CN111854622B - 一种大视场光学动态变形测量方法 - Google Patents

一种大视场光学动态变形测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大视场光学动态变形测量方法，包括以下步骤：S1：安装设备，将至少两台相机与计算机进行连接；S2：布置靶标，在被测物体表面粘贴靶标；或，在被测物体表面及在被测物体周围粘贴靶标；S3：测量每台相机与多个靶标之间的距离；S4：计算每台相机的外参数；S5：变形测量，根据相机外参数进行三维重建，拍摄实际被测物体的变形过程，对每个变形状态中的每台相机所拍摄图像进行靶标坐标三维重建，获得被测物体在变形过程中的变形数据。本发明可以实现大视场范围内的相机标定和变形测量，便于在桥梁检测、风力巡检、电力维护、地质研究、灾难救援、国防等领域进行推广应用。

Description

一种大视场光学动态变形测量方法
技术领域
本发明涉及一种变形测量方法，具体涉及一种大视场光学动态测量方法。
背景技术
随着人类工程的拓展，桥梁、风电等大型工程、大型设备的使用数量增加，对于大视场(大于10m)内的变形测量需求越发迫切。现有的接触式测量手段布置成本高，环境抗干扰能力弱，无法满足大视场变形测量要求。光学测量手段目前越来越多的应用的变形测量，但是如传统多相机标定方法(张正友标定方法或基于摄影测量方法等)，存在测量幅面有限，需要定制对应大视场幅面的大尺寸标定板，大尺寸标定板的加工制造及摆放难度极大，并且大尺寸标定装置自身的刚度问题会导致标定精度偏低，无法满足大视场测量要求；如使用摄影测量等光学测绘方法，测量幅面大但是每次测量时要求被测物体静止，无法满足动态变形测量的要求。本发明通过光心求解方法和激光三角法，实现了靶标光轴投影距离的快速确定，并基于靶标中心光轴投影距离实现了大视场内的相机外参数标定及三维重建，可以在桥梁检测、风力巡检、电力维护、地质研究、灾难救援、国防等领域具有重要的应用前景。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种易于操作、测量准确、快速高效的大视场光学动态测量方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大视场光学动态变形测量方法，包括以下步骤：
S1：安装设备，将至少两台相机与计算机进行连接；
S2：布置靶标，在被测物体表面粘贴靶标；或，在被测物体表面及在被测物体周围粘贴靶标；粘贴于被测物体表面的靶标既可以作为变形测量点也可以作为相机标定用靶标点；粘贴于被测物体周围的靶标仅作为相机标定用靶标点；
S3：测量每台相机与多个非共线靶标之间的距离；
S4：计算每台相机的外参数；
S5：变形测量，根据相机外参数进行三维重建，拍摄实际被测物体的变形过程，对每个变形状态中的每台相机所拍摄图像进行靶标坐标三维重建，获得被测物体在变形过程中的变形数据。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，在步骤S1中：所有相机采集的幅面可以覆盖被测大视场幅面。
作为优选的方案，步骤S2具体包括以下内容：
S2.1：在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点；或，在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点以及在被测物体周围粘贴用于相机标定的靶标；
S2.2：保证每两台相机之间可以同时看到至少五个相同靶标。
作为优选的方案，步骤S2还包括以下内容：S2.3：在标定用靶标的中心进行标记。
作为优选的方案，步骤S3为：测量每台相机与至少五个靶标之间的距离。
作为优选的方案，步骤S3具体包括以下内容：
S3.1：基于镜头参数和相机感光传感器的安装位置，计算每台相机光心位置；
S3.2：将测距仪器放置于其中一台相机光心位置相对光轴垂直的位置；
S3.3：测距仪器使用三角测距法指向光心，得到测距结果，将测距结果补偿镜头的半径即为光心距测距仪器之间的距离；
S3.4：使用三角测距法计算光心与靶标中心的间距；
S3.5：重复步骤S3.2-S3.4，直至得到每台相机与每个标定用靶标之间的距离。
作为优选的方案，测距仪器为全站仪或激光测距仪。
作为优选的方案，步骤S4具体包括以下内容：
S4.1：每台相机拍摄图像；
