CN111504269A - 一种水下尺度测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下尺度测量方法及其装置，包括以下步骤：确定拍摄面和目标面；依据拍摄面和目标面，获取两个面的交线和夹角；选取任意点间距离作为测试目标点；获取测试目标点在拍摄面的成像点；依据两个面的交线、夹角和成像点计算出目标点之间的距离。通过确定拍摄面和目标面，并依据拍摄面和目标面建立坐标，计算出拍摄面和目标面的方程，再依据拍摄面和目标面的方程计算出两面之间的交线和夹角，同时，通过获取目标点的成像点坐标，依据点到线的距离公式，计算出目标点与拍摄面的距离，再依据点到点的距离公式，计算出成像点之间的距离，最后再依据公式计算出两个目标点之间的距离，实现了无需正对目标也能测量出目标尺寸大小的功能。

Description

一种水下尺度测量方法及其装置
技术领域
本发明涉及尺度测量领域，特别涉及一种水下尺度测量方法及其装置。
背景技术
近年来，随着对海洋的开发，水下建筑越来越多，对于水下建筑的检测也越来越重要，例如利用水下机器人对水下水工建筑进行视频检测等，这能够很好地替代人类去做具备危险性的行为，而且还能够做到长时间检测，获取到连续的数据，从而有效做出应对措施。
但是，目前对水下建筑进行检测时，存在以下缺陷：(1)发现水下建筑存在缺陷后，无法直接评估缺陷目标的尺寸和规模大小；(2)必须正对目标，相机拍摄面与目标面平行测量数据才具有价值，若未正对目标会产生较大误差，特别对水下隧洞进行性检测时，隧洞不是平面，利用常规激光测量方法测量将会带来较大误差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种无需正对目标即可测量出目标尺寸大小的水下尺度测量方法及其装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种水下尺度测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，测距装置和拍摄装置安装在水下载体的同一平面上，并将该平面确定为拍摄面；
步骤S2，依据测距装置确定拍摄目标所在平面，并将该平面确定为目标面；
步骤S3，依据拍摄面和目标面，获取两个面的交线和夹角；
步骤S4，选取任意点间距离作为测试目标点；
步骤S5，获取所述测试目标点在拍摄面的成像点；
步骤S6，依据两个面的交线、夹角和成像点计算出目标点之间的距离。
作为所述水下尺度测量方法的进一步可选方案，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31，依据拍摄面与成像面的特性建立坐标系，并确定拍摄面方程；
步骤S32，依据测距装置测得的距离目标面的距离，并结合拍摄面确定目标面方程；步骤S33，依据拍摄面方程和目标面方程，确定两个面的交线方程和夹角。
作为所述水下尺度测量方法的进一步可选方案，所述步骤S6包括以下步骤：
步骤S61，利用拍摄面与成像面的特性，获取目标点在拍摄面上成像的点的坐标；
步骤S62，依据拍摄面上成像点坐标，分别计算出成像点到交线方程的距离；
步骤S63，依据成像点到交线方程的距离和两个面的夹角，分别计算出目标点到拍摄面的距离；
步骤S64，依据目标点到成像点距离、在拍摄面上成像点的距离，利用几何垂直定理计算出目标点间实际距离。
作为所述水下尺度测量方法的进一步可选方案，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
作为所述水下尺度测量方法的进一步可选方案，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
一种水下尺度测量装置，包括可在水中运动的载体，安装在所述载体的同一平面上的测距装置和拍摄装置，所述载体包括第一控制系统、动力推进系统、运动控制系统和数据处理单元，所述数据处理系统包括：
第二控制单元，用于控制测距装置确定拍摄目标所在平面；
第一获取单元，用于获取测距装置和拍摄装置所在平面，并获取测距装置和拍摄装置之间的位置相关参数；
第二获取单元，用于获取两点成像点的坐标；
计算单元，用于计算目标面与拍摄面的空间位置关系，以及，计算目标点之间的实际距离；
其中，所述第二控制单元、第一获取单元和第二获取单元分别与计算单元电连接。
作为所述水下尺度测量装置的进一步可选方案，所述空间位置关系包括目标面与拍摄面的相对坐标方程、目标面与拍摄面的夹角，以及，目标面与拍摄面的交线方程。
作为所述水下尺度测量装置的进一步可选方案，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
作为所述水下尺度测量装置的进一步可选方案，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
本发明的有益效果是：采用本发明方法及装置，通过确定拍摄面和目标面，并依据拍摄面和目标面建立坐标，计算出拍摄面和目标面的方程，再依据拍摄面和目标面的方程计算出两面之间的交线和夹角，同时，通过获取目标点在拍摄平面上的成像点坐标，依据点到线的距离公式，计算出目标点与拍摄面的距离，再依据点到点的距离公式，计算出成像点之间的距离，最后再依据几何垂直定理计算出两个目标点之间的距离，实现了无需正对目标，即使拍摄面与目标所在面存在角度时也能测量出目标尺寸大小的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种水下尺度测量方法的流程图；
