CN113758423B - 一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法 - Google Patents

一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，包括：在圆筒内壁安装标记点，保证图像采集设备在同一幅数字图像中能够采集到三个以上的标记点，测量标记点与图像采集设备之间的物距；通过设备的像素位置和光线入射角度之间的关系函数计算标记点角度值；建立圆筒中心、图像采集设备位置与标记点构成的三角形向量关系式，进行复数向量运算得到方程式；代入三个标记点的物距和角度值，得到方程组，求解方程组可得采集设备的位置。本方法通过数字图像中标记点的像素信息得到其相对于图像采集设备的角度，再结合现场施工人员现场测量的各个标记点的成像物距，通过计算数字图像中标记点的位置关系，能够确定图像采集设备在塔筒内的位置。

Description

一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法
技术领域
本发明属于图像数据处理技术领域，具体涉及一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法。
背景技术
利用超广角/全景数字技术在圆筒结构中进行测量是一类新兴的测量方法，例如在风力发电机组的塔筒基础环内部进行基础晃动的测量就是此类测量的一个例子。塔筒结构的半径往往来自于项目建设和施工资料，测量人员常常无法在第一现场获得，有时候项目信息仅标注塔筒外径尺寸，无法得到内径尺寸。因此，在塔筒结构内做全景数字测量的时候，需要得到采集设备的偏心位置和塔筒的内径。
此类测量往往需要将测量设备（相机等图像采集设备，以下可以简称设备）放置在塔筒基础环中心（圆心）位置，但是碍于现场物理条件的限制，中心位置有时候安装有其他部件，无法放置图像采集设备；有时候基础环中心附近有障碍物遮挡视野，图像采集信息不全面；有时候仅仅是因为现场人员和条件的限制，很难确定中心位置具体在哪里。由于上述约束，测量设备往往放置在偏离圆筒几何中心的位置上，这种偏移会带来采集设备到各个标记点的物距不一致，带来测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，基于以上问题，本方法通过数字图像中标记点的像素信息得到其相对于图像采集设备的角度，再结合现场施工人员现场测量的各个标记点的成像物距，由内向外形成物理世界尺度，通过计算数字图像中标记点的位置关系，能够唯一确定图像采集设备在塔筒结构内的具体位置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：
在圆筒内壁安装若干个标记点，保证图像采集设备在同一幅数字图像中能够采集到三个以上的标记点，并测量标记点与图像采集设备之间的物距；
通过图像采集设备的像素位置和光线入射角度之间的关系函数计算标记点所在角度值；
建立圆筒中心、图像采集设备位置与任一标记点构成的三角形向量关系式，对向量关系式进行复数向量运算得到方程式；
至少代入三个标记点的物距和角度值，得到方程组，求解方程组可得采集设备的位置。
进一步地，所述标记点为矩形或圆形。
进一步地，所述标记点安装在同一水平面上。
进一步地，所述标记点的物距是取标记点的几何中心进行测量而得。
进一步地，所述标记点的角度值是取数字图像中标记点的几何中心进行测量而得。
进一步地，所述角度值的获取包括：根据相机镜头的光学特性，已知像素位置和光线入射角度之间的关系函数
Figure 780105DEST_PATH_IMAGE001
，则有第
Figure 625701DEST_PATH_IMAGE002
个标记点的几何中心的角度值为：
Figure 308486DEST_PATH_IMAGE003
（式1）
其中，
Figure 807601DEST_PATH_IMAGE004
表示相机参考系和人为选定的外参考系之间的固定夹角，为一已知常数，
Figure 74372DEST_PATH_IMAGE005
为标记点几何中心的像素位置。
进一步地，所述方程式的获取包括：
假设圆筒中心为O点，图像采集设备位置为P点，标记点M在以O为圆心的坐标系中，向量可以表示为：
Figure 926921DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 854426DEST_PATH_IMAGE007
为以O为圆心的圆心角，R为圆筒半径；
同理，标记点M在以P为圆心的坐标系中，向量可以表示为：
Figure 665387DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 920919DEST_PATH_IMAGE009
为以P为圆心的圆心角，P点以O为圆心的坐标记为
Figure 701793DEST_PATH_IMAGE010
，其对应的圆心角记为
Figure 860635DEST_PATH_IMAGE011
；
根据三角形OPM的三角关系可得到：
Figure 576919DEST_PATH_IMAGE012
（式2）
对式2进行复数向量运算可得
Figure 178801DEST_PATH_IMAGE013
（式3）
将式3中的虚部、实部分别列等式得到：
Figure 904312DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
将式4的方程两边平方之后相加消除变量
Figure 275250DEST_PATH_IMAGE015
