CN111649716A - 一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法 - Google Patents

一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,涉及摄影测量技术领域,包括以下步骤:S1、在目标场所内选取至少两个拍摄站点,通过在拍摄站点设置全景相机对目标场所进行全景图像的拍摄;S2、选取空间中的任一点为原点,建立空间直角坐标系,测量拍摄站点在坐标系中的实际坐标位置;S3、拾取全景图像中的点P1和点P2,并计算点P1和点P2在坐标系中的坐标位置;S4、根据点P1和点P2的空间坐标位置,计算得出点P1与P2之间的实际距离。本发明提供的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,通过拾取全景图像中的两个点,即可计算得出这两个点所对应的现实世界的距离,操作方便,测量精准。

Description

一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法
技术领域
本发明涉及摄影测量技术领域,尤其涉及一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法。
背景技术
随着现代信息技术的飞速发展和对海量空间数据需求的增加,人们对高效率、大视场、小型化遥测装置的需求日益迫切;球面全景成像装置具有静态全方位、小型化、输出标准化的特点,更大限度地消除摄影死角;静态全方位是指在不必移动成像装置的条件下就能在一个时刻点获取更广视野覆盖范围的全方位图像;小型化是指相机体积小巧,能进一步组合集成;输出标准化是指外部输出的球面映射影像能直接反映被测目标相对于球心观察点的方位角和俯仰角,这将方便目标定位计算。
遥感装置的成像范围最大可扩展成球面,形成一种球面全景;目前已有一些球面全景装置,如ladybug球面全景相机,一般只用于街景全方位浏览,室内装修预览;这种全景装置的图像不同于普通相机,是做了球面映射的,有很大畸变;但由于缺少相关理论支持,目前球面全景相机鲜见用于空间摄影测量(如距离测量、高度测量、空间目标点定位等)的方法。
发明内容
为此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,从而提供一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,通过拾取全景图像中的两个点,即可计算得出这两个点所对应的现实世界的距离,操作方便,测量精准。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,包括以下步骤:
S1、在目标场所内选取至少两个拍摄站点,通过在拍摄站点设置全景相机对目标场所进行全景图像的拍摄;
S2、选取空间中的任一点为原点,建立空间直角坐标系,测量拍摄站点在坐标系中的实际坐标位置;
S3、拾取全景图像中的点P1和点P2,并计算点P1和点P2在坐标系中的坐标位置;
S4、根据点P1和点P2的空间坐标位置,计算得出点P1与P2之间的实际距离。
进一步地,在步骤S1中,所述拍摄站点设置三个,分别为第一拍摄站点、第二拍摄站点和第三拍摄站点,且三个拍摄站点不在同一直线上,且所计算的目标点至少出现在其中两个拍摄站点所拍摄的全景图像中。
进一步地,三个所述拍摄站点用一个全景相机分时拍摄或每个拍摄站点对应设置一个全景相机。
进一步地,在步骤S2中,空间直角坐标系的原点选取在与三个全景相机距离相等的位置。
进一步地,在步骤S3中,计算点P1和点P2在空间直角坐标系中的方法如下:
S31、在空间中任取一点作为坐标原点O(0,0,0)建立三维坐标系XYZ,经实地测量,得到第一球形摄像机的球心坐标D1(a1,b1,c1),第二球形摄像机的球心坐标D2(a2,b2,c2),设点P1的坐标为P1(x,y,z);
S32、确定D1P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1);
S33、确定D2P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2);
S34、联立方程(1)和方程(2),解得(x,y,z),即为点P1在三维坐标系XYZ中的坐标,得点P1的坐标为(xp1,yp1,zp1);
S35、重复上述步骤,计算得出P2在三维坐标系中的坐标,得点P2的坐标为(xp2,yp2,zp2)。
进一步地,在步骤S32中,确定D1P1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤:
S321、以第一球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X1Y1Z1
S322、以Z1轴为转轴,旋转Y1D1Z1所在平面至其经过点P1(x,y,z)所需转动的角度为α1,以X1轴为转轴,旋转X1D1Y1所在平面至其经过点P1所需转动的角度为β1
