CN114061472A - 基于标靶的测量坐标误差修正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法，通过在标靶中标记出多个特征点，并测量每个特征点与标靶中心之间的距离Dn；将标靶中心设为基准点O，测量基准点O的三维坐标(x₀,y₀,z₀)；计算出初始图像中每一个像素点的尺寸L，并且获得初始图像中的每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)；根据像素点的尺寸L，重新确定每个特征点与标靶中心之间的距离Dn’，并且获得下一帧图像中每个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)；将每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)与三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)进行比较及修正。利用本发明，能够减少测量坐标的误差。

Description

基于标靶的测量坐标误差修正的方法

技术领域

本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法。

背景技术

市政、桥梁、水利、土木等工程变形监测是结构健康监测的重要内容，是评价结构稳定性的重要指标。以水准仪、全站仪等为代表的常规测量方法，这些监测手段工作量大，受仪器操作方式的影响较大。因此衍生了基于机器视觉的变形监测测量技术，其融合了摄影测量、图像处理和计算机技术，通过计算机对图像进行处理，比较目标点影像在图像序列上的变化，可以计算出二维位移变形。

例如，将标靶安装在目标结构上，采用单目摄像机可对与其成像面平行的平面内靶标位移进行二维平面内的有效监测。但是单目摄像机不具备测距功能，当标靶因为外力因素发生偏转或与摄像机之间的距离改变时，通过图像识别技术将不能准确识别到靶标在二维平面内的位移。并且，因为标靶与摄像机之间的距离改变，会导致原有图像像素点标定尺寸不准确，从而对靶标位移的测量会出现较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的基于机器视觉的变形监测方法存在测量误差的技术问题。本发明提供一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法，能够对标靶的测量坐标进行实时修正，提高后续变形监测的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法，采用摄像装置及标靶，所述标靶安装在监测对象上，所述摄像装置包括摄像头及测距模块，所述摄像头的成像面B正对于所述标靶所在的平面A，所述测距模块与所述摄像头连接，且所述测距模块位于所述摄像头和所述标靶之间，所述测距模块所在的平面C平行于所述平面A。

所述方法包括以下步骤：

S1：在所述标靶中标记出多个特征点，并测量每个特征点与标靶中心之间的距离Dn；

S2：将所述标靶中心设为基准点O，测量所述基准点O的三维坐标(x₀,y₀,z₀)；利用所述摄像装置连续拍摄所述标靶的图像，将初始时刻拍摄到的图像记为初始图像，将初始时刻之后拍摄到的图像记为下一帧图像；计算出所述初始图像中每一个像素点的尺寸L，并且获得所述初始图像中的每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)；

S3：根据所述像素点的尺寸L，在所述下一帧图像中，重新确定每个特征点与所述标靶中心之间的距离Dn’，并且获得下一帧图像中每个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)；

S4：将每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)与三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)进行比较，若两者相等，则说明所述标靶所在的平面A与成像面B保持平行，且所述平面A与所述测距模块之间的距离未发生变化，不用对测量坐标进行修正，继续监测所述标靶的位移情况；

若两者不相等，则说明标靶所在的平面A发生了偏转或/和所述平面A与所述测距模块之间的距离发生了变化，要对所述标靶的测量坐标进行修正。

进一步地，所述标靶为正方形，所述标靶上绘制有多个圆环，记过所述标靶中心点的水平方向的垂线为垂线H1，及过所述标靶中心点的竖直方向的垂线为垂线H2，所述垂线H1和H2与圆环的交点即为标靶的特征点，一个圆环能够标记出四个特征点。

进一步地，所述像素点的尺寸L的计算公式为L＝d₁/m，其中，d₁为标靶边框的实际尺寸，m为初始图像中标靶边框占有的像素点数量。

进一步地，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间的差值均为Δy时，说明标靶所在的平面A继续与成像面B保持平行，但是标靶所在的平面A与测距模块之间的距离发生了改变，要将基准点O的三维坐标修正为(x₀,y₀+Δy,z₀)，同时对像素点的尺寸L进行重新标定。

进一步地，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化存在增大、减小及比不变时，说明标靶的第一转动轴与测距模块之间的距离未改变，但是标靶所在的平面A发生了偏转，要对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正。

进一步地，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化为同时增大或者同时减小，并且增大或者减小的程度不同时，说明标靶所在的平面A与测距模块之间的距离发生改变，且标靶所在的平面A发生了偏转，要对下一帧图像中的特征点的三维坐标及基准点O的三维坐标同时进行修正，同时对像素点尺寸L进行重新标定。