S4.2：基于每台相机所拍摄图像内的靶标中心二维图像坐标和每台相机光心距每个标定靶标中心距离，计算各个靶标相对各台相机的光轴投影距离，根据镜头焦距参数构建成像立方体对应关系，计算成像系统内的成像点距光心距离与实际靶标距离光心距离的比例，计算靶标光轴投影长度；
S4.3：将光轴投影长度代入共线方程，求解相机成像矩阵关系，计算每台相机的外参数矩阵。
作为优选的方案，相机的外参数矩阵包括：
相机旋转矩阵，表示相机之间的光轴夹角关系；
相机平移矩阵，表示相机之间的光心间距。
作为优选的方案，步骤S5具体包括以下内容：
S5.1：通过步骤S4的相机外参数，计算两个相机之间的投影矩阵；
S5.2：根据同一靶标在不同相机中的二维坐标，使用所计算的投影矩阵计算所对应靶标的三维坐标；
S5.3：将被测物体变形过程中所拍摄的各变形状态下的每台相机拍摄的图像进行三维重建，根据相机拍摄次序及时间关系，计算被测物体的变形。
本发明可以实现大视场范围内的相机标定和变形测量，便于在桥梁检测、风力巡检、电力维护、地质研究、灾难救援、国防等领域进行推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大视场光学动态变形测量方法的流程步骤图。
图2为本发明实施例提供的相机、靶标中心以及测距仪器布置局部示意图。
其中：1-相机，11-感光传感器安装位置，12-镜头安装环前端面位置，13-光心位置，2-靶标中心，3-测距仪器。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，一种大视场光学动态变形测量方法的其中一些实施例中，如图1所示，一种大视场光学动态变形测量方法，包括以下步骤：
S1：安装设备，将至少两台相机1与计算机进行连接；
S2：布置靶标，在被测物体表面粘贴靶标；或，在被测物体表面及在被测物体周围粘贴靶标；粘贴于被测物体表面的靶标既可以作为变形测量点也可以作为相机标定用靶标点；粘贴于被测物体周围的靶标仅作为相机标定用靶标点；
S3：测量每台相机与至少五个非共线靶标之间的距离；
S4：计算每台相机的外参数；
S5：变形测量，根据相机外参数进行三维重建，拍摄实际被测物体的变形过程，对每个变形状态中的每台相机所拍摄图像进行靶标坐标三维重建，获得被测物体在变形过程中的变形数据。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在步骤S1中：所有相机采集的幅面可以覆盖被测大视场幅面。
在具体实施过程中，应该保证相机能正常打开，且相机快门等参数应调节合适可以清晰记录被测物体。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，步骤S2具体包括以下内容：
S2.1：在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点；或，在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点以及在被测物体周围粘贴用于相机标定的靶标；
S2.2：保证每两台相机之间可以同时看到至少五个相同靶标。
采用上述优选的实施方式，在步骤S2.1中，在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点，如测量点偏少则可在被测物体周围粘贴靶标用于后续相机标定，但被测物体周围靶标不进行变形解算。
进一步，步骤S2还包括以下内容：
S2.3：在标定用靶标的中心进行标记。
采用上述优选的实施方式，步骤S2.3在靶标的中心进行标记，以便步骤S3测距使用。值得注意的是，此处的标定用靶标中心需要标定，非标定使用的变形测量点中心若没有特性要求，可标记也可标记，根据具体情形决断。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，步骤S3具体包括以下内容：
S3.1：基于镜头参数和相机感光传感器的安装位置，计算每台相机光心位置；
S3.2：将测距仪器3放置于其中一台相机光心位置相对光轴垂直的位置；
S3.3：测距仪器3使用三角测距法指向光心，得到测距结果，将测距结果补偿镜头的半径即为光心距测距仪器之间的距离；
S3.4：使用三角测距法计算光心与靶标中心的间距；
S3.5：重复步骤S3.2-S3.4，直至得到每台相机1与每个标定用靶标之间的距离。
测距仪器3可以为，但不限于全站仪或激光测距仪。
采用上述优选的实施方式，测量相机1与靶标中心间距。
