CN112857328B - 一种无标定摄影测量方法 - Google Patents

一种无标定摄影测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无标定摄影测量方法，包括具有n个定位关键点的前站相机和位于前站相机后方的后站双目相机，所述方法后站双目相机的两相机位置固定，确保后站双目相机的外方位元素物方坐标保持不变，再结合空间移站矩阵和标定场的前站相机外方位元素，巧妙获取了实测场地的前站相机的外方位元素，进而轻松获取了待测目标的物方坐标，简便高效且计量精准。该方法确保了测量精度，同时操作方便简洁。

Description

一种无标定摄影测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种无标定摄影测量方法。
背景技术
摄影测量方法作为一种非接触式测量手段，在测量技术领域广泛使用，尤其以运用于港口起重机械为代表的大型机械结构常见。但现阶段的摄影测量手段在实际工程应用中遇到了诸多阻碍。
传统的摄影测量方法需要人工设置控制点，当目标物不便靠近，以致控制点无法很好设置时，此方法会严重拉低测量工作效率，对攀爬不便的大型机械结构而言，更是如此，且会增加安全隐患。
同时，控制点主要从目标物上进行选取，而当目标物本身制造工艺粗糙时，从自身选择控制点会因为难以精准定位关键点，造成像平面坐标识别误差，影响整个测量系统的精度，对大型机械结构尤其如此。
而且，传统的摄影测量方法在选择控制点时依赖于全站仪等辅助测量设备，而当目标物所处环境恶劣，无法运输或使用这类辅助测量设备时，控制点物方坐标很难获取，导致该摄影测量方法无法执行，例如，散货码头上因为较厚的煤渣层，使得全站仪等传统辅助测量设备的运输与使用极为不便，离开了这些辅助设备，传统摄影测量法就会因为无法获取控制点物方坐标而无法实施。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种实际测量时无需控制点即可进行精准测量，且操作便捷的无标定摄影测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种无标定摄影测量方法，其特征在于：包括用于拍摄待测目标且具有n个定位关键点的前站相机和位于前站相机后方的后站双目相机，所述方法包括，
S1、设置标定场，获取标定场中的后站双目相机的外方位元素、前站相机在左方位/右方位分别对应的外方位元素以及与前站相机的左/右方位外方位元素分别对应的前站相机位于左/右方位时的定位关键点物方坐标，所述后站双目相机上的两个相机位置固定，n个定位关键点不共面且n≥3；
S2、实测场地中，在前站相机从左/右方位拍摄待测目标的同时，利用后站双目相机拍摄左/右方位上的前站相机，以获取实测场地中左/右方位上的前站相机分别对应的定位关键点物方坐标；
S3、将S2中获取的定位关键点物方坐标与S1中获取的对应的定位关键点物方坐标通过算法变换，获取对应方位下的定位关键点由标定场转换至实测场地的空间移站矩阵；
S4、将S1中获取的前站相机的对应的外方位元素采用S3中获取的对应的空间移站矩阵，计算得到实测场地的对应方位下的前方相机的外方位元素，并利用前方交会法得到待测目标的物方坐标。
进一步的，所述S3中的算法变换为奇异值分解算法SVD。
进一步的，所述空间移站矩阵包括旋转矩阵R和平移矩阵S，所述旋转矩阵R和平移矩阵S满足Q＝R*P+S，其中，Q由前站相机上的n个定位关键点在实测场地中的物方坐标形成的集合，P由前站相机上的n个定位关键点在标定场中的物方坐标形成的集合。
进一步的，所述S2中的前站相机具有两个，分别位于待测目标的左方位和右方位上；
所述S2中获取实测场地中左/右方位上的前站相机分别对应的定位关键点物方坐标具体对应，后站双目相机将两个前站相机同时进行拍摄，并结合后站双目相机的外方位元素，获取各方位下的前站相机的定位关键点物方坐标。
进一步的，所述S2中的前站相机具有一个，且在待测目标的左方位完成拍摄后移至待测目标的右方位再次进行拍摄；
所述S2中获取实测场地中的左/右方位上的前站相机的定位关键点物方坐标具体对应，后站双目相机先拍摄位于待测目标左方位的前站相机，并结合后站双目相机的外方位元素，以获取位于左方位时的前站相机的定位关键点物方坐标，且后站双目相机保持当前位置不变，待前站相机移至待测目标右侧后再次拍摄前站相机并结合后站双目相机的外方位元素以获取位于右方位时的前站相机的定位关键点物方坐标。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