S323、得到D1P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1)。
进一步地,在步骤S33中,确定D2P1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤:
S331、以第二球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X2Y2Z2
S332、以Z2轴为转轴,旋转Y2D2Z2所在平面至其经过定位点P1所需转动的角度为α2,以X2轴为转轴,旋转X2D2Y2所在平面至其经过定位点P1所需转动的角度为β2
S333、得到D2P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2)。
进一步地,在步骤S5中,点P1与点P2之间的距离计算公式为
Figure BDA0002584484030000041
进一步地,当点P1或点P2位于第一拍摄站点和第二拍摄站点的球心连线的所在直线上时,利用第一拍摄站点和第三拍摄站点的组合或者利用第二拍摄站点和第三拍摄站点的组合,计算定位点P1或P2的坐标。
本发明提供的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,通过将拍摄的全景图像导入到处理软件中,并且快速地建立空间直角坐标系,并且根据已经测量的拍摄站点在实际坐标中的坐标位置确定比例尺,通过在全景图像中选取两个目标点,可以快速计算得出两个点的坐标,并且计算出两个点对应目标点在现实世界中的距离。能够直接在全景图像上进行测绘信息采集,测量步骤简单,测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对发明作进一步详细说明。
图1为本发明中全景相机的结构示意图;
图2为本发明中全景相机的立体剖视图;
图3为本发明中点P1与全景相机三维坐标系的示意图;
图4为本发明中点P1和点P2在三维坐标系中示意图;
图5为本发明中的方法流程图。
图中各附图标记说明如下。
1、球体;2、镜头组;3、图像传感器;4、数据处理单元;5、储存单元;6、电源模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“正面”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图5所示,一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,包括:
S1、在目标场所内选取至少两个拍摄站点,通过在拍摄站点设置全景相机对目标场所进行全景图像的拍摄。全景相机是专门用于拍摄全景图像的球形摄像机,拍摄时,选取至少两个不同的拍摄站点,并且拍摄站点选区在目标场景靠近中间的位置,拍摄下目标场景中以拍摄站点为中心的全方位可视物体的图像。然后将拍摄完成的全景图像通过智能终端显示出来,这里的智能终端是指笔记本电脑或台式电脑等能够有较强数据处理能力电子设备。
S2、选取空间中的任一点作为原点,建立空间直角坐标系,实地测量拍摄站点在坐标系中的实际坐标位置。在显示全景图像的智能终端中对应建立了一个空间直角坐标系,并且以实际原点在全景图像中对应的点为原点。测量得知拍摄站点的实际坐标位置,该坐标位置对应为全景图像中拍摄站点在坐标系中的坐标位置。即全景图像中的点的坐标表示为在实际空间中,该点在实际坐标系中的坐标位置,而实际坐标数值与距离具有比例关系,所以全景图像中的坐标位置信息里面蕴藏着实际世界中的距离信息。
S3、在全景图像中的坐标系中,拾取全景图像中的点P1和点P2,并通过智能终端计算点P1和点P2在该坐标系中的坐标位置。在其中一个全景图像中选取一点,表示为该点在垂直屏幕方向上所形成的直线上的所有的点,在另一个全景图像中可以看到之前所选取的直线,并在该直线上选取一点,即可定位到全景图像中的点P1或P2。为了定位的准确性,在拾取点的时候,可以对全景图像进行缩放,增加拾取准确性。
S4、在计算出点P1和点P2的坐标位置后,利用平面三角形的勾股定理,即可计算出点P1和点P2的距离数据,然后根据拍摄站点在实际坐标系中,与原点的距离和坐标关系计算出比例尺,然后计算出点P1和点P2的距离。为了计算方便,一般比例尺为1,即拍摄站点在实际坐标中的Z坐标位置数值,即为拍摄站点与实际原点之间的高度差。
本实施例中,通过将拍摄的全景图像导入到处理软件中,并且快速地建立空间直角坐标系,并且根据已经测量的拍摄站点在实际坐标中的坐标位置确定比例尺,通过在全景图像中选取两个目标点,可以快速计算得出两个点的坐标,并且计算出两个点对应目标点在现实世界中的距离。能够直接在全景图像上进行测绘信息采集,测量步骤简单,测量精度高。
在步骤S1中,拍摄站点设置三个,分别为第一拍摄站点、第二拍摄站点和第三拍摄站点,且三个拍摄站点不在同一直线上,且所计算的目标点至少出现在其中两个拍摄站点所拍摄的全景图像中。这样保证了能够通过其中两个全景图像定位到目标点。
具体的,三个拍摄站点共用一个全景相机,全景相机分时在三个拍摄站点进行拍摄形成三个全景图像,或者每个拍摄站点对应设置一个全景相机,分别拍摄形成三个全景图像。