下面对步骤S3进行详细的举例描述：
基于镜头参数和相机感光传感器的安装位置11，计算每台相机1光心位置13，根据相机机械装配图纸，获得感光传感器距离镜头安装环端面12的距离，根据所使用的镜头焦距计算光心在镜头上的对应位置：
Lf＝LCam+L2
其中，Lf为镜头的焦距，本实施例使用16mm镜头，即Lf为16mm；
Lcam为感光传感器距离相机镜头环前端的位置，可在相机机械装配图中查询，本实施例所使用相机的Lcam为7mm，因此可计算得到光心距离相机镜头环前端距离L2为9mm，标记镜头上距离相机镜头环前端距离9mm处为光心位置13，可在镜头该位置处画一圈，标记光心所对应的镜头位置。
类似，可以用相机外壳等与光学传感器的距离作为Lcam的值，本实施例使用相机镜头环前端仅是为了测量光心距离L2方便。
使用激光测距仪或全站仪等测距仪器3，测量并记录每台相机1光心与5个以上靶标中心2的距离。
测距仪器3应放置于光心位置13相对光轴垂直位置，测距仪器3使用三角测距法指向光心时仅需将测距结果补偿镜头的半径，即为光心距测距仪器3距离LO-D。测距仪器3距靶标中心2的距离为LT-D，示意图如图2所示。
使用三角测距法进行光心与靶标中心2的间距测量，使用基于余弦定理的三角测距法，计算靶标中心2与光心位置13间的距离为：
Figure GDA0003392974790000071
其中，θ为测距仪器3位置与光轴和靶标位置的连线，可由全站仪或激光测距仪自带的测角功能获得。使用此方法依次获得每台相机距离每个标定用靶标的距离。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，步骤S4具体包括以下内容：
S4.1：每台相机拍摄图像；
S4.2：基于每台相机所拍摄图像内的靶标中心二维图像坐标和每台相机光心距每个标定靶标中心距离，计算各个靶标相对各台相机的光轴投影距离，根据镜头焦距参数构建成像立方体对应关系，计算成像系统内的成像点距光心距离与实际靶标距离光心距离的比例，计算靶标光轴投影长度；
S4.3：将光轴投影长度代入共线方程，求解相机成像矩阵关系，计算每台相机的外参数矩阵。
进一步，相机的外参数矩阵包括：
相机旋转矩阵，表示相机之间的光轴夹角关系；
相机平移矩阵，表示相机之间的光心间距。
采用上述优选的实施方式，计算相机外参数。
下面对步骤S4进行详细的举例描述：
首先，各台相机拍摄图像，基于每台相机所拍摄图像内的靶标中心二维图像坐标和每台相机光心距每个标定靶标的距离(即步骤S3中所获得距离)，进行各个靶标相对各台相机的光轴投影距离计算，构建各台相机的靶标信息数据矩阵：
Figure GDA0003392974790000072
其中：i表示第i个相机，1～n表示相机所对应的n个标定用靶标，(X1，Y1)为第1个靶标中心点在相机拍摄图像中的二维图像坐标。
靶标中心点解算可根据不同靶标进行，多为十字中心靶标或圆形靶标，靶标中心解算为图像光学成熟技术，本实施例使用圆形靶标中心拟合算法获得靶标中心点二维坐标，在第i个相机所拍摄的图像中，可以获得所对应的n个靶标的中心点坐标，LOi-T1为第i个相机对应第1个靶标中心的光心与靶标中心的距离(步骤S3中获得)，类似方式获得所对应的n个靶标的中心点距第i个相机光心的距离。
然后，对靶标中心坐标进行处理，将矩阵第一列和第二列的n个靶标点的坐标，使用相机内参数修正的方式进行，内参数修正方式可根据相机内参数模型进行，可使用张正友或类似张正友标定方法，或摄影测量法构建的多参数模型(一般为10参数模型，也有大于10个参数或小于10个参数的相机内参数模型)，这一步骤为光学相机标定及摄影测量的成熟方法，本实施例使用10参数相机模型的内参数校正方法，获得n个靶标中心的校正后的去畸变坐标(X’1，Y’1)～(X’n，Y’n)。
然后，计算靶标中心在相机光轴中的投影距离。根据步骤S3中所获得的相机光心与靶标中心距离，和步骤S4中所获得的去畸变后的中心坐标，计算靶标中心在相机光轴中的投影距离Zc：
Figure GDA0003392974790000081
其中：f为相机所使用镜头的焦距值；
X’和Y’为校正后的靶标中心去畸变坐标；
LO-T为步骤S3中所获得的靶标中心距光心间距。
使用校正后的靶标中心二维图像坐标和光轴投影距离Zc，重构矩阵M：
Figure GDA0003392974790000082
最后，重构所有相机的M矩阵后，进行每台相机外参数求解。