后站双目相机的两相机位置固定，确保后站双目相机的外方位元素物方坐标保持不变，再结合空间移站矩阵和标定场的前站相机外方位元素，巧妙获取了实测场地的前站相机的外方位元素，进而轻松获取了待测目标的物方坐标，简便高效且计量精准。
附图说明
图1为本申请无标定摄影测量方法的实现流程图。
图2为本申请设计的标定场示意图。
图3为验证本申请方法的可行性时在标定场中选取的4个控制点和两个指针点a、b的示意图。
图4为图3中选择的6点的物方坐标表。
图5为前站相机在左侧和在右侧分别拍摄图3中选定的6点后，采用传统经典方法求取的前站相机在左侧照片和右侧照片中分别对应的外方位元素。
图6为本申请所述方法对应下的前站相机的定位关键点结构示意图。
图7为本申请所述方法对应下的标定场4个控制点和两个指针点a和b的示意图。
图8为图7中选择的6点的物方坐标表。
图9为采用本申请的方法时后站相机在左侧和后侧的外方位元素表。
图10为采用本申请的方法确定的前站相机在左侧拍照时的定位关键点的物方坐标表。
图11为采用本申请的方法确定的前站相机在右侧拍照时的定位关键点的物方坐标表。
图12为结合图10-11的数据、本申请的空间移站矩阵以及图5中左侧外方位元素得到的前站相机在右侧拍照中的外方位元素与图5中通过经典方法获得的右侧外方位元素对照表。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1示出了本申请无标定摄影测量方法的操作流程，图2示出了本申请设计的标定场，同时图3-12示出了采用本申请的方法与采用经典方法获取的外方位元素比对结果。如图1-2所示，该方法需要用到用于拍摄待测目标且具有n个定位关键点的前站相机和位于前站相机后方的后站双目相机，所述方法包括，
S1、设置标定场，获取标定场中的后站双目相机的外方位元素、前站相机在左方位/右方位分别对应的外方位元素以及与前站相机的左/右方位外方位元素分别对应的前站相机位于左/右方位时的定位关键点物方坐标，所述后站双目相机上的两个相机位置固定，n个定位关键点不共面且n≥3；
S2、实测场地中，在前站相机从左/右方位拍摄待测目标的同时，利用后站双目相机拍摄左/右方位上的前站相机，以获取实测场地中左/右方位上的前站相机分别对应的定位关键点物方坐标；
S3、将S2中获取的定位关键点物方坐标与S1中获取的对应的定位关键点物方坐标通过算法变换，获取对应方位下的定位关键点由标定场转换至实测场地的空间移站矩阵；
S4、将S1中获取的前站相机的对应的外方位元素采用S3中获取的对应的空间移站矩阵，计算得到实测场地中对应方位下的前方相机的外方位元素，并结合拍摄的待测目标，利用前方交会法得到待测目标的物方坐标。在本申请中，该标定场主要由若干支承柱组成的笼架以及安装在各支承柱之上的标定块组成，该标定场的组成形式及标定块的类型可以依据实际工程情况及标定场测量工具的类型改变，此处不过多阐述，但不论是何样的标定场，均以能提供坐标标定为目的。
本申请中的前站相机由辅助定位支架、相机、三脚架三个部分组成。其中，三脚架与相机皆可依据不同工况采购合适型号。
辅助定位支架上安装相机快装板以及与通用摄影三脚架对接的快装接口，辅助定位支架自身拥有易于辨识的特征点，在仅使用辅助定位支架时，可以利用这些自身特征点完成标定、空间移站矩阵的计算，同时，辅助定位支架上也可设置模块安装接口，用以自由安装标定块，从而更好的实现定位关键点的物方坐标的标定。
由于辅助定位支架、相机、三脚架、标定块等并非本申请所要申请保护的重点，故而，此处不过多阐述，但不论如何，均需要明确的是，该前站相机的定位关键点可由位于辅助定位支架上的自身便于辨识的特征点确定，也可以是由位于辅助定位支架上的标定块标示，亦或者由辅助定位支架上的自身便于辨识的特征点结合标定块来标示。
后站双目相机则是通过三脚架将两台工业相机平行地稳固布置于三脚架之上，从而形成一套双目相对位置固定的双目视觉测量系统，这套系统可以在利用标定场控制点进行一次标定后，重复利用双目相机的外方位元素数据，从而达到无标定测量前站相机的目的。也即，双目相机位置固定的特点使得后站双目相机的外方位元素保持不变，从而为实测场地的坐标与标定场的坐标转换提供了连接桥梁。
