰度质心法提取靶标质心的质心O(x₀，y₀)：

灰度重心法以灰度作为权值来进行加权运算，对于靶标图像S′(i，j)中靶标的质心O(x₀，y₀)为：

其中(i，j)是二值化图像中任意一点的位置。

2、对激光点图像的预处理以及质心提取同对靶标图形的处理方法一致，可以参考对靶标图像的处理方法对激光点图像进行处理，求取激光点质心。

3、激光点粗引导：

(1)如图7所示：TE表示测距模块激光束，TE的长度L代表测距模块的测距值，AB＝CD，AD＝BC，AB、CD、AD、BC分别代表用于灭点矫正的靶标正方形的边长，其实际长度均为W。T代表目标点激光斑，TP平行于AB，且与X轴的夹角为α。OP垂直于TP，O点时靶标的中心点；TP和OP都是建立粗引导模型时的辅助线；θ表示水平转台沿TP方向旋转到P时转过的角度值；δ代表竖直转台沿OP方向旋转到O时转过的角度。

(2)测量时由于L的长度远远大于W，那么我们可以近似得到：

L sinθ≈TP

L sinδ≈OP

(3)AB之间的像素差值为G1，AD之间的像素差值为G2，那么AB方向和AD方向单位像素代表的实际值分别为：

(4)非正交全站仪水平旋转和竖直旋转的实际的旋转路径应该为TQ和QO，实际旋转角度设为β，γ。由角度α，我们可以得到：

TQ＝(TP-OP×tanα)×cosα

就可以求出转台水平旋转角度β和竖直旋转角度γ，完成粗引导过程

4、对激光点进行精引导至靶标质心位置

在粗引导的基础上，对激光点进行精引导，精引导过程通过二分法实现，根据激光点坐标L(x_l，y_l)和靶标坐标T(x_t，y_t)的相对位置关系，从以下四种情况考虑：

(1)，当x_l＜x_t，y_l＜y_t时，控制转台转动使激光点向右上方向移动。

(2)，当x_l＞x_t，y_l＜y_t时，控制转台转动使激光点向左上方向转动。

(3)，当x_l＜x_t，y_l＞y_t时，控制转台转动使激光点向右下方向转动。

(4)，当x_l＞x_t，y_l＞y_t时，控制转台转动使激光点向左下方向转动。

此后的引导策略根据帧间图像提取到的激光点和靶标位置确定。记上一帧采集图像的激光点坐标L_last(x_{last_laser},y_{last_laser})，靶标坐标为T_last(x_{last_tar},y_{last_tar})，转台的旋转角度为last_angel。控制策略如下，分四种情形：

(1)，前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}。如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2。同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2。

(2)，前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}。如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2。同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2。

(3)，前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}。如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2。同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2。

(4)，前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}。如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2。同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2。

利用二分搜索策略，使得激光斑不断逼近靶标中心，当两者之间的距离小于阈值d时，就判定激光斑指向了靶标，引导过程结束。

Claims (2)

1.一种非正交轴系激光全站仪的激光点视觉引导方法，包括以下步骤：

1)关闭激光器，采集一副含靶标的数字图像S(i，j)，对采集到的靶标图像进行透视投影矫正：

第1步：设靶标图像大小为W×H，灭点坐标为e(m_x，m_y)，对于靶标图像上任意点P(j，i)，经过第一次X方向矫正后变为P′(j₀，i₀)：

其中W为靶标图像的X方向像素总数，即靶标图像宽度，H为靶标图像的Y方向像素总数，即靶标图像的高度，(i，j)是靶标图像中任意一点的位置；

第2步：根据透视投影原理，靶标图像在Y方向的缩放比例和在X方向的缩放比例一致，对Y方向进行第一次矫正：

2)对矫正后的靶标图像利用OTSU算法进行二值化处理；

3)利用Sobel算子对处理后的二值化图像进行边缘检测；

4)以灰度作为权值来进行加权运算，利，对于二值化图像S′(i，j)，用灰度质心法提取靶标质心的质心O(x₀，y₀)；

5)对激光点图像的预处理以及质心提取同对靶标图像的处理方法一致，对激光点图像进行处理，求取激光点质心；

6)对激光点进行粗引导至靶标质心位置附近：

第1步：为完成粗引导过程，以靶平面左下角为原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴建立二维坐标系，令激光束起点E与靶平面的交点T定义为TE，表示测距模块激光束，TE的长度L代表测距模块的测距值，用于灭点矫正的靶标正方形的四边分别定义为AB、CD、AD、BC，其实际长度均为W；T代表目标点激光斑，O点为用于灭点矫正的正方形的中心，过T点做AB的平行线交OE于P点，且与X轴的夹角为α；OP垂直于TP；TP和OE都是建立粗引导模型时的辅助线；θ表示水平转台沿TP方向旋转到P时转过的角度值；δ代表竖直转台沿OP方向旋转到O时转过的角度；

第2步：测量时由于L的长度远远大于W，近似得到：

L sinθ≈TP

L sinδ≈OP

第3步：AB之间的像素差值为G1，AD之间的像素差值为G2，那么AB方向和AD方向单位像素代表的实际值分别为：

第4步：非正交轴系激光全站仪的非正交性，水平旋转和竖直旋转的实际的旋转路径与TP和OP有所偏差，令实际旋转角度设为β，γ，非正交轴系全站仪的实际路径为TQ和OQ，Q点为TP旋转(|θ-β|)和OP旋转(|δ-γ|)后的交点，由角度α，得到：

TQ＝(TP-OP×tanα)×cosα

求出转台水平旋转角度β和竖直旋转角度γ，完成粗引导过程；

7)对激光点进行精引导至靶标质心位置

在粗引导的基础上，对激光点进行精引导，精引导过程通过二分法实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，7)中，根据激光点坐标L(x_l，y_l)和靶标坐标T(x_t，y_t)的相对位置关系，分为以下四步：

此后的引导策略根据帧间图像提取到的激光点和靶标位置确定；记上一帧采集图像的激光点坐标L_last(x_{last_laser},y_{last_laser})，靶标坐标为T_last(x_{last_tar},y_{last_tar})，转台的旋转角度为last_angel；控制策略如下：

第1步：前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第2步：前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＜y_{last_tar}；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第3步：前一帧图像x_{last_laser}＜x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

第4步：前一帧图像x_{last_laser}＞x_{last_tar}，y_{last_laser}＞y_{last_tar}；如果当前图像x_l＞x_t时，水平转台方向与上次运动保持不变，旋转角度last_angel保持不变；如果当前图像x_l＜x_t时，水平转台方向反向，旋转角度变为last_angel/2；同理，对于竖直转台，如果当前图像y_l＞y_t，竖直转台运动方向不变，角度不变仍为last_angel；如果当前图像y_l＜y_t，竖直转台运动方向反向，旋转角度大小变为last_angel/2；

利用二分搜索策略，使得激光斑不断逼近靶标中心，当两者之间的距离小于阈值d时，就判定激光斑指向靶标，引导过程结束。

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