CN112272272B - 一种成像方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像方法及其装置，涉及成像技术领域，本发明包括基座和相机，所述基座上设置有旋转台，旋转台上通过支撑组件安装有电动平移台，相机安装在电动平移台上并可沿相机的主光轴方向前后移动，还包括控制相机移动和控制旋转台转动的控制系统；本发明具有结构简单，相机根据变相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律进行反向等距位移补偿，相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变。

Description

一种成像方法及其装置
技术领域
本发明涉及成像技术领域，更具体的是涉及补偿光心位移的成像方法及其装置的技术领域。
背景技术
在全景成像中，相机以镜头光心为旋转中心环绕成像是一种没有视差的最优方案。现有的全景成像技术是预先调整相机镜头光心处于旋转原点上，然后再进行全景拍摄。但是如果在全景成像过程中，镜头焦距、调焦保持固定不变的模式下，当环绕成像视场内的目标距离变化超过了镜头原来固定的景深范围时，就会使这些目标的图像模糊，如果为了使超出景深范围的景物保持清晰，就需要调整镜头焦距或/和对焦，这一过程就会导致相机镜头的光心偏离旋转原点，这样拍摄的全景图像就不具有相同的视角点，拼接的全景图像中会有重影或错位。故设计一种在全景成像过程中随相机调焦或/和对焦，相机光心位置保持不脱离旋转原点的成像装置。
另外一种应用是具有光心位移补偿功能的相机与一组激光测距仪组构成一套成像系统。一组激光测距仪的射线簇与相机的构象光线形成了确定的空间几何关系，这样利于每一幅图像独立的几何校正与投影变换。在用于需要保持目标图像具有相近的比例尺，而成像距离又处于变化的情况下，就需要根据成像距离调节相机焦距。焦距变化引起镜头光心沿主光轴的位移，破坏了激光测距仪的射线簇与相机的构象光线此前形成的确定的空间几何关系，为避免由于相机焦距变化以及附带的对焦导致光心偏离原光心位置，破坏激光测距仪的射线簇与相机的构象光线调焦前形成的确定的空间几何关系，故设计一种成像装置，在成像过程中相机在成像装置坐标系里光心位置不会随相机调焦或/和对焦而偏离原空间点位置。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有成像系统在调整镜头焦距/和对焦时，导致光心偏离旋转原点的技术问题，本发明提出一种补偿光心位移的成像方法和装置：通过反向运动移动相机，保持相机光心在成像系统里的空间位置不变或可以忽略的误差内。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、根据相机镜头光心位移与调焦或/和对焦的关系，建立电动平移台根据相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律或/和函数关系数据组；
步骤2、相机、固定相机的电动平移台以及控制相机成像参数调节和控制电动平移台运动的控制系统构成成像装置；将步骤1光心位移量和电动平移台驱动参数输入控制系统；
步骤3、相机在成像过程中，相机镜头变焦和/或调焦引起相机镜头光心位移的同时，电子控制系统驱动固定相机的电动平移台滑块进行反向位移补偿，使相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变。
步骤1中，相机变焦和/或调焦变化与镜头光心位移变化的规律，通过以下3种方式的任意一种或任意2种方法或任意3种方法交互辅助可以获得相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律：
方式一：通过相机厂商提供的精密的光心位移距离与焦距调焦或/和对焦的数据集；
方法二：在检校场内建立安装成像装置的基座，基座包括一维或二维或三维旋转机构，且一维旋转中心或二维旋转中心或三维旋转中心共心；建立多组以旋转中心为原点的射线簇，以旋转中心为原点沿射线簇方向环形或扇形或球面形设置不同距离的标志图案；每条射线上至少包括3个特征点，第一步：将相机镜头置于一维或二维或三维旋转机构里，采用全景成像方法，将相机光心调节到旋转中心，完成光心归零，记录光心归零状态时电动平移台的滑块位置作为电动平移台的零点位置；第二步：调节相机镜头到指定的不同焦距或成像距离上并清晰成像，这一调节过程导致相机光心脱离旋转中心，通过电动平移台滑台移动相机，使相机光心回到旋转中心，记录相机镜头焦距或/和成像距离以及驱动电动平移台滑台移动的距离。
