CN113781546B - 一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法 - Google Patents

一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于测量领域，具体涉及一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，包括：在塔筒内壁安装若干个标记点，至少测量三个标记点与图像采集设备之间的物距，和标记点在塔筒上的角度；建立塔筒中心、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；至少带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。本发明通过塔筒内壁上标记点的方向信息与标记点离图像采集设备的物距信息来搭建塔筒几何模型，求解图像采集设备的具体位置。

Description

一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法
技术领域
本发明属于测量领域，具体涉及一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法。
背景技术
利用超广角/全景数字技术在塔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塔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塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，本发明通过塔筒内壁上标记点的方向信息与标记点离图像采集设备的物距信息来搭建塔筒几何模型，求解图像采集设备的具体位置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：
在塔筒内壁安装若干个标记点，至少测量三个标记点与图像采集设备之间的物距和在塔筒上的角度；
建立塔筒中心、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；
至少带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，所述标记点安装在同一水平面上。
进一步地，所述标记点在塔筒上的角度获取包括：将标记点安装在螺栓对应的位置，选取任一螺栓记为0°方向，根据标记点对应的螺栓计算其在塔筒上的角度。
进一步地，所述方程式的获取包括：
假设塔筒中心为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 503730DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 985527DEST_PATH_IMAGE002
为以O为圆心的圆心角，R为塔筒半径；
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 540136DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 423778DEST_PATH_IMAGE004
为 以P为圆心的圆心角，
Figure 100747DEST_PATH_IMAGE005
为标记点M与图像采集 设备P点之间的物距；
P点以O为圆心的坐标还可以记为
Figure 958588DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 910364DEST_PATH_IMAGE007
表示P点的偏心位置坐标，其 对应的圆心角记为
Figure 117354DEST_PATH_IMAGE008
；
根据三角形OPM的三角关系可得到：
Figure 230804DEST_PATH_IMAGE009
（式1）
对式1进行复数向量运算可得：
Figure 828138DEST_PATH_IMAGE010
（式2）
将式2中的虚部、实部分别列等式得到：
Figure 786867DEST_PATH_IMAGE011
（式3）
式3变换：
Figure 645102DEST_PATH_IMAGE012
（式4）
将式4的方程两边平方之后相加消除变量
Figure 929453DEST_PATH_IMAGE013
，得到：
Figure 76400DEST_PATH_IMAGE014
（式5）
所述式5即为所需要的方程式，其中
Figure 25770DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 941774DEST_PATH_IMAGE005
为已知量，
Figure 131447DEST_PATH_IMAGE015
、b、R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：
带入三个标记点，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 828007DEST_PATH_IMAGE015
、竖 直方向偏移量b和塔筒半径R的值；
其中，图像采集设备的偏移方向角为
Figure 128539DEST_PATH_IMAGE016
，偏移距离为
Figure 102311DEST_PATH_IMAGE017
。
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。
进一步地，计算塔筒内壁上任一标记点离图像采集设备的物距，包括：
假设任意一标记点N的特征信息为
Figure 197306DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 584425DEST_PATH_IMAGE019
为标记点N以O为圆心的圆 心角，则根据式5得到：
Figure 750964DEST_PATH_IMAGE020
求解上述方程，可得标记点N离图像采集设备物距
Figure 375980DEST_PATH_IMAGE021
。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过塔筒内壁上标记点的方向信息与标记点离图像采集设备的物距信息来搭建塔筒几何模型，求解图像采集设备的具体位置。该方法能够确定图像采集设备在塔筒结构内的实际位置与偏离程度，降低了现场操作人员对设备定位的要求。能够得到塔筒结构的尺寸，降低了收资要求，提升了后续数据计算的可靠性。依据图像采集设备的偏离程度，得到处于任意方向角上标记点离图像采集设备的距离，有效提升了数据采集的效率。
附图说明