图2为本发明一种水下尺度测量装置的组成示意图；
图3为本发明成像比例示意图；
图4为本发明拍摄成像图；
图5为本发明目标点成像示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-5，一种水下尺度测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，测距装置和拍摄装置安装在水下载体的同一平面上，并将该平面确定为拍摄面；
步骤S2，依据测距装置确定拍摄目标所在平面，并将该平面确定为目标面；
步骤S3，依据拍摄面和目标面，获取两个面的交线和夹角；
步骤S4，选取任意点间距离作为测试目标点；
步骤S5，获取所述测试目标点在拍摄面的成像点；
步骤S6，依据两个面的交线、夹角和成像点计算出目标点之间的距离。
优选的，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31，依据拍摄面与成像面的特性建立坐标系，并确定拍摄面方程；
步骤S32，依据测距装置测得的距离目标面的距离，并结合拍摄面确定目标面方程；
步骤S33，依据拍摄面方程和目标面方程，确定两个面的交线方程和夹角。
优选的，所述步骤S6包括以下步骤：
步骤S61，利用拍摄面与成像面的特性，获取目标点在拍摄面上成像的点的坐标；
步骤S62，依据拍摄面上成像点坐标，分别计算出成像点到交线方程的距离；
步骤S63，依据成像点到交线方程的距离和两个面的夹角，分别计算出目标点到拍摄面的距离；
步骤S64，依据目标点到成像点距离、在拍摄面上成像点的距离，利用几何垂直定理计算出目标点间实际距离。
优选的，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
优选的，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
实施例1：
摄像机与激光测距仪在同一平面，以第一激光测距仪为原点建立坐标平面，第二激光测距仪在平面X轴上，第三激光测距仪在平面Y轴上；若第一激光测距仪与第二激光测距仪和第三3激光测距仪安装距离为e，则第一激光测距仪所在坐标为O(0.0.0)，第二激光测距仪所在坐标为在坐标为B(e,0,0)，第三激光激光测距仪所在坐标位置为A(0,e,0)，视频拍摄成像面方程为：Z＝0；
利用摄像机对某平面进行拍摄时，激光测距仪将在拍摄目标面上形成三个激光点，若第一激光测距仪测得距离为f,第二激光测距仪测得距离为g,第三激光测距仪测得距离为h,则三个激光点坐标为O1(0,0，f)，B1(e,0,g)，A1(0,e,h)，三点可得视频拍摄目标所在平面方程；
最终拍摄视屏或照片图像尺寸如图3所示，图像与实际尺寸呈比例缩放，所以A'0'∶AO＝B'O'∶BO，若测量图像上任意两点C'、D'间距离，首先通过C'、D'相对O'位置获得C'、D'在图像坐标系中的坐标如C'(m1',n1')、D'(m2',n2'),设缩放比例A'0'∶AO＝B'O'∶BO＝k，则可得实际坐标系中C坐标为(m1，n1)，D左边为(km2，n2)，其中：[m1，n1，m2，m3]T＝k*[m1’，n1'，m2'，m3']T，C、D在摄像机成像面中；
由视频拍摄目标面方程和拍摄面方程联合计算可得两面交线EF方程和量面夹角α；
假设D是摄像机实际拍摄D1的成像点，则D1D与摄像机成像面垂直，由D点坐标，交线EF方程及面夹角，可计算DD1距离，同理可计算CC1点距离，C1、D1即相对于图像C'、D'点的实际位置；
如图5成像示意图，由以上计算得知CD、CC1、DD1，通过几何简单几何计算可得图像上C'、D'两点间距离，C1D12＝CD2+(CC1-DD1)2；测量时选择图像上任意两点，即可通过数据处理模块按上述方法自动计算完成测量。
在本实施例中，通过确定拍摄面和目标面，并依据拍摄面和目标面建立坐标，计算出拍摄面和目标面的方程，再依据拍摄面和目标面的方程计算出两面之间的交线和夹角，同时，通过获取目标点在拍摄平面上的成像点坐标，依据点到线的距离公式，计算出目标点与拍摄面的距离，再依据点到点的距离公式，计算出成像点之间的距离，最后再依据几何垂直定理计算出两个目标点之间的距离，实现了无需正对目标，即使拍摄面与目标所在面存在角度时也能测量出目标尺寸大小的功能；需要说明的是，所述拍摄面与成像面的特性包括拍摄面与成像面平行且目标在拍摄面与成像面上的投影大小成一定比例关系。
一种水下尺度测量装置，包括可在水中运动的载体，安装在所述载体的同一平面上的测距装置和拍摄装置，所述载体包括第一控制系统、动力推进系统、运动控制系统和数据处理单元，所述数据处理系统包括：
第二控制单元，用于控制测距装置确定拍摄目标所在平面；
第一获取单元，用于获取测距装置和拍摄装置所在平面，并获取测距装置和拍摄装置之间的位置相关参数；
第二获取单元，用于获取两点成像点的坐标；
计算单元，用于计算拍摄面方程、目标面方程、两个面之间的交线方程、两个面之间的夹角，并依据两个面的交线、夹角和两点成像点坐标计算出两点目标点之间的距离；
其中，所述第二控制单元、第一获取单元和第二获取单元分别与计算单元电连接。