方式三：在相机镜头上增加至少一个激光测距仪，针对不同距离目标的清晰成像对镜头进行调焦或/和对焦，同时将对应的成像目标距离激光测距值与镜头光心位移变化量建立对应的数据集。
方式二中,基于射线簇的构象关系，射线上的特征点在检校过程中其空间位置是不变的，目标可以是自然目标或/和人造目标。
方式二中，所述检校场射线簇位于旋转中心和最远标志图案特征点之间的特征标志图案特征点可以是基于特征标志图案特征实体线的延长线确定的点位，射线上多个图案特征不能被遮掩。
一种实施成像方法的装置，包括基座和相机，所述基座上设置有旋转台，旋转台上通过支撑组件安装有电动平移台，电动平移台滑台上安装3维6自由度的调节机构，相机安装在电动平移台上3维6自由度的调节机构上；电动平移台滑台、3维6自由度的调节机构、相机可沿相机的主光轴方向前后移动；成像装置还包括控制相机在3维6自由度的调节机构上的机械运动、电动平移台滑台运动和控制一维或二维或三维旋转台旋转的控制系统。
所述支撑组件为“U形架”或“口字型支架”，电动平移台的底座安装在“U形架”内或“口字型支架”内，电动平移台底座与“U形架”或“口字型支架”连接部分具有3维6自由度调节机构，三维6自由度调节机构与控制系统电连接,相机光心位于旋转中心。
相机平行主光轴方向至少设置有一个激光测距仪，激光测距仪的值是控制相机移动的自变量。
相机与激光测距仪可以共用一个光学系统。
激光测距仪射线簇与相机光心具有确定的空间关系，相机通过电动平移台滑台与光心位移方向的反向移动，保持激光测距仪射线簇与相机光心的确定的空间关系不变。
本发明的有益效果如下：
相机安装在电动平移台上，可在相机变焦/调焦后调整相机在电动平移台上的位置，相机根据相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律进行反向等距位移补偿，使相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变，这一过程使相机镜头的光心偏离后又回到旋转中心，这样拍摄的全景图像就具有相同的视角点，拼接的全景图像中不会存在重影或错位。
通过将相机与激光测距仪组或/和激光投线仪组、姿态传感器、位置传感器组合为一个成像装置，集成在成像装置里的各个部件与成像装置结构件刚性连接，激光测距仪的射线簇与相机的构象光线形成确定的空间几何关系，其参数用于单张图像自身几何校正、比例尺校正、投影变换。在用于需要保持目标图像具有相近的比例尺，而成像距离又处于变化的情况下，需要根据成像距离调节相机焦距的应用场景里，相机焦距变化或/和调焦引起镜头光心沿主光轴的位移，破坏了激光测距仪的射线簇与相机的构象光线此前形成的确定的空间几何关系，不能实现单张图像几何校正、比例尺校正、投影变换的目的。为避免由于相机焦距变化以及附带的对焦导致光心偏离原光心位置，破坏激光测距仪的射线簇与相机的构象光线调焦前形成的确定的空间几何关系，故设计一种成像装置，在成像过程中相机在成像装置坐标系里光心位置不会随相机调焦或/和对焦而偏离原空间点位置。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的另一种结构示意图；
图3特征图案(远距离)；
图4方形特征图案(近距离)；
图5菱形特征图案(中距离)；
图6在一条射线上重叠后的视觉效果(3个特征图案中心处于同一条射线上)；
图7相机与激光测距仪一个共用镜头原理图
附图标记：1-基座，2-旋转台，3-支撑组件，4-电动平移台，4-1-滑块，5-相机，6-激光测距仪，7-带阻反射镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
本实施例提出一种成像方法，包括如下步骤：
步骤1、根据相机镜头光心位移与调焦或/和对焦的关系，建立电动平移台根据相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律或/和函数关系数据组；
步骤2、相机、固定相机的电动平移台以及控制相机成像参数调节和控制电动平移台运动的控制系统构成成像装置；将步骤1光心位移量和电动平移台驱动参数输入控制系统；
步骤3、相机在成像过程中，相机镜头变焦和/或调焦引起相机镜头光心位移的同时，电子控制系统驱动固定相机的电动平移台滑块进行反向等距位移补偿，使相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变。
