CN112710234A - 基于线阵面阵的三维动态测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种基于线阵面阵的三维动态测量装置及测量方法，属于视觉动态摄影测量领域，具体涉及面阵视觉系统与线阵视觉系统的测量装置及测量方法。本发明基于面阵摄像机获得的图像中靶标与线阵摄像机获得图像中的靶标对应关系，和计算得到的不同线阵摄像机获得图像中的靶标对应关系，据此计算得到靶标的三维坐标。

Description

基于线阵面阵的三维动态测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于视觉动态摄影测量领域，涉及面阵视觉系统与线阵视觉系统的测量装置及测量方法，特别涉及基于面阵摄像机获得的图像中靶标与线阵摄像机获得图像中的靶标对应关系，和计算得到的不同线阵摄像机获得图像中的靶标对应关系，据此计算得到靶标的三维坐标。

背景技术

物体空间三维坐标的动态测量能够应用于多个领域。物体三维坐标的动态测量可以基于多台面阵摄像机的立体视觉获得，或者基于多台线阵摄像机的立体视觉获得，也可以通过其它接触式传感器获得。与摄影测量相比较，接触式传感器的易用性和适应性相对较低。基于多台面阵摄像机的三体视觉可以进行动态测量，然而，高频率面阵传感器的价格较高；更重要的是，由于数模转换的限制，在提高面阵传感器的采样频率的同时，需要降低其分辨率，从而降低了测量精度。基于多台线阵摄像机的立体视觉也能够得到动态三维测量，但是，被测区域内的光场在线阵传感器中被压缩至一维，图像中每一个像素对应被测区域中的一个平面，无法确定被测区域内的靶标对应关系。尽管可以采用分时主动发光靶标确定对应关系，然而这种途径无疑降低了线阵视觉系统的可用测量频率。

现有摄影测量系统的动态测量精度取决于摄影仪器的分辨率、采样频率以及仪器与被测体之间的空间相对位置关系。为了提高测量精度，可以通过提高摄像机的图像分辨率来实现。为了提高测量频率，可以通过提高摄像机的采样频率来实现。高精度高频三维动态测量同时需要高分辨率和高采样率，由于数模转换的限制，一台摄像机很难同时得到高分辨率和高采样率。高分辨率高采样率的摄像机价格昂贵。特别是工作在红外区域的面阵摄像机，很难同时得到高分辨率和高采样率。此外，线阵视觉系统能够得到一维的高分辨率，同时，也能够得到较高的采样频率。然而，由于线阵视觉系统的局限性，获取的被测区域图像是一维图像。不同的线阵摄像机获得的图像中，无法确定被测区域的靶标对应关系。

发明内容

本发明的目的：针对实际应用对高精度高频率动态摄影测量的需求，本发明致力于解决摄影测量中高精度与高采样帧率下的高频动态测量难以兼顾的问题，并能够提供高精度、高频率的动态三维测量能力。

本发明的技术方案：提供一种高精度高频率动态摄影测量装置，包括至少一台面阵摄像机，其视场范围覆盖被测区域，用于获取被测区域的二维图像，在二维图像中可以进行靶标检测；至少三台线阵摄像机，其视场范围的交集覆盖被测区域，用于获取一维图像；以及数据处理部件，其连接到面阵视觉系统和线阵视觉系统。基于面阵摄像机与线阵摄像机的几何相对位置计算二维图像的靶标与一维图像中靶标的对应关系，据此可以确定不同线阵摄像机的一维图像中的靶标对应关系，利用一维图像中靶标的对应关系进行几何计算，获得被测区域内的靶标三维空间坐标值。

本发明的有益效果主要在于：本发明的高精度高频动态测量装置包括面阵视觉系统和线阵视觉系统，能够对测量场内多个被测点进行同时测量，适用于工件生产、系统振动以及其它产品试验测试等。在基本原理保持不变的情况下，可以通过改变面阵视觉系统的摄像机数目和布置方式、线阵视觉系统的摄像机数目和布置方式来实现更大范围的动态测量。