，得到：
Figure 428014DEST_PATH_IMAGE016
（式5）
所述式5即为所需要的方程式，其中
Figure 891094DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 279350DEST_PATH_IMAGE017
为已知量，
Figure 645741DEST_PATH_IMAGE018
为未知量。
进一步地，所述求解方程组得到图像采集设备的位置包括：
代入三个标记点，可以得到三组式5并列的方程组；
通过求解所述方程组，得到图像采集设备相对O圆心位置的水平方向偏移量
Figure 969406DEST_PATH_IMAGE019
、竖直方向偏移量b和圆筒半径R的值；
其中，图像采集设备的偏移圆心角为
Figure 545881DEST_PATH_IMAGE020
，偏移距离为
Figure 613194DEST_PATH_IMAGE021
。
进一步地，所述方程组的求解方法包括：解多元方程组、或者数据拟合、或者松弛算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明的方法通过数字图像中标记点的像素信息得到其相对于图像采集设备的角度，再结合现场施工人员现场测量的各个标记点的成像物距，由内向外形成物理世界尺度，通过计算数字图像中标记点的位置关系，能够唯一确定图像采集设备在塔筒结构内的具体位置。适用于设备在塔筒内部随机摆放，减少了现场操作人员对设备定位的要求。同时能够得到塔筒结构的内尺寸，降低了收资要求，提升了数据的可靠性。
附图说明
图1是实施例中一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法流程图。
图2是实施例中图像采集设备和塔筒关系示意图。
图3是实施例中采集的图像示意图。
图4是实施例中塔筒圆心、采集设备位置、标记点位置关系示意图。
图5是实施例一中全景相机采集到的图像。
图6是实施例一中数字图像的几何模型示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
在采用全景数字技术进行塔筒结构测量中，往往要求图像采集设备放置在塔筒结构的中心轴线上，这样塔筒内壁上的标记点的相较于塔筒中心的物距是一致的。但是由于现场操作条件的限制，这一要求往往得不到保证。如图1所示，下文介绍一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，仅依赖于现场施工人员现场测量的各个标记点的成像物距，再结合数字图像技术，即可获得采集设备偏心位置，具体技术路线如下。
步骤一、获取标记点特征信息
在塔筒结构的内壁上安装至少3个标记点（A、B、C、D），让图像采集设备（以相机为例）在同一画幅中能够采集到三个以上标记点，标记点安装在同一水平面上。标记点特征信息主要包括角度和距离。
（1）角度
如图2、3所示，通过图像采集设备对塔筒结构进行图像采集，将采集到的数字图像进行平面展开得到塔筒内部的矩形图像后，通过自动识别或者手工读取的方式，获得标记点几何中心的像素位置，来代表该标记点。
对于第
Figure 323837DEST_PATH_IMAGE022
个标记点的几何中心的像素位置记为
Figure 943037DEST_PATH_IMAGE023
。
根据相机镜头的光学特性，存在像素位置和光线入射角度之间的函数关系
Figure 616595DEST_PATH_IMAGE024
，通过函数关系
Figure 222020DEST_PATH_IMAGE024
，可以根据标记点中心的像素位置
Figure 422057DEST_PATH_IMAGE023
得出标记点的角度值。则有第
Figure 353104DEST_PATH_IMAGE002
个标记点的几何中心的角度值为：
Figure 373012DEST_PATH_IMAGE003
（式1）
其中，
Figure 280663DEST_PATH_IMAGE004
表示相机参考系和人为选定的外参考系之间的固定夹角，为一已知常数，当相机参考系和人为选定的外参考系之间无夹角时，
Figure 335207DEST_PATH_IMAGE025
为零。
（2）距离
如图4所示，假设设备所在位置为P点，第
Figure 171576DEST_PATH_IMAGE002
个标记点为标记点M时，测量P点到标记点M的距离（均指到标记点几何中心的距离），记为
Figure 85305DEST_PATH_IMAGE017
；
标记点
Figure 157166DEST_PATH_IMAGE026
的特征信息为：
Figure 207162DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 981476DEST_PATH_IMAGE017
由现场施工人员现场测量而得，已知量；
Figure 975977DEST_PATH_IMAGE028
通过式1的像素换算得到，也为已知量。
步骤二、偏心计算
假设塔筒中心为O点，设备位置为P点，标记点M在以O为圆心的坐标系中,向量可以表示为：
Figure 992475DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 896977DEST_PATH_IMAGE007
为以O为圆心的圆心角，R为塔筒结构半径。
同理，标记点M在以P为圆心的坐标系中,向量可以表示为：
Figure 199782DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 822525DEST_PATH_IMAGE009