标定场设置完毕后，会在标定场中选择m个控制点，后站双目相机通过一次拍摄，该一次拍摄中包括了该m个控制点，并利用后方交会法得到其双目相机的外方位元素。
前站相机通过在左侧和右侧分别对该m个点进行拍摄一次，然后利用后方交会法得到该前站相机位于左侧和右侧的外方位元素。同时，后站双目相机会对位于左侧的前站相机进行一次拍摄，通过双目相机拍摄的照片结合双目相机的外方位元素，得到前站相机位于左侧时定位关键点的物方坐标；后站双目相机保持不动，前站相机位于右侧时，对右侧的前站相机再次进行拍摄，并利用同样方法，得到前站相机位于右侧时的定位关键点物方坐标。
由于通过后方交会法得到外方位元素、通过外方位元素结合前方交会法得到定位关键点的物方坐标，均属于本领域技术人员知晓的普通技术知识，故而此处对该计算方法不再展开。
本申请在测量待测目标的物方坐标过程中，很重要的一个关键点是通过已知坐标点结合空间移站矩阵，求取该已知坐标点在当前坐标系下的物方坐标，具体到本实施例，即是通过标定场中前站相机的外方位元素求取实测场地中前站相机的外方位元素，故需要先求取空间移站矩阵。
正如S3中描述的，该空间移站矩阵由实测场地的前站相机的定位关键点物方坐标与标定场的前站相机的定位关键点物方坐标通过算法变换得到。具体而言，在本申请中该算法变换为奇异值分解算法SVD。同一物体上的同一特征点在不同坐标系中对应的坐标不同，通过坐标变换，可解算出空间移站矩阵，如此能实现坐标的统一。
本申请中，该空间移站矩阵包括旋转矩阵R和平移矩阵S，旋转矩阵R和平移矩阵S满足Q＝R*P+S，其中，Q由前站相机上的n个定位关键点在实测场地中的物方坐标形成的集合，P由前站相机上的n个定位关键点在标定场中的物方坐标形成的集合，本实施例中，优选n＝4。
如下示出了该空间移站矩阵的具体求取过程。
坐标计算需要计算由点系(XB1，YB1，ZB1)、(XB2，YB2，ZB2)、(XB3，YB3，ZB3)、(XB4，YB4，ZB4)所确定的坐标系向由点系(XC1，YC1，ZC1)、(XC2，YC2，ZC2)、(XC3，YC3，ZC3)、(XC4，YC4，ZC4)所确定的坐标系转移的平移矩阵及旋转矩阵，B代表标定场，C代表实测场地，本专利采用的数学原理为SVD变换，详细算法如下：
令P为点系(XB1，YB1，ZB1)、(XB2，YB2，ZB2)、(XB3，YB3，ZB3)、(XB4，YB4，ZB4)组成的集合，Q为点系(XC1，YC1，ZC1)、(XC2，YC2，ZC2)、(XC3，YC3，ZC3)、(XC4，YC4，ZC4)所组成的集合。
为了计算出它们之间的刚体变换，即旋转矩阵R和平移矩阵S，将其建模为如下的数学形式：
Figure BDA0002998900180000051
对公式1求导，可以得到：
Figure BDA0002998900180000052
引入点集合P的中心点
Figure BDA0002998900180000061
和Q的中心点
Figure BDA0002998900180000062
Figure BDA0002998900180000063
Figure BDA0002998900180000064
Figure BDA0002998900180000065
将式5代入式1中，得到
Figure BDA0002998900180000066
设
Figure BDA0002998900180000067
则式1可化为
Figure BDA0002998900180000068
Figure BDA0002998900180000069
对于任意标量a，满足a＝aT，所以xi TRyi满足：
xi rRyi＝(xi rRyi)r＝yi rRxi (9)
因此式(7)可化简为
Figure BDA0002998900180000071
式中xi Txi和yi Tyi与R、S无关，所以
Figure BDA0002998900180000072
Figure BDA0002998900180000073
式(12)中X＝[x1 x2…xn]，Y＝[y1 y2…yn]
Figure BDA0002998900180000074
令
Figure BDA0002998900180000075
对矩阵S进行奇异值分解，
Figure BDA0002998900180000076
式(14)中U，V为正交矩阵，Σ为对角矩阵。