由于不需要研制高分辨率高采样率的面阵摄像机，该装置的生产成本较低。特别是对于工作在红外区域的面阵摄像机，获得高分辨率高采样率的面阵摄像机成本极高，采用面阵视觉系统进行动态三维测量不具备优势。

与面阵摄影测量系统相比较，本发明能够降低摄影测量系统所需要处理的数据量，降低高精度、高动态测量面临的数据采集、传输和处理的压力。

附图说明

图1本实施例的高精度高频动态摄影测量装置的单台装置示意图；

图2本实施例的线阵摄像机的构成；

图3本实施例的面阵摄像机获取图像与线阵图像的对应关系。

具体实施方式

实施例1

使用安装物镜的低分辨率面阵摄像机获取被测区域的二维图像。在二维图像中，被测区域的靶标在二维图像中成像。可以对这些靶标进行检测，获得靶标的图像坐标系下的位置。也可以使用多台面阵摄像机覆盖被测区域，并且利用二维图像中靶标的对应关系计算低精度三维坐标。

如图2所示，在线阵摄像机的线阵传感器5和物镜7之间安装柱面镜头6,把被测区域中的场景压缩至一维图像中。在线阵摄像机的分辨率较高的情况下，其数据获取和传输压力较小。

物镜对被测区域成像后，形成二维成像面。在二维成像面之后、线阵传感器之前安装柱面镜头，柱面镜头把二维成像面的对应其光线压缩方向的光线聚焦，正交于此方向的光线传输不变。这样，线阵摄像机可以获取被测区域的一维图像。由于光线在一个方向被压缩，所以在线阵摄像机获取的一维图像中的靶标点难以相互匹配。不同线阵摄像机获取图像中的靶标难以获得对应关系，无法进行几何计算获得靶标的空间三维坐标。因此，需要把线阵视觉系统与面阵视觉系统相关联，从而获得靶标的对应关系。

为了能够基于线阵摄像机获取图像进行三维坐标计算，本实施例，提供一种基于线阵面阵的三维动态测量装置，如图1所示，所述测量装置包括面阵视觉系统、线阵视觉系统和数据处理部件。

所述面阵视觉系统包括至少一台面阵摄像机2；所述至少一台面阵摄像机的视场范围覆盖被测区域，用于获取被测区域的二维图像，并将获取的二维图像发送给数据处理部件。

所述线阵视觉系统包括至少三台线阵摄像机；所述至少三台线阵摄像机的视场交集覆盖被测区域，用于获取一维图像；并将获取的一维图像发送给数据处理部件。如图1所示，三台线阵摄像机分别为第一线阵摄像机1、第二线阵摄像机3和第三线阵摄像机4。

所述数据处理部件，用于计算面阵摄像机获取的二维图像中的靶标与每个线阵摄像机获取的一维图像中的靶标之间的几何对应关系，然后根据所述几何对应关系确定不同线阵摄像机获取的一维图像中的靶标对应关系，并根据所述靶标对应关系计算出靶标的三维坐标。

其中，本实施例的数据处理部件被配置为：根据面阵摄像机与线阵摄像机的相对几何位置关系，确定面阵摄像机获取的二维图像中的靶标与线阵摄像机获取的一维图像中的靶标之间的对应关系；根据每个线阵摄像机所获取的一维图像中的靶标与面阵摄像机获取的二维图像中靶标的确定对应关系，获得不同线阵摄像机所获取一维图像中靶标的对应关系；根据所获取一维图像中靶标的对应关系进行立体视觉计算，获得高精度的靶标三维坐标。

此外，所述的面阵视觉系统包括至少一台装有面阵传感器的摄像机。单台面阵摄像机的视场中，不同靶标可能相互遮挡，为了解决此问题，面阵视觉系统也可以采用多台面阵摄像机。如果采用两台或者两台以上的面阵摄像机，需要这些摄像机的视场交集覆盖被测区域；面阵视觉系统用于确定被测区域内被测对象靶标在三维场景内的相互关系，并且与线阵视觉系统建立联系。