为以P为圆心的圆心角；
P点相较于O点的水平方向偏移量
Figure 875669DEST_PATH_IMAGE019
、竖直方向偏移量b，图像采集设备位置P以O为圆心的坐标记为
Figure 759311DEST_PATH_IMAGE010
，其对应的圆心角记为
Figure 842805DEST_PATH_IMAGE011
。
根据三角形OPM的三角关系可得到：
Figure 77477DEST_PATH_IMAGE012
（式2）
对式2进行复数向量运算可得
Figure 435777DEST_PATH_IMAGE013
（式3）
将式3中的虚部（式3中
Figure 49293DEST_PATH_IMAGE029
为虚数单位）、实部分别列等式得到：
Figure 959480DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
因为
Figure 58279DEST_PATH_IMAGE028
为像素换算得到的已知量，将方程两边平方之后相加消除变量
Figure 689112DEST_PATH_IMAGE015
，得到：
Figure 547346DEST_PATH_IMAGE016
（式5）
上式中，
Figure 503801DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 322852DEST_PATH_IMAGE017
为已知量，
Figure 882010DEST_PATH_IMAGE019
、b、R为未知量。
通过三个以上的标记点，可以得到三组式5并列的等式，通过解多元方程组、或者数据拟合、或者松弛算法，能够得到设备相对O圆心位置的水平方向偏移量
Figure 234231DEST_PATH_IMAGE019
、竖直方向偏移量b和塔筒半径R的值，或在合理置信区间内的最优值。
因此，偏心位置
Figure 220642DEST_PATH_IMAGE030
的偏移圆心角
Figure 792569DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 30783DEST_PATH_IMAGE020
；偏移距离
Figure 598031DEST_PATH_IMAGE031
为：
Figure 630709DEST_PATH_IMAGE021
。
于是，偏心位置
Figure 925817DEST_PATH_IMAGE032
可表示为
Figure 826777DEST_PATH_IMAGE033
，其中
Figure 655056DEST_PATH_IMAGE011
表示以固定某一方向为起始0°逆时针方向的偏移角度，
Figure 983269DEST_PATH_IMAGE034
表示图像采集设备P离塔筒几何中心O的偏移距离。
圆心角可以指固定某一方向为起始0°，沿着逆时针方向旋转所对应的角度。
本方法的特点是，现场施工人员可以在塔筒内近似同一高程贴放标记点，并现场测量标记点与设备的物距，本算法会根据数字图像自动计算各个标签所在的位置，现场施工人员不必计算或读取标签位置，即可计算出采集设备的偏心方向和偏心距离。
实施例一
本案例以在塔筒中用全景相机做图像采集为例，全景相机位置标注为P，获取塔筒内壁上的3个标记点A、B、C的中心点在数字图像中的像素
Figure 264209DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 578647DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 120486DEST_PATH_IMAGE037
，以塔筒内某一位置（例如0#螺栓位置）为起始角度（即人为选定的外参考系），取两个参考系夹角
Figure 259081DEST_PATH_IMAGE038
，逆时针方向为正方向，根据镜头参数
Figure 886372DEST_PATH_IMAGE039
转换方程转换后得到角度，如下表：
Figure 270080DEST_PATH_IMAGE040
如图5所示，测量A、B、C三点到P点的距离值，标记点A、B、C对应的角度值和距离信息描述为：
Figure 72951DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 742967DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 732919DEST_PATH_IMAGE043
。
如图6所示，
Figure 480422DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 262434DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 244296DEST_PATH_IMAGE046
、代入式5中，联立方程组即可求得塔筒半径
Figure 455966DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 306110DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 552415DEST_PATH_IMAGE049
，设备位置偏心量换算成角度和幅值为
Figure 203714DEST_PATH_IMAGE050