在所有相机中两两一组进行外参数求解，为了保证相机坐标系统一，选择任一相机作为参考相机，计算其他相机相对其的外参数，本实施例中选择第1个相机作为参考相机，以第i个相机相对于第1个相机的外参数求解，表示所有相机相对于第1个相机的外参数求解，定义旋转矩阵Ri为3X3的矩阵，表征第i个相机相对第1个相机的旋转关系，定义平移矩阵Ti为3X1的矩阵，表征第i个相机相对第1个相机的平移关系。则：
Figure GDA0003392974790000091
其中，
Figure GDA0003392974790000092
为第1个相机的重构矩阵M的转置矩阵，
Figure GDA0003392974790000093
为第i个相机的重构矩阵的转置矩阵，最终结果为4X4的矩阵MRes，旋转矩阵R为：
Figure GDA0003392974790000094
平移矩阵T为：
Figure GDA0003392974790000095
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，步骤S5具体包括以下内容：
S5.1：通过步骤S4的相机外参数，计算两个相机之间的投影矩阵；
S5.2：根据同一靶标在不同相机中的二维坐标，使用所计算的投影矩阵计算所对应靶标的三维坐标；
S5.3：将被测物体变形过程中所拍摄的各变形状态下的每台相机拍摄的图像进行三维重建，根据相机拍摄次序及时间关系，计算被测物体的变形。
采用上述优选的实施方式，变形测量。
下面对步骤S5进行详细的举例描述：
首先，随着被测物体变形，各台相机同步拍摄被测物体的变形图像，本实施例中使用同步触发信号控制相机同步，也可使用相机图像流等方式进行被测物体变形图像的拍摄采集。基于被测物体上靶标点中心的改变，使用旋转矩阵R和平移矩阵T进行靶标中心三维坐标的重建，重建方法为：
1)选取同一靶标在两个相机中同时出现并成功计算靶标中心点的情况；
2)同步骤S4中将所获得的靶标点中心坐标去畸变，获得去畸变后的靶标中心，两个相机分别表示为Ca和Cb，则去畸变后的靶标中心坐标对应为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；
3)构建两个相机的投影矩阵：Ma＝[Ra|ta]和Mb＝[Rb|tb]，
其中：Ra和Rb为两个相机对应的旋转矩阵，t矩阵可根据相机对应的平移矩阵T获得：
Figure GDA0003392974790000101
4)靶标中心的三维坐标为：
Figure GDA0003392974790000102
其中，(PX,PY,PZ)为靶标中心的三维坐标,
Figure GDA0003392974790000111
Figure GDA0003392974790000112
进一步，为了提高精度可以对多组相机所计算结果进行平差，以获得更高精度的三维重建结果。
5)根据靶标中心三维坐标的改变可以计算出不同变形状态下的被测物体运行情况，与变形起始前所拍摄的参数状态的三维点坐标进行比较，在X、Y和Z方向的差值即为被测物体在靶标点处的变形情况。
本发明具有以下有益效果：
第一，本发明使用全站仪或激光测距仪等远距离测距仪器3，可以实现大视场范围内的相机标定和变形测量，便于在桥梁检测、风力巡检、电力维护、地质研究、灾难救援、国防等领域进行推广应用。
第二，本发明使用光轴投影法相机标定原理，使用测距仪器3实现了光心与被测靶标中心距离的快速测量，便于进行大视场范围的高精度相机标定和三维重建。
第三，本发明使用相机通过图像采集对大视场变形进行测量的方法，适用于多测点系统的实时高速测量。
第四，本发明对系统需求简单，数据处理软件自动进行分析校正，成本相对较低，测量结果丰富，测量局限性小，为桥梁检测、风力巡检、电力维护、地质研究、灾难救援、国防等领域提供了可靠的测量依据。
第五，采用本发明的方法，其现场数据可在线处理，在检测过程中测量方便，计算完全自动化，测量周期较短，大幅度的提高了大视场测量的效率。
第六，本发明提出的测量方法是一种非接触式的光学测量方法。
为了更好的表明本发明提出方法的有效性，将本发明对现有技术1-2进行对比。
现有技术1为申请号为：200910236215.2，发明名称为一种天线变形测量方法的发明专利。
现有技术2为申请号为：201310699938.2，发明名称为一种基于多相机匹配的三维变形测量方法的发明专利。