步骤1中，相机变焦和/或调焦变化与镜头光心位移变化的规律，通过以下3种方式的任意一种或任意2种方法或任意3种方法交互辅助可以获得相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律：
方式一：通过相机厂商提供的精密的光心位移距离与焦距调焦或/和对焦的数据集；
方法二：在检校场内建立安装成像装置的基座，基座包括一维或二维或三维旋转机构，且一维旋转中心或二维旋转中心或三维旋转中心共心；建立多组以旋转中心为原点的射线簇，以旋转中心为原点沿射线簇方向环形或扇形或球面形设置不同距离的标志图案；每条射线上至少包括3个特征点，第一步：将相机镜头置于一维或二维或三维旋转机构里，采用全景成像方法，将相机光心调节到旋转中心，完成光心归零，记录光心归零状态时电动平移台的滑块位置作为电动平移台的零点位置；第二步：调节相机镜头到指定的不同焦距或成像距离上并清晰成像，这一调节过程导致相机光心脱离旋转中心，通过电动平移台滑台移动相机，使相机光心回到旋转中心，记录相机镜头焦距或/和成像距离以及驱动电动平移台滑块移动的距离。
方式三：在相机镜头上增加至少一个激光测距仪，针对不同距离目标的清晰成像对镜头进行调焦或/和对焦，同时将对应的成像目标距离激光测距值与镜头光心位移变化量建立对应的数据集。
方式二中,基于射线簇的构象关系，射线上的特征点在检校过程中其空间位置是不变的，目标可以是自然目标或/和人造目标。
方式二中，所述检校场射线簇位于旋转中心和最远标志图案特征点之间的特征标志图案特征点可以是基于特征标志图案特征实体线的延长线确定的点位，射线上多个图案特征不能被遮掩，图3为以旋转中心为原点的射线上三个特征图案的远距离特征图案，图4为同一条射线上三个特征图案的近距离特征图案，图5为同一条射线上三个特征图案的中距离特征图案，图6为同一条射线上三个特征图案的沿射线形成的重叠图案。
相机安装在电动平移台上，可在相机变焦前后调整相机在电动平移台上的位置，根据相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律进行反向位移补偿，相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变，这一过程使相机镜头的光心偏离后又回到旋转中心，这样拍摄的全景图像就具有相同的视角点，拼接的全景图像中会不会存在重影或错位。
实施例2
一种实施成像方法的装置，包括基座1和相机5，所述基座1上设置有旋转台2，旋转台2上通过支撑组件3安装有电动平移台4，电动平移台滑台上安装3维6自由度的调节机构，相机5安装在电动平移台43维6自由度的调节机构上，电动平移台滑台4-1、3维6自由度的调节机构、相机5可沿相机5的主光轴方向前后移动，成像装置还包括控制相机5在3维6自由度的调节机构上的机械运动、电动平移台滑台运动和控制一维或二维或三维旋转台2旋转的控制系统。
所述支撑组件3为“U形架”或“口字型支架”，电动平移台4的底座安装在“U形架”内或“口字型支架”内，电动平移台底座与“U形架”或“口字型支架”连接部分具有三维6自由度调节机构，三维6自由度调节机构与控制系统电连接,相机光心位于旋转中心。
相机平行主光轴方向至少设置有一个激光测距仪，激光测距仪的值是控制相机移动的自变量。
激光测距仪与相机采用同一光学系统。
激光测距仪射线簇与相机光心具有确定的空间关系，相机通过电动平移台滑台与光心位移方向的反向移动，保持激光测距仪射线簇与相机光心的确定的空间关系不变。
实施例3
基于上述具有镜头光心位移补偿的成像部件，与一组激光投点仪或/和一组激光投线仪,激光测距仪集成在一起的校正图案生成部件集成为一套成像装置。各个部件之间刚性连接。
成像装置包括电控精密移动平台，移动平台具有滑台、滑轨与底座，成像设备如相机与电控精密移动平台的滑台连接，移动平台的底座与成像装置连接，相机镜头主光轴与滑台移动矢量同方向，控制系统根据变焦和\或对焦时光心位移的位移矢量参数控制相机反向移动相同的距离。
对于距离远近变化的检测目标，采取不变的成像焦距会使图像几何分辨率发生变化，影响目标的细部特征精细度。但是如果多次成像时进行调焦/对焦会导致相机镜头光心的位移，破坏了镜头光心与校正图案的固定关系，通过检校形成的校正参数组在多张不同焦距图像进行校正时不能共用，并且调焦/对焦后不可能在成像检测作业过程中进行检校。成像装置里的相机安置在一个电动平移台的滑台上，以预先获得的调焦/对焦与镜头光心位移的对应关系作为控制信息，当发生调焦/对焦的同时控制系统控制电动平移台的滑台做反方向的等距移动，镜头光心在成像装置空间坐标系始终保持在固定的空间位置，其有益效果是镜头光心与激光测距仪、激光投线器的刚性空间关系得以保持不变，基于摄影测量技术检校形成的校正参数组可以共用。