。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：
在圆筒内壁安装若干个标记点M，所述标记点M安装在同一水平面上，保证图像采集设 备在同一幅数字图像中能够采集到三个以上的标记点M，并测量标记点M与图像采集设备之 间的物距，标记点M在以圆筒中心O点为圆心的坐标系中的圆心角角度值为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
通过图像采集设备的像素位置和光线入射角度之间的关系函数计算标记点M所在角度 值，即为标记点M在以图像采集设备位置P点为圆心的坐标系中的圆心角角度值
Figure 469276DEST_PATH_IMAGE002
；
建立圆筒中心、图像采集设备位置与任一标记点M构成的三角形向量关系式，对向量关系式进行复数向量运算得到方程式；
至少代入三个标记点M的物距和角度值，得到方程组，求解方程组可得采集设备的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述标记点为矩形或圆形。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述标记点的物距是取标记点的几何中心进行测量而得。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述标记点的角度值是取数字图像中标记点的几何中心进行测量而得。
5.根据权利要求4所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征 在于：所述角度值的获取包括：根据相机镜头的光学特性，已知像素位置和光线入射角度之 间的关系函数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，则有第
Figure 557318DEST_PATH_IMAGE004
个标记点M的几何中心的角度值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（式1）
其中，
Figure 27613DEST_PATH_IMAGE006
表示相机参考系和人为选定的外参考系之间的固定夹角，为一已知常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为 标记点几何中心的像素位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述方程式的获取包括：
假设圆筒中心为O点，图像采集设备位置为P点，标记点M在以O为圆心的坐标系中,向量 可以表示为：
Figure 695355DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 629813DEST_PATH_IMAGE001
为以O为圆心的圆心角，R为圆筒半径；
同理，标记点M在以P为圆心的坐标系中,向量可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中
Figure 826439DEST_PATH_IMAGE002
为以P为圆心的圆心角，P点以O为圆心的坐标记为
Figure 846348DEST_PATH_IMAGE010
，其对应的圆心角记为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
根据三角形OPM的三角关系可得到：
Figure 35889DEST_PATH_IMAGE012
（式2）
对式2进行复数向量运算可得
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（式3）
将式3中的虚部、实部分别列等式得到：
Figure 824854DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
将式4的方程两边平方之后相加消除变量
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，得到：
Figure 723540DEST_PATH_IMAGE016
（式5）
所述式5即为所需要的方程式，其中
Figure 168428DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为已知量，
Figure 709130DEST_PATH_IMAGE018
、b、R为未知量。
7.根据权利要求6所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述求解方程组得到图像采集设备的位置包括：
代入三个标记点，可以得到三组式5并列的方程组；
通过求解所述方程组，得到图像采集设备相对O圆心位置的水平方向偏移量
Figure 555864DEST_PATH_IMAGE018
、竖直方 向偏移量b和圆筒半径R的值；
其中，图像采集设备的偏移圆心角为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，偏移距离为
Figure 609139DEST_PATH_IMAGE020
。
8.根据权利要求7所述的一种基于图像内尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述方程组的求解方法包括：解多元方程组、或者数据拟合、或者松弛算法。
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