现有技术1需要基于不动参考点进行多次摄影测量重建的对齐，从而计算变形，在每个变形状态时，要求被测物体保证一定时间的静止，从而进行多角度的相机拍摄，采集足够的多角度相机图像进行三维变形测量，但是本发明可以实现在变形过程中的连续拍摄，不需要被测物体在变形过程中人为暂停，可以实时测量被测物体在连续变形过程的变形，并且本发明所有的靶标点仅在标定步骤时保持一个状态的相对关系即可，在变形过程中所有靶标点发生位置改变不会影响测量精度和结果。
现有技术2相机相对关系的求取仍为传统的摄影测量标定方法，需要使用标定装置进行标定，在大视场标定时，为了标定的顺利进行，需要制备对应尺寸的标定装置，随着视场空间的增大，标定装置的加工制造及摆放难度极大，并且大尺寸标定装置自身的刚度问题会导致标定精度偏低，本发明为了解决这一问题提出了一种便于实现的光轴投影距离的相机标定方法，可借助被测物体实现每台相机一幅图像即可实现标定的目的，大大简化了标定流程和解决了大视场标定装置制造和使用的问题。
以上多种实施方式可交叉并行实现。
对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：安装设备，将至少两台相机与计算机进行连接；
S2：布置靶标，在被测物体表面粘贴靶标；或，在被测物体表面及在被测物体周围粘贴靶标；粘贴于被测物体表面的靶标既可以作为变形测量点也可以作为相机标定用靶标点；粘贴于被测物体周围的靶标仅作为相机标定用靶标点；
S3：测量每台相机与多个非共线靶标之间的距离；
S4：计算每台相机的外参数；
S5：变形测量，根据相机外参数进行三维重建，拍摄实际被测物体的变形过程，对每个变形状态中的每台相机所拍摄图像进行靶标坐标三维重建，获得被测物体在变形过程中的变形数据；
所述步骤S3具体包括以下内容：
S3.1：基于镜头参数和相机感光传感器的安装位置，计算每台相机光心位置；
S3.2：将测距仪器放置于其中一台相机光心位置相对光轴垂直的位置；
S3.3：测距仪器使用三角测距法指向光心，得到测距结果，将测距结果补偿镜头的半径即为光心距测距仪器之间的距离；
S3.4：使用三角测距法计算光心与靶标中心的间距；
S3.5：重复步骤S3.2-S3.4，直至得到每台相机与每个标定用靶标之间的距离；
所述步骤S4具体包括以下内容：
S4.1：每台相机拍摄图像；
S4.2：基于每台相机所拍摄图像内的靶标中心二维图像坐标和每台相机光心距每个标定靶标中心距离，计算各个靶标相对各台相机的光轴投影距离，根据镜头焦距参数构建成像立方体对应关系，计算成像系统内的成像点距光心距离与实际靶标距离光心距离的比例，计算靶标光轴投影长度；
S4.3：将光轴投影长度代入共线方程，求解相机成像矩阵关系，计算每台相机的外参数矩阵；
所述步骤S5具体包括以下内容：
S5.1：通过所述步骤S4的相机外参数，计算两个相机之间的投影矩阵；
S5.2：根据同一靶标在不同相机中的二维坐标，使用所计算的投影矩阵计算所对应靶标的三维坐标；
S5.3：将被测物体变形过程中所拍摄的各变形状态下的每台相机拍摄的图像进行三维重建，根据相机拍摄次序及时间关系，计算被测物体的变形。
2.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中：所有相机采集的幅面可以覆盖被测大视场幅面。
3.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下内容：
S2.1：在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点；或，在被测物体表面粘贴靶标作为变形测量点以及在被测物体周围粘贴用于相机标定的靶标；
S2.2：保证每两台相机之间可以同时看到至少五个相同靶标。
4.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下内容：
S2.3：在标定用靶标的中心进行标记。
5.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，所述步骤S3为：测量每台相机与至少五个靶标之间的距离。
6.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，所述测距仪器为全站仪或激光测距仪。
7.根据权利要求1所述的大视场光学动态变形测量方法，其特征在于，所述相机的外参数矩阵包括：
相机旋转矩阵，表示相机之间的光轴夹角关系；
相机平移矩阵，表示相机之间的光心间距。
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