进一步地，对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正具体包括：

S50：利用所述测距模块找到所述下一帧图像中y值改变最小的两个特征点，分别记为特征点E1和特征点E2，将特征点E1和特征点E2的连线设为所述标靶的第一转动轴；所述标靶所在的平面A发生偏转后，记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₁；

S51：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第一转动轴与所述中心点Q₁之间的垂直距离d₂；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₁与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₁；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度α为：α＝arctan(ΔD₁/d₂)；

S52：设特征点E1和特征点E2位于同一象限，在初始图像中，记特征点E1和特征点E2对应位置的特征点为E1’和E2’，所述特征点E1’和E2’与中心点Q₀之间的距离分别为X_特和Z_特；此时，可以计算出下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X_偏和Z_偏：

S53：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y_偏＝ΔD₁；将计算得到的偏移量X_偏、Y_偏和Z_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

进一步地，对下一帧图像中的特征点的三维坐标及基准点O的三维坐标同时进行修正具体包括：

S60：利用所述测距模块找到所述下一帧图像中y值变化相同的两个特征点，分别记为特征点E3和特征点E4，将特征点E3和特征点E4的连线设为所述标靶的第二转动轴；记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₂；

S61：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第二转动轴与所述中心点Q₂之间的垂直距离d₃；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₂与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₂；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度β为：β＝arctan(ΔD₂/d₃)；

S62：设特征点E3和特征点E4位于同一象限，在初始图像中，记特征点E3和特征点E4对应位置的特征点为E3’和E4’，所述特征点E3’和E4’与中心点Q₀之间的距离分别为X’_特和Z’_特；此时，可以计算出下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X’_偏和Z’_偏：

S63：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y’_偏＝ΔD₂；设所述标靶所在的平面A与测距模块之间的距离改变了Δy'，则基准点O的坐标需要修正为(x₀,y₀+Δy',z₀)，则将计算得到的偏移量X’_偏、Y’_偏和Z’_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

进一步地，若下一帧图像中心点Q₁的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是增大的，则Y_偏为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值；若下一帧图像中心点Q₁的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是减小的，则Y_偏为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值。

进一步地，若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是增大的，则Y’_偏为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值；若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是减小的，则Y’_偏为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值。

本发明的有益效果如下：

本发明的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，通过测距模块能够测量出标靶与测距模块之间的距离，从而建立三维坐标系，通过将下一帧图像的特征点尺寸和初始图像的特征点尺寸进行比较，能够判断出标靶是否发生偏转以及标靶与测距模块之间的距离是否改变，如果发生改变，则自动对特征点的坐标进行修正，减小后续监测的测量误差。在靶标偏转处理的过程中，可以通过适当增减靶标中圆环的数量改变数据修正的精度，增加了使用的灵活性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的基于标靶的测量坐标误差修正的方法的流程图。

图2是本发明的标靶的示意图。

图3是本发明的标靶偏转的示意图。

图4a是本发明的标靶偏转后的拍摄图像。

图4b是本发明的标靶偏转后的实际图像。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法，采用摄像装置及标靶，标靶安装在监测对象上，摄像装置包括摄像头及测距模块，摄像头的成像面B正对于标靶所在的平面A，测距模块与摄像头连接，且测距模块位于摄像头和标靶之间，测距模块所在的平面C平行于平面A。在本实施例中，摄像头为单目摄像机，用于采集标靶的图像，测距模块用于测量标靶与摄像头之间的距离。在初始状态时，需要将标靶所在的平面A设置成与摄像头成像面B平行，这样才能使得后续的偏差修正是准确的。

如图1所示，一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法包括以下步骤。

S1：在标靶中标记出多个特征点，并测量每个特征点与标靶中心之间的距离Dn。

需要说明的是，本实施例采用的标靶为正方形，例如是20cm*20cm，标靶上绘制有多个圆环(如图2所示，多个圆环同心的，可以是黑白相间的)。记过标靶中心点的水平方向的垂线为垂线H1，及过标靶中心点的竖直方向的垂线为垂线H2，垂线H1和H2与圆环的交点即为标靶的特征点，一个圆环能够标记出四个特征点。也就是说，标靶上圆环的数量越多，能够标记出的特征点越多，在本实施例中，标靶上圆环的数量可以是8-10个，这样既能保证位移变化监测的精度，同时不会使得计算机运算量太大，保证运算效率。每个特征点与标靶中心点之间的距离可以提前通过游标卡尺(分辨率为0.01mm)进行测量。