在本实施例中，通过确定拍摄面和目标面，并依据拍摄面和目标面建立坐标，计算出拍摄面和目标面的方程，再依据拍摄面和目标面的方程计算出两面之间的交线和夹角，同时，通过获取目标点在拍摄平面上的成像点坐标，依据点到线的距离公式，计算出目标点与拍摄面的距离，再依据点到点的距离公式，计算出成像点之间的距离，最后再依据几何垂直定理计算出两个目标点之间的距离，实现了无需正对目标，即使拍摄面与目标所在面存在角度时也能测量出目标尺寸大小的功能；需要说明的是，所述控制系统包括K60嵌入式微控制器等；所述载体包括但不限于水下机器人等；所述动力推进系统包括对称设置在水下机器人内部两侧的一对管式螺旋推进器、及对称设置在水下机器人外部左右两侧的垂向集成电机推进器，这里不做具体限定。
优选的，所述空间位置关系包括目标面与拍摄面的相对坐标方程、目标面与拍摄面的夹角，以及，目标面与拍摄面的交线方程。
优选的，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
在本实施例中，通过三个激光测距仪可以在目标面上形成三个激光点，获取三个激光点的坐标，即可得视频拍摄目标所在平面方程，简单有效，并不需要过多器件就能确定平面方程。
优选的，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
在本实施例中，以第一激光测距仪为原点建立坐标平面，第二激光测距仪在平面X轴上，第三激光测距仪在平面Y轴上，若第一激光测距仪与第二激光测距仪和第三激光测距仪安装距离为e，则第一激光测距仪所在坐标为O(0.0.0)，第二激光测距仪所在坐标为在坐标为B(e,0,0)，第三激光测距仪所在坐标位置为A(0,e,0)，当三个激光测距仪将在拍摄目标面上形成三个激光点，若第一激光测距仪测得距离为f,第二激光测距仪测得距离为g,第三激光测距仪测得距离为h,则三个激光点坐标为O1(0,0，f)，B1(e,0,g)，A1(0,e,h)，三点可得视频拍摄目标所在平面方程。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下尺度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，测距装置和拍摄装置安装在水下载体的同一平面上，并将该平面确定为拍摄面；
步骤S2，依据测距装置确定拍摄目标所在平面，并将该平面确定为目标面；
步骤S3，依据拍摄面和目标面，获取两个面的交线和夹角；
步骤S4，选取任意点间距离作为测试目标点；
步骤S5，获取所述测试目标点在拍摄面的成像点；
步骤S6，依据两个面的交线、夹角和成像点计算出目标点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的水下尺度测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31，依据拍摄面与成像面的特性建立坐标系，并确定拍摄面方程；
步骤S32，依据测距装置测得的距离目标面的距离，并结合拍摄面确定目标面方程；
步骤S33，依据拍摄面方程和目标面方程，确定两个面的交线方程和夹角。
3.根据权利要求2所述的水下尺度测量方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：
步骤S61，利用拍摄面与成像面的特性，获取目标点在拍摄面上成像的点的坐标；
步骤S62，依据拍摄面上成像点坐标，分别计算出成像点到交线方程的距离；
步骤S63，依据成像点到交线方程的距离和两个面的夹角，分别计算出目标点到拍摄面的距离；
步骤S64，依据目标点到成像点距离、在拍摄面上成像点的距离，利用几何垂直定理计算出目标点间实际距离。
4.根据权利要求3所述的水下尺度测量方法，其特征在于，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
5.根据权利要求4所述的水下尺度测量方法，其特征在于，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
6.一种水下尺度测量装置，其特征在于，包括可在水中运动的载体，安装在所述载体的同一平面上的测距装置和拍摄装置，所述载体包括第一控制系统、动力推进系统、运动控制系统和数据处理单元，所述数据处理系统包括：
第二控制单元，用于控制测距装置确定拍摄目标所在平面；
第一获取单元，用于获取测距装置和拍摄装置所在平面，并获取测距装置和拍摄装置之间的位置相关参数；
第二获取单元，用于获取成像点的坐标；
计算单元，用于计算目标面与拍摄面的空间位置关系，以及，计算目标点之间的实际距离；
其中，所述第二控制单元、第一获取单元和第二获取单元分别与计算单元电连接。
7.根据权利要求6所述的水下尺度测量装置，其特征在于，所述空间位置关系包括目标面与拍摄面的相对坐标方程、目标面与拍摄面的夹角，以及，目标面与拍摄面的交线方程。
8.根据权利要求7所述的水下尺度测量装置，其特征在于，所述测距装置包括第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪呈等腰直角三角形的形状布置，所述拍摄装置安装于三个激光测距仪所形成的等腰直角三角形的中心位置。
9.根据权利要求8所述的水下尺度测量装置，其特征在于，所述第一激光测距仪与第二激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的X轴，所述第一激光测距仪与第三激光测距仪相连所在直线作为拍摄面的Y轴。
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