全景相机包括球体1,在球体1的表面安装有至少三个镜头组2,在优选的情况时,可安装三十六个或七十二个镜头组2。
镜头组2等距且均匀地分布于球体1的表面,每一镜头组2均具有实焦点和成像面,每一镜头组2的实焦点均汇集于球体1的球心处,镜头组2用于采集其所负责的区域内的场景,拍摄形成图像。
在球体1的内部设有数量与镜头组2相同的图像传感器3,并且与镜头组2一一对应,图像传感器3位于与其对应的镜头组2的成像面处,用于接收镜头组2的光信号,并将光信号转化为电信号。
在球体1内还设有数据处理单元4、储存模块和电源模块6。
数据处理单元4,与所有的图像传感器3均电连接,接收部分或所有图像传感器3传输过来的电信号,能控制在同一时刻所有镜头组2采集到所负责区域内的场景图像集合。
储存模块,与数据处理单元4电连接,接收并储存由数据处理单元4输出的场景图像集合。
电源模块6,与镜头组2、数据处理单元4及储存模块连接,用于为镜头组2、数据处理单元4及储存模块供电。
所有全景相机对目标点同时拍摄,每个全景相机的摄像时间间隔不大于100毫秒,以此提高所有的全景相机所形成的全景图像在时间上的统一性,避免由于拍摄时间误差所导致的光线、物体位置等多因素的变化而引起的定位误差。
在步骤S3中,计算点P1和点P2在空间直角坐标系中的具体方法如下:
本实施例中,在空间中任取一点作为原点建立空间坐标系。空间直角坐标系的原点选取在与三个全景相机距离相等的位置为较为理想和方便计算的。具体步骤如下:
S31、在空间中任取一点作为坐标原点O(0,0,0)建立三维坐标系XYZ,经实地测量,得到第一球形摄像机的球心坐标D1(a1,b1,c1),第二球形摄像机的球心坐标D2(a2,b2,c2),并且设定位点P1的坐标为P1(x,y,z)。
S32、确定D1P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1),具体包括以下步骤:
S321、以第一球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X1Y1Z1
S322、以Z1轴为转轴,旋转Y1D1Z1所在平面至其经过目标点P1(x,y,z)所需转动的角度为α1,以X1轴为转轴,旋转X1D1Y1所在平面至其经过目标点P1所需转动的角度为β1
S323、得到D1P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1);
并且,D1P1所在直线的对称式方程表示为:
Figure BDA0002584484030000091
S33、确定D2P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2),具体包括以下步骤:
S331、以第二球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X2Y2Z2
S332、以Z2轴为转轴,旋转Y2D2Z2所在平面至其经过目标点P1所需转动的角度为α2,以X2轴为转轴,旋转X2D2Y2所在平面至其经过目标点P1所需转动的角度为β2
S333、得到D2P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2);
并且,D2P1所在直线的对称式方程表示为:
Figure BDA0002584484030000092
S34、联立方程(1)和方程(2),解得(x,y,z),即为目标点P1在三维坐标系XYZ中的坐标,得点P1的坐标为(xp1,yp1,zp1);
S35、重复上述步骤,计算得出P2在三维坐标系中的坐标,得点P2的坐标为(xp2,yp2,zp2)。
经过软件计算得出P1的坐标为(xp1,yp1,zp1),P2的坐标为(xp2,yp2,zp2),然后根据计算公式
Figure BDA0002584484030000101
将数据代入公式中,即可算的点P1和点P2之间的距离。
在上述中,X1轴、X2轴平行于X轴,Y1轴、Y2轴平行于Y轴,Z1轴、Z2轴平行于Z轴。
同理,上述的定位方法无法定位位于第一拍摄站点和第二拍摄站点的连线之上的目标点。
为此,在本定位方法中,拍摄站点分为第一拍摄站点、第二拍摄站点和第三拍摄站点,此时的全景三维成像系统可定位空间任一目标点的坐标。
以下以同时需要对空间若干个目标点P1、P2、P3,进行定位举例说明如何实现空间任一目标点的定位工作,其中,P1位于第一拍摄站点和第二拍摄站点上的全景相机的球心连线的所在直线上,P2位于第一拍摄站点和第三拍摄站点上的全景相机的球心连线的所在直线上,P3位于第二拍摄站点和第三拍摄站点上的全景相机的球心连线的所在直线上。
利用第一拍摄站点和第三拍摄站点的组合或者利用第二拍摄站点和第三拍摄站点的组合,并利用本定位方法,即可定位目标点P1的坐标。
利用第一拍摄站点和第二拍摄站点的组合或者利用第一拍摄站点和第三拍摄站点的组合,并利用本定位方法,即可定位目标点P2的坐标。
利用第一拍摄站点和第二拍摄站点的组合或者利用第二拍摄站点和第三拍摄站点的组合,并利用本定位方法,即可定位目标点P3的坐标。