Figure BDA0002998900180000077
设
Figure BDA0002998900180000078
则M也为正交矩阵，每一列向量mj满足
Figure BDA0002998900180000079
所以
Figure BDA0002998900180000081
当M＝I时，
Figure BDA0002998900180000082
取得最大值，
Figure BDA0002998900180000083
V＝RU (18)
Figure BDA0002998900180000084
Figure BDA0002998900180000085
至此，两个点集合之间的旋转矩阵R和平移矩阵S即可求出，即：
Q＝R·P+S (21)
本实施例中，前站相机在实测场地拍摄待测目标时，采用了两个，分别位于待测目标的左右两侧，此时需要注意的是，后站双目相机在拍摄时需同时将前面的两个前站相机拍摄进来，从而确保坐标系的统一。此时对应的空间移站矩阵获取方式如下：
后站双目相机在前站相机拍摄待测目标的同时，对左右侧的前站相机进行了拍摄，并将二者一同拍摄下来，也即双目相机中的左侧相机(为了便于描述，此处命名为a相机，下同)拍摄的照片中包含了左右两侧的前站相机，双目相机中的右侧相机(b相机)拍摄的照片中也包含了左右侧的前站相机。
对于位于左侧的前站相机而言，通过利用a相机的照片的数据和b相机的照片的数据，结合双目相机的外方位元素，可得到位于左侧的前站相机上的定位关键点在实测场地中的物方坐标，将该实测场地中的定位关键点物方坐标与标定场中前站相机位于左侧时定位关键点的物方坐标带入公式(21)中，即可得到前站相机位于左侧时，由标定场转移至实测场地时对应的空间移站矩阵，同理，对于前站相机位于右侧时的空间移站矩阵也如此获得。
在此基础上，将标定场中前站相机位于左侧时对应的外方位元素通过采用前站相机在左侧时对应的空间移站矩阵进行旋转和平移，得到实测场地中位于左侧的前站相机对应的外方位元素，采用同样方法得到实测场地中位于右侧的前站相机对应的外方位元素，然后，再分别结合左侧的前站相机拍摄的待测目标照片数据和右侧的前站相机拍摄的待测目标照片数据，利用前方交会法得到待测目标的物方坐标。
当然，前站相机也可以只有一个，其在待测目标的左侧拍摄一张照片后，又移至待测目标的右侧进行拍摄，为了实现坐标系的统一，后站双目相机在拍摄完位于左侧的前站相机后，保持当前状态不变，然后继续拍摄位于右侧的前站相机。而具体的求取前站相机位于左侧时对应的外方位元素和前站相机位于右侧时对应的外方位元素乃至待测目标的物方坐标方法与前述一样，故而，就不再过多展开。
前述即描述了本方法具体的实现原理，为了验证本申请采用空间移站矩阵进行物方坐标的空间变换在测量中具有可行性，下列以在标定场中的操作为例进行验证，该验证采用的后站相机为单目相机，为了确保验证效果的真实性，该验证将利用本申请的方法获得的前站相机在右侧的外方位元素与通过传统经典方法获得的前站相机在右侧的外方位元素进行比较。
首先，依照图3所示在标定场中进行控制点的选取，其中点1至点4为控制点，点a、点b为指针点，各个点的物方坐标数据如图4所示。
将前站相机在标定场左侧(为了便于描述，将此位置命名为A位置，下同)和右侧(B位置)对标定场中的该6点进行一次拍照，本领域技术人员均知晓测量影像的外方位元素分别为摄影中心物方坐标X、Y、Z以及像片的空间姿态角度ψ、ω、κ。根据图4中的数据，依据传统摄影测量方法的后方交会解算该次试验的外方位元素，得到的结果如图5所示。
其次，采用本申请所述的方法时，先确定标定场的控制点和指针点，如图7所示，其对应的坐标如图8所示，同时，前站相机上也选取四个定位关键点，如图6所示。
当前站相机位于标定场的同样左侧位置(A位置)时，后站相机会在左侧(为便于描述，此处位置命名为C位置，下同)和右侧(D位置)各拍摄一次，每次照片中均包含了标定场中选取的6点和前站相机上的4个定位关键点。
其先根据选取的该6点的坐标及后站相机在左侧(C位置)和右侧(D位置)拍摄的照片，分别得到前站相机位于左侧位置(A位置)时，后站相机在左侧(C位置)和右侧(D位置)的外方位元素，如图9所示。然后，在已知后站相机左右侧的外方位元素的情况下，结合前方交会法得到前站相机上的定位关键点在左侧位置(A位置)对应的物方坐标，如图10所示。