图1是一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法的流程图。
图2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3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。下文介绍一种基于塔筒外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物距和角度，即可获得采集设备偏心位置（方向和距离），具体技术路线如下（如图1所示）：
步骤一、获取标记点特征信息
假设图像采集设备所在位置为P点，塔筒几何中心为O点，塔筒半径为R。在采集的数字图像信息中，在塔筒内壁安装至少三个标记点，所有标记点粘贴在塔筒内壁同一水平面上。
如图2所示，对于标记点M的特征信息主要包括第一方向角、第二方向角、物距信息。其中：
（1）第一方向角
Figure 173035DEST_PATH_IMAGE022
是指以O为圆心，选取任一方向角为起始方向（即0°方向），沿着 逆时针方向，标记点M相较于起始方向逆时针旋转的角度。
因此，得到标记点M的第一坐标向量为
Figure 204707DEST_PATH_IMAGE023
。
此外，假设图像采集设备位置P点相较于O点的水平方向偏移量
Figure 112620DEST_PATH_IMAGE015
、竖直方向偏移量 b，因而P以O为圆心的坐标记为
Figure 920039DEST_PATH_IMAGE024
，其对应的圆心角记为
Figure 887995DEST_PATH_IMAGE025
。
第一方向角
Figure 718548DEST_PATH_IMAGE022
的获取包括：塔筒与底座之间都是通过螺栓连接，若干螺栓沿塔筒 一周均匀分布，并有标号。将标记点安装在螺栓对应的位置，选取任一螺栓记为0°方向，这 里以1#螺栓为0°方向，沿着逆时针方向，标记点根据对应的螺栓标号就可以推算出角度。即 第一方向角
Figure 102256DEST_PATH_IMAGE022
为已知量。
例如，螺栓一共有72颗，编号为1-72#，那么每颗螺栓对应360°/72颗 = 5°。如果标 记点M在第10#螺栓处，那么其对应的第一方向角
Figure 701865DEST_PATH_IMAGE022
为50°。
（2）第二方向角
Figure 637460DEST_PATH_IMAGE026
是指以P为圆心，选取上述同一方向角为起始方向，沿着逆时 针方向，标记点M相较于起始方向逆时针旋转的角度，未知量。
因此，得到标记点M的第二坐标向量为
Figure 876680DEST_PATH_IMAGE027
。
（3）物距
Figure 391975DEST_PATH_IMAGE028
是指在塔筒内部，标记点M到图像采集设备的实际物距，现场测量获 得，已知量。
综上，标记点M的特征信息可表示为：
Figure 49352DEST_PATH_IMAGE029
。
步骤二、搭建偏心求解模型
对于标记点M，如图2所示，根据三角形OPM的三边向量关系得到：
Figure 359111DEST_PATH_IMAGE009
（式1）
依据标记点M的第一坐标向量和第二坐标向量，采用复数形式表示可得：
Figure 960994DEST_PATH_IMAGE010
（式2）
式2中
Figure 748821DEST_PATH_IMAGE030
为虚数单位。
由于操作人员在塔筒内，能够通过测量获得的信息包含塔筒内壁标记点M的物距 信息
Figure 8508DEST_PATH_IMAGE028
、第一方向角
Figure 223588DEST_PATH_IMAGE022
，因此虚部和实部的联立方程为：
Figure 312767DEST_PATH_IMAGE011
（式3）
式3变换：
Figure 169865DEST_PATH_IMAGE012
（式4）
将式4两边平方之后相加消除变量
Figure 598572DEST_PATH_IMAGE026
，得到：
Figure 922237DEST_PATH_IMAGE014
（式5）
上式中，
Figure 701974DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 97183DEST_PATH_IMAGE022
为已知量，
Figure 442714DEST_PATH_IMAGE031
为未知量。
通过三个以上的标记点，可以得到三组以上式5，通过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 265177DEST_PATH_IMAGE032
、竖直方向偏移量
Figure 532210DEST_PATH_IMAGE033
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 652482DEST_PATH_IMAGE034
的偏移方向角
Figure 790202DEST_PATH_IMAGE035
，偏移距离为
Figure 845883DEST_PATH_IMAGE036
。
也可以，偏心位置
Figure 600212DEST_PATH_IMAGE037
可表示为
Figure 71645DEST_PATH_IMAGE038
，其中
Figure 267134DEST_PATH_IMAGE039
表示以固定方向角为0°，逆时 针方向的偏移角度，
Figure 431399DEST_PATH_IMAGE040
表示图像采集设备P离塔筒几何中心的偏移距离。
同时，任意一标记点N的特征信息可简化表示为：
Figure 204183DEST_PATH_IMAGE041
。
步骤三、计算各个标记点离图像采集设备的物距
在前述步骤计算出来偏心位置
Figure 744885DEST_PATH_IMAGE007
和塔筒半径R之后，可以通过向量运算推导出 塔筒内壁上任何其他标记点离图像采集设备的物距信息，能够有效提升测量人员的测量效 率。
假设任意一标记点N的特征信息为
Figure 122777DEST_PATH_IMAGE018
，则根据式5得到：
Figure 880780DEST_PATH_IMAGE020
因此，求解上述一元二次方程，可得标记点N离图像采集设备物距信息
Figure 344122DEST_PATH_IMAGE021
。
本方法的特点是，仅通过现场测量三个标记点的物距，并根据标记点对应的螺栓编号折算出标记点所在点的角度，即可计算出采集设备的偏心方向和偏心距离。这一方法数字采集系统不用开机，施工人员仅需要读取三个物距和三个角度，即可计算偏心程度（方向和距离），这一方法对于现场定点安装监测类设备的施工，是非常简便的。
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。