由此解决仅设置两个拍摄站点时,当目标点位于两个拍摄站点的球心连线之上时,便无法定位目标点的问题。
本实施例中,通过将拍摄的全景图像导入到处理软件中,并且快速地建立空间直角坐标系,并且根据已经测量的拍摄站点在实际坐标中的坐标位置确定比例尺,通过在全景图像中选取两个目标点,可以快速计算得出两个点的坐标,并且计算出两个点对应目标点在现实世界中的距离。能够直接在全景图像上进行测绘信息采集,测量步骤简单,测量精度高。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在目标场所内选取至少两个拍摄站点,通过在拍摄站点设置全景相机对目标场所进行全景图像的拍摄;
S2、选取空间中的任一点为原点,建立空间直角坐标系,测量拍摄站点在坐标系中的实际坐标位置;
S3、拾取全景图像中的点P1和点P2,并计算点P1和点P2在坐标系中的坐标位置;
S4、根据点P1和点P2的空间坐标位置,计算得出点P1与P2之间的实际距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S1中,所述拍摄站点设置三个,分别为第一拍摄站点、第二拍摄站点和第三拍摄站点,且三个拍摄站点不在同一直线上,且所计算的目标点至少出现在其中两个拍摄站点所拍摄的全景图像中。
3.根据权利要求2所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,三个所述拍摄站点用一个全景相机分时拍摄或每个拍摄站点对应设置一个全景相机。
4.根据权利要求3所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S2中,空间直角坐标系的原点选取在与三个全景相机距离相等的位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S3中,计算点P1和点P2在空间直角坐标系中的方法如下:
S31、在空间中任取一点作为坐标原点O(0,0,0)建立三维坐标系XYZ,经实地测量,得到第一球形摄像机的球心坐标D1(a1,b1,c1),第二球形摄像机的球心坐标D2(a2,b2,c2),设点P1的坐标为P1(x,y,z);
S32、确定D1P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1);
S33、确定D2P1所在直线的其中一个方向向量,由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2);
S34、联立方程(1)和方程(2),解得(x,y,z),即为点P1在三维坐标系XYZ中的坐标,得点P1的坐标为(xp1,yp1,zp1);
S35、重复上述步骤,计算得出P2在三维坐标系中的坐标,得点P2的坐标为(xp2,yp2,zp2)。
6.根据权利要求5所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S32中,确定D1P1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤:
S321、以第一球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X1Y1Z1
S322、以Z1轴为转轴,旋转Y1D1Z1所在平面至其经过点P1(x,y,z)所需转动的角度为α1,以X1轴为转轴,旋转X1D1Y1所在平面至其经过点P1所需转动的角度为β1
S323、得到D1P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1)。
7.根据权利要求5所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S33中,确定D2P1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤:
S331、以第二球形摄像机的球心作为坐标原点建立三维坐标系X2Y2Z2
S332、以Z2轴为转轴,旋转Y2D2Z2所在平面至其经过定位点P1所需转动的角度为α2,以X2轴为转轴,旋转X2D2Y2所在平面至其经过定位点P1所需转动的角度为β2
S333、得到D2P1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2)。
8.根据权利要求5所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,在步骤S5中,点P1与点P2之间的距离计算公式为
Figure FDA0002584484020000031
9.根据权利要求5所述的一种基于全景图像的空间点对点距离测算方法,其特征在于,当点P1或点P2位于第一拍摄站点和第二拍摄站点的球心连线的所在直线上时,利用第一拍摄站点和第三拍摄站点的组合或者利用第二拍摄站点和第三拍摄站点的组合,计算定位点P1或P2的坐标。
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