S2：将标靶中心设为基准点O，测量基准点O的三维坐标(x₀,y₀,z₀)；利用摄像装置连续拍摄标靶的图像，将初始时刻拍摄到的图像记为初始图像，将初始时刻之后拍摄到的图像记为下一帧图像；计算出初始图像中每一个像素点的尺寸L，并且获得初始图像中的每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)。

需要说明的是，将标靶中心点设为基准点O，通过全站仪可以测量到基准点O的三维坐标(x₀,y₀,z₀)。以基准点O为原点可以建立三维坐标系，其中XOZ平面为标靶所在的平面，Y方向表示标靶与测距模块之间的距离。将初始时刻拍摄到的标靶图像记为初始图像，初始图像是后续比较的基准。将初始时候之后拍摄到的标靶图像记为下一帧图像，下一帧图像可以是多个。监测目标对象的位移变化时，需要将采集到的所有下一帧图像均与初始图像进行比较，主要是特征点与特征点之间的比较。在开始比较之前，首先需要进行初始图像像素尺寸的标定，例如，标靶边框的实际尺寸为d₁，初始图像中标靶边框占有的像素点数量为m，初始图像中每一个像素点的尺寸L＝d₁/m。得到初始图像的每一个像素点的尺寸后，可以根据每个特征点与基准点O之间的距离Dn占据几个像素点计算出初始图像中每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)。

S3：根据像素点的尺寸L，在下一帧图像中，重新确定每个特征点与标靶中心之间的距离Dn’，并且获得下一帧图像中每个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)。

需要说明的是，在下一帧图像中的特征点的数量和位置均与初始图像相同，采集到标靶的下一帧图像后，需要重新确定每个特征点与标靶中心点之间的距离Dn’，然后确定距离Dn’在下一帧图像中占据多少个像素点，将像素点数量乘以尺寸L即可获得下一帧图像中每个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)。

S4：将每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)与三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)进行比较，若两者相等，说明标靶所在的平面A与成像面B仍然保持平行，且平面A与测距模块之间的距离未发生变化，继续监测标靶的位移情况；若两者不相等，说明标靶所在的平面A发生了偏转或/和平面A与测距模块之间的距离发生了变化，需要对标靶的测量坐标进行修正。

需要说明的是，进行坐标比较时，是相同位置的特征点之间的比较，两个图像中特征点三维坐标的比较结果分为以下几种：

(1)下一帧图像中的每个特征点三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)均相同，说明在监测过程中标靶所在的平面A未发生偏转且标靶与测距模块之间的距离也未发生改变，此时，不需要对测量坐标进行修正，继续监测标靶的位移情况。

(2)下一帧图像中的每个特征点三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)不相同，且下一帧图像中所有特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间的差值均为Δy。此时，说明标靶所在的平面A与摄像头成像面B仍然保持平行(未发生偏转)，但是标靶与测距模块之间的距离发生了改变(例如是标靶向测距模块靠近或者远离)，此时，需要将基准点O的三维坐标修正为(x₀,y₀+Δy,z₀)，若标靶是向测距模块靠近的，则Δy为负值，若标靶是向测距模块远离的，则Δy为正值。另外，还需要对下一帧图像的像素点尺寸进行重新标定，例如，当标靶与测距模块之间的距离是增大的，那么摄像头拍摄到的标靶图像是缩小的，每一个像素点表示的尺寸会增大。假设标靶实际边长为0.5米，标靶与测距模块之间的距离为10米，在初始图像中标靶边长占据了10个像素点，那么每个像素点的尺寸为0.05米；当标靶与测距模块之间的距离增大到50米时，标靶边长在图像中可能只占据了1个像素点，那么此时图像中每个像素点的尺寸为0.5米。因为摄像装置采集到的的标靶图像并不只是用来修正误差使用，同时还用于对结构物的位移监测，因此，为了提高位移监测的精度，当标靶与测距模块之间的距离发生改变时，需要重新标定图像像素点的尺寸。

(3)下一帧图像中的每个特征点三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)不相同，且下一帧图像中的特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化存在增大、减小及不变的情况(比如有些特征点坐标的y值是增大的，有些是减小的，有些是不变的)。此时，说明标靶的第一转动轴与测距模块之间的距离未改变，但是标靶所在的平面A发生了偏转，需要对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正。例如，图3展示了一种标靶所在的平面A发生偏转的情况，为了方便说明，用标靶的侧视图来表示。从图3中可以发现，标靶的上部分与测距模块之间的距离是增大的，标靶下部分与测距模块之间的距离是减小的。