实施例一
本案例以在塔筒中用全景相机做图像采集设备为例，全景相机位置标注为P，以塔筒内某一方向（例如1#螺栓位置）为0°，沿逆时针方向，获取塔筒内壁上的4个标记点A、B、C、D对应的以O为圆心的第一方向角，然后测量A、B、C、D四点到P点的物距信息。
各个标记点对应的特征信息（第一方向角和物距信息）描述为：
Figure 422937DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 717652DEST_PATH_IMAGE043
；
Figure 958140DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 846462DEST_PATH_IMAGE045
。
如图3，
Figure 463388DEST_PATH_IMAGE046
联立方程组即可求得图像采集设备水平方向偏移量
Figure 612610DEST_PATH_IMAGE047
、竖直方向偏移量
Figure 555158DEST_PATH_IMAGE048
、塔筒半径
Figure 727513DEST_PATH_IMAGE049
，因为偏心位置为
Figure 69502DEST_PATH_IMAGE050
。
任一标记点N的第一方位角为
Figure 276492DEST_PATH_IMAGE051
，则标记点N的物距信息为
Figure 124362DEST_PATH_IMAGE052
，所以标记点N的特征信息可表示为：
Figure 846331DEST_PATH_IMAGE053
。
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 (6)

1.一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：
在塔筒内壁安装若干个标记点，至少测量三个标记点与图像采集设备之间的物距和在塔筒上的角度；
建立塔筒中心、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；
所述方程式的获取包括：
假设塔筒中心为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 DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 931042DEST_PATH_IMAGE002
为以O为圆心的圆心角，R为塔筒半径；
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_IMAGE003
， 其中
Figure 479835DEST_PATH_IMAGE004
为以P为圆心的圆心角，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为标记点M与图像采集设备P点之间的物距；
P点以O为圆心的坐标还可以记为
Figure 771139DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示P点的偏心位置坐标，其对应 的圆心角记为
Figure 897227DEST_PATH_IMAGE008
；
根据三角形OPM的三角关系可得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（式1）
对式1进行复数向量运算可得：
Figure 564969DEST_PATH_IMAGE010
（式2）
将式2中的虚部、实部分别列等式得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（式3）
式3变换：
Figure 968268DEST_PATH_IMAGE012
（式4）
将式4的方程两边平方之后相加消除变量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，得到：
Figure 555107DEST_PATH_IMAGE014
（式5）
所述式5即为所需要的方程式，其中
Figure 43857DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 515290DEST_PATH_IMAGE005
为已知量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、b、R为未知量；
至少带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。
2.根据权利要求1所述的一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述标记点安装在同一水平面上。
3.根据权利要求2所述的一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：所述标记点在塔筒上的角度获取包括：将标记点安装在螺栓对应的位置，选取任一螺栓记为0°方向，根据标记点对应的螺栓计算其在塔筒上的角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于塔筒外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：
带入三个标记点，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 632151DEST_PATH_IMAGE015
、竖直方 向偏移量b和塔筒半径R的值；
其中，图像采集设备的偏移方向角为
Figure 61995DEST_PATH_IMAGE016
，偏移距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
5.根据权利要求4所述的一种基于塔筒外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。
6.根据权利要求1所述的一种基于塔筒外尺度确定图像采集设备位置的方法，其特征在于：计算塔筒内壁上任一标记点离图像采集设备的物距，包括：
假设任意一标记点N的特征信息为
Figure 772462DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为标记点N以O为圆心的圆心 角，则根据式5得到：
Figure 408105DEST_PATH_IMAGE020
求解上述方程，可得标记点N离图像采集设备物距
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
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