当前站相机位于标定场的同样右侧位置(B位置)时，同样，后站相机在左侧(C位置)和右侧(D位置)各进行一次拍摄，每次照片中也均包括了标定场中选取的6点和前站相机上的4个定位关键点。此处需要注意的是，由于此后站相机为单目相机，为了实现坐标系的统一，确保测量精准性，该后站相机每次在C处或D处的位置、角度、姿态均不变，如此，在前站相机位于右侧(B位置)时，后站相机在左侧和右侧的外方位元素和前站相机位于左侧(A位置)时一样，此处仅需结合前方交会法得到前站相机上的定位关键点在右侧位置(B位置)对应的物方坐标即可，如图11所示。
通过前站相机定位关键点位于左侧的物方坐标和位于右侧的物方坐标经结合本申请中的公式(21)，得到空间移站矩阵，随后，结合图5中前站相机位于左侧的外方位元素，得到利用本申请的方法获取到的前站相机位于右侧的外方位元素，并将该获取到的外方位元素与图5中通过经典方法获得的前站相机位于右侧的外方位元素进行比较，如图12所示。
根据图12对比结果可知，按照本文提出的自标定算法解算的外方位元素与传统摄影测量方法解算的外方位元素相差很小(κ的单位为弧度，-1.552与-20.401相差了6π)，满足精度要求，从而可以证明采用本申请的空间移站矩阵以及无标定方式测量待测目标，能获得很好的精测效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种无标定摄影测量方法，其特征在于：包括用于拍摄待测目标且具有n个定位关键点的前站相机和位于前站相机后方的后站双目相机，所述方法包括，
S1、设置标定场，获取标定场中的后站双目相机的外方位元素、前站相机在左方位/右方位分别对应的外方位元素以及与前站相机的左/右方位外方位元素分别对应的前站相机位于左/右方位时的定位关键点物方坐标，所述后站双目相机上的两个相机位置固定，n个定位关键点不共面且n≥3；
S2、实测场地中，在前站相机从左/右方位拍摄待测目标的同时，利用后站双目相机拍摄左/右方位上的前站相机，以获取实测场地中左/右方位上的前站相机分别对应的定位关键点物方坐标；
S3、将S2中获取的定位关键点物方坐标与S1中获取的对应的定位关键点物方坐标通过算法变换，获取对应方位下的定位关键点由标定场转换至实测场地的空间移站矩阵；
S4、将S1中获取的前站相机的对应的外方位元素采用S3中获取的对应的空间移站矩阵，计算得到实测场地中对应方位下的前方相机的外方位元素，并结合拍摄的待测目标，利用前方交会法得到待测目标的物方坐标。
2.根据权利要求1所述无标定摄影测量方法，其特征在于：
所述S3中的算法变换为奇异值分解算法SVD。
3.根据权利要求2所述无标定摄影测量方法，其特征在于：
所述空间移站矩阵包括旋转矩阵R和平移矩阵S，所述旋转矩阵R和平移矩阵S满足Q＝R*P+S，其中，Q由前站相机上的n个定位关键点在实测场地中的物方坐标形成的集合，P由前站相机上的n个定位关键点在标定场中的物方坐标形成的集合。
4.根据权利要求1所述无标定摄影测量方法，其特征在于：
所述S2中的前站相机具有两个，分别位于待测目标的左方位和右方位上；
所述S2中获取实测场地中左/右方位上的前站相机分别对应的定位关键点物方坐标具体对应，后站双目相机将两个前站相机同时进行拍摄，并结合后站双目相机的外方位元素，获取各方位下的前站相机的定位关键点物方坐标。
5.根据权利要求1所述无标定摄影测量方法，其特征在于：
所述S2中的前站相机具有一个，且在待测目标的左方位完成拍摄后移至待测目标的右方位再次进行拍摄；
所述S2中获取实测场地中的左/右方位上的前站相机的定位关键点物方坐标具体对应，后站双目相机先拍摄位于待测目标左方位的前站相机，并结合后站双目相机的外方位元素，以获取位于左方位时的前站相机的定位关键点物方坐标，且后站双目相机保持当前位置不变，待前站相机移至待测目标右侧后再次拍摄前站相机并结合后站双目相机的外方位元素以获取位于右方位时的前站相机的定位关键点物方坐标。
6.根据权利要求1所述无标定摄影测量方法，其特征在于：
所述前站相机的定位关键点由前站相机上的辅助定位支架上的易于辨识的特征点形成；
或者，所述前站相机的定位关键点由前站相机上的辅助定位支架上的易于辨识的特征点形成和位于辅助定位支架上的标定块形成；
或者，所述前站相机的定位关键点由位于辅助定位支架上的标定块形成。
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