相机与激光投点仪、激光投线仪刚性连接的结构同时保持激光测距仪、激光投线仪投射范围与成像相机视场重合。成像装置采集得到的待成像检测表面图像里包含校正图案的图像。
成像装置里的相机是获得图像的设备，配置在成像装置里的激光投点仪、激光投线仪是为了建立单张图像几何校正的校正图案,激光投点器采用激光测距仪。激光投线仪、激光测距仪与相机刚性连接后，其空间构象几何关系随即确定下来，基于摄影测量技术并通过检校形成具体的校正参数组，以及成像装置的外方位元素为单幅图像的快速校正提供基础数据。其有益效果是每一幅单幅图像被校正为同一比例尺后，更容易进行多图像的快速、正确镶嵌，可以实现基于图像对对病害、缺陷、瑕疵进行长度、面积、体积的精确量测。

Claims (6)

1.一种成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、根据相机镜头光心位移与调焦或/和对焦的关系，建立电动平移台根据相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律或/和函数关系数据组；
步骤2、相机、固定相机的电动平移台以及控制相机调焦或/和对焦及成像参数调节和控制电动平移台运动的控制系统构成成像装置；将步骤1光心位移量和电动平移台驱动参数输入控制系统；
步骤3、相机在成像过程中，相机镜头变焦和/或调焦引起相机镜头光心位移的同时，电子控制系统驱动固定相机的电动平移台滑块进行反向位移补偿，使相机镜头光心在成像装置内的位置保持不变；
步骤1中，相机变焦和/或调焦变化与镜头光心位移变化的规律，通过以下方式可以获得相机焦距变化与镜头光心位移变化的规律：
在检校场内建立安装成像装置的基座，基座包括一维或二维或三维旋转机构，且一维旋转中心或二维旋转中心或三维旋转中心共心；建立多组以旋转中心为原点的射线簇，以旋转中心为原点沿射线簇方向环形或扇形或球面形设置不同距离的标志图案；每条射线上至少包括3个特征点，第一步：将相机镜头置于一维或二维或三维旋转机构里，采用全景成像方法，将相机光心调节到旋转中心，完成光心归零，记录光心归零状态时电动平移台的滑块位置作为电动平移台的零点位置；第二步：调节相机镜头到指定的不同焦距或成像距离上并清晰成像，这一调节过程导致相机光心脱离旋转中心，通过电动平移台滑台移动使相机光心保持在旋转中心，记录相机镜头焦距或/和成像距离以及驱动电动平移台滑块移动的距离，进而建立镜头光心位移量与焦距变化、景深变化的关系数据集；
其中，基于射线簇的构象关系，射线上的特征点在检校过程中其空间位置是不变的，目标可以是自然目标或/和人造目标。
2.根据权利要求1所述的一种成像方法，其特征在于：所述检校场射线簇位于旋转中心和最远标志图案特征点之间的特征标志图案特征点可以是基于特征标志图案特征实体线的延长线确定的点位，射线上多个图案特征不能被遮掩。
3.一种实施权利要求1所述的成像方法的装置，包括基座(1)和相机(5)，其特征在于：所述基座(1)上设置有旋转台(2)，旋转台(2)上通过支撑组件(3)安装有电动平移台(4)，电动平移台滑台上安装3维6自由度的调节机构，相机(5)安装在电动平移台(4)3维6自由度的调节机构上，电动平移台滑台(4-1)、3维6自由度的调节机构、相机(5)可沿相机(5)的主光轴方向前后移动，成像装置还包括控制相机(5)在3维6自由度的调节机构上的机械运动、电动平移台滑台运动和控制一维或二维或三维旋转台(2)旋转的控制系统。
4.根据权利要求3所述一种实施成像方法的装置，其特征在于：所述支撑组件(3)为“U形架”或“口字型支架”，电动平移台(4)的底座安装在“U形架”内或“口字型支架”内，电动平移台底座与“U形架”或“口字型支架”连接部分具有三维6自由度调节机构，三维6自由度调节机构与控制系统电连接,相机光心位于旋转中心。
5.根据权利要求3所述一种实施成像方法的装置，其特征在于：相机平行主光轴方向至少设置有一个激光测距仪，激光测距仪的值是控制相机移动的自变量。
6.根据权利要求5所述一种实施成像方法的装置，其特征在于：激光测距仪射线簇与相机光心具有确定的空间关系，相机通过电动平移台滑台与光心位移方向的反向移动，保持激光测距仪射线簇与相机光心的确定的空间关系不变。
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