每个线阵摄像机的传感器分布于不同方向，用于对被测区域内的靶标进行高频三维测量。

本实施例，采用低分辨率的面阵摄像机和高分辨率的线阵摄像机。面阵摄像机和线阵摄像机的采样频率应保持基本一致。

实施例2

本实施例，提供一种基于线阵面阵的三维动态测量方法，利用如实施例1所述的测量装置，具体包括以下步骤：

步骤1:采用至少一台面阵摄像机获取被测靶标的二维图像；

步骤2:在包含被测对象的二维图像中进行靶标检测：

步骤3:线阵视觉系统中的每台线阵摄像机分别获取一帧一维图像：根据二维图像中的靶标检测结果和线阵摄像机与面阵摄像机的相对几何关系，确定出二维图像中靶标对应的三维空间靶标在线阵摄像机获取的一维图像中的投影坐标，从而确定二维图像中靶标与一维图像中靶标的对应关系；

步骤4:根据面阵摄像机获取的二维图像中靶标与每台线阵摄像机获取的一维图像的靶标的对应关系，确定出不同线阵摄像机获取图像中的靶标对应关系：

步骤5:对不同线阵摄像机获取的一维图像中的靶标对应关系进行几何计算，获得靶标的空间三维坐标。

其中，本实施例的三维动态测量方法所应用的动态测量系统中，每台摄像机有摄像机坐标系和图像坐标系。面阵摄像机的坐标系原点在摄像机的光心；传感器平面对应于x-y平面，光轴作为坐标系的Z轴。图像坐标系是二维坐标系，坐标系的原点设定自图像左上角。线阵摄像机的坐标系原点在摄像机的光心，光心位置由柱面镜在线阵传感器上的成像点决定；与线阵传感器方向一致的方向设定为x轴，与其垂直、并与柱面镜平行的方向设定为y轴。

本实施例，面阵摄像机与线阵摄像机的相对安装位置固定，且线阵摄像机之间的相对安装位置也固定，图3中给出了一台线阵摄像机与面阵摄像机的相对几何关系。其中平面II为面阵摄像机的成像平面：平面Ⅲ为线阵摄像机的成像平面：C为面阵摄像机的光心；D为线阵摄像机的光心。测量区域内的物体A点是被测点，被测点A在面阵摄像机中的图像平面成像为B。被测点A在线阵摄像机的成像为E。根据面阵摄像机图像中的成像点B、面阵摄像机的光心C、线阵摄像机的光心D可以得到一个平面，此平面与线阵摄像机的成像平面Ⅲ，必然有一交线，此交线在线阵摄像机获得的一维图像中对应于某一像素值，从而得到对应于三维空间点A在一维线阵图像中的坐标值。每一台线阵摄像机都可以基于此原理得到三维空间点的一维图像坐标，进而得到不同线阵摄像机图像中的成像点之间的对应关系。

本实施例，在测量之前，首先需要对面阵摄像机和线阵摄像机进行内参标定；随后，需要标定面阵摄像机与线阵摄像机的相对位置关系以及不同线阵摄像机的相对位置关系，这些标定结果是描述各个相对位置关系的外参。

具体地，本实施例，在进行面阵摄像机内参标定时，利用标定平面上的棋盘格角点在图像上的投影，可以得到相应点的二维图像坐标，利用绝对椭圆的原理，可以采集多帧标定平面的图像，对内参参数的标定可以通过解析法得到初值，随后采用优化算法得到更精确的内参参数。

在进行线阵摄像机标定时，需要对线阵摄像机的视场内的光线分布进行控制，为了精确地提供标定目标，可以利用高精度激光投影仪的投射模式，获取线阵摄像机的一维图像，并且进行相应的线阵摄像机内参标定计算。

随后对面阵摄像机和线阵摄像机的相对关系进行标定。在标定过程中，采用高精度激光投影仪不同的投射模式，同时获取面阵摄像机的二维图像和线阵摄像机的一维图像，根据二维图像和一维图像中的靶标的对应关系，可以计算出二者的相对位置关系。每一台面阵摄像机都需要标定与面阵摄像机的相对位置关系，为了提高标定效率，在标定过程中，可以同时获取面阵摄像机和所有线阵摄像机的图像，然后分别标定。

在获取线阵摄像机图像中的三维靶标对应关系后，可以利用对应于图像坐标的三个或者三个以上平面的交点计算靶标的三维空间坐标值。

Claims (8)

1.一种基于线阵面阵的三维动态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括面阵视觉系统、线阵视觉系统和数据处理部件；

所述面阵视觉系统包括至少一台面阵摄像机：所述至少一台面阵摄像机的视场范围覆盖被测区域，用于获取被测区域的二维图像，并将获取的二维图像发送给数据处理部件；

所述线阵视觉系统包括至少三台线阵摄像机；所述至少三台线阵摄像机的视场交集覆盖被测区域，用于获取一维图像；并将获取的一维图像发送给数据处理部件；

所述数据处理部件，用计算面阵摄像机获取的二维图像中的靶标与每个线阵摄像机获取的一维图像中的靶标之间的几何对应关系，然后根据所述几何对应关系确定不同线阵摄像机获取的一维图像中的靶标对应关系，并根据所述靶标对应关系计算出靶标的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的三维动态测量装置，其特征在于，所述数据处理部件被配置为：

根据面阵摄像机与线阵摄像机的相对几何位置关系，确定面阵摄像机获取的二维图像中的靶标与线阵摄像机获取的一维图像中的靶标之间的对应关系；

根据每个线阵摄像机所获取的一维图像中的靶标与面阵摄像机获取的二维图像中靶标的确定对应关系，获得不同线阵摄像机所获取一维图像中靶标的对应关系；

根据所获取一维图像中靶标的对应关系进行立体视觉计算，获得高精度的靶标三维坐标。

3.根据权利要求1所述的三维动态测量装置，其特征在于，所述面阵视觉系统包括两台或者两台以上的面阵摄像机；所述两台或者两台以上的面阵摄像机的视场交集覆盖被测区域；面阵视觉系统用于确定被测区域内被测对象靶标在三维场景内的相互关系，并且与线阵视觉系统建立联系。

4.根据权利要求1所述的三维动态测量装置，其特征在于，每个线阵摄像机的传感器分布于不同方向，用于对被测区域内的靶标进行高频三维测量。

5.根据权利要求1所述的三维动态测量装置，其特征在于，所述面阵摄像机与线阵摄像机的采样帧率范围类似。

6.根据权利要求1所述的三维动态测量装置，其特征在于，线阵摄像机的线阵传感器前、物镜之后安装柱面镜头，用于将被测区域中的场景压缩至一维图像中。

7.一种基于线阵面阵的三维动态测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

步骤1：采用至少一台面阵摄像机获取被测靶标的二维图像；

步骤2：在包含被测对象的二维图像中进行靶标检测；

步骤3：线阵视觉系统中的每台线阵摄像机分别获取一帧一维图像；根据二维图像中的靶标检测结果和线阵摄像机与面阵摄像机的相对几何关系，确定出二维图像中靶标对应的三维空间靶标在线阵摄像机获取的一维图像中的投影坐标，从而确定二维图像中靶标与一维图像中靶标的对应关系；

当骤4：根据面阵摄像机获取的二维图像中靶标与每台线阵摄像机获取的一维图像的靶标的对应关系，确定出不同线阵摄像机获取图像中的靶标对应关系；

步骤5：对不同线阵摄像机获取的一维图像中的靶标对应关系进行几何计算，获得靶标的空间三维坐标。

8.根据权利要求6所述的基于线阵面阵的三维动态测量方法，其特征在于，在步骤1之前，首先标定每台线阵摄像机与面阵摄像机的相对几何位置。

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