此时，对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正具体包括以下步骤。

S50：利用测距模块找到下一帧图像中y值改变最小的两个特征点，分别记为特征点E1和特征点E2，将特征点E1和特征点E2的连线设为标靶的第一转动轴；标靶所在的平面A发生偏转后，记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₁。

S51：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第一转动轴与所述中心点Q₁之间的垂直距离d₂；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₁与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₁；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度α为：α＝arctan(ΔD₁/d₂)。

请参考图3，标靶发生偏转后，摄像头拍摄到的下一帧图像仍然是平面的(例如是图3中虚线，可以将下一帧图像近似认为是实际图像的投影)，这就会导致下一帧图像中的特征点与中心点Q₁之间的距离小于实际距离，在特征点坐标会产生偏差，因此需要计算出这个偏差来对下一帧图像中的特征点坐标进行修正。从图3中可以发现，偏转角度α、垂直距离d₂及差值ΔD₁三者之间的关系为tanα＝ΔD₁/d₂，而ΔD₁和d₂的值是已知的，因此可以计算出标靶的偏转角度为：α＝arctan(ΔD₁/d₂)。得到偏转角度后，可以进一步计算出特征点的偏移量。

S52：设特征点E1和特征点E2位于同一象限，在初始图像中，记特征点E1和特征点E2对应位置的特征点为E1’和E2’，所述特征点E1’和E2’与中心点Q₀之间的距离分别为X_特和Z_特；此时，计算下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X_偏和Z_偏具体过程如下：

请参考图4a和图4b，图4a表示标靶偏转后的拍摄图像，图4b表示标靶偏转后的实际图像。发生偏转后，垂直距离d₂在X方向和Z方向的分量分别为X₀和Z₀，设∠OX_特Z_特为θ，则

根据三角相似定理，可以得到

由于垂直距离d₂是标靶偏转后拍摄到的下一帧图像上的距离，而标靶偏转后实际中心点到第一转动轴的垂直距离为d₂/cosα，则标靶偏转后实际垂直距离d₂/cosα在X方向和Z方向的分量分别为X₁和Z₁，则

将公式(3)与公式(2)相减，即可得到标靶中心点在X方向和Z方向的偏移量X_偏和Z_偏：

S53：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y_偏＝ΔD₁；将计算得到的偏移量X_偏、Y_偏和Z_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，可以得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

需要注意的是，标靶偏转分为两种情况，向靠近摄像头的方向偏转或者向远离摄像头的方向偏转。标靶的偏转情况可以根据ΔD₁的大小来判断。

若下一帧图像中心点Q₁的y值(y₁)相对于初始图像中心点Q₀的y值(y₀)是增大的(即ΔD₁＝y1-y0>0)，则标靶是向远离摄像头的方向偏转的，此时Y_偏为负值。若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值。

若下一帧图像中心点Q₁的y值(y₁)相对于初始图像中心点Q₀的y值(y₀)是减小的(即ΔD₁＝y1-y0<0)，则标靶是向靠近摄像头的方向偏转的，此时Y_偏为正值。若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值。

(4)下一帧图像中的每个特征点三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)不相同，且下一帧图像中的特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化为同时增大或者同时减小时(但每个特征点的变化程度不一定相同)，说明标靶所在的平面A与测距模块之间的距离发生改变，且标靶所在的平面A发生了偏转，需要对下一帧图像中的特征点的三维坐标及基准点O的三维坐标同时进行修正。具体过程如下：

S60：利用所述测距模块找到所述下一帧图像中y值变化相同的两个特征点，分别记为特征点E3和特征点E4，将特征点E3和特征点E4的连线设为所述标靶的第二转动轴；记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₂。

S61：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第二转动轴与所述中心点Q₂之间的垂直距离d₃；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₂与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₂；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度β为：β＝arctan(ΔD₂/d₃)。具体计算过程与步骤S51相同，此处不再赘述。

S62：设特征点E3和特征点E4位于同一象限，在初始图像中，记特征点E3和特征点E4对应位置的特征点为E3’和E4’，所述特征点E3’和E4’与中心点Q0之间的距离分别为X’_特和Z’_特；此时，可以计算出下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X’_偏和Z’_偏：

X’_偏和Z’_偏的具体推导过程请参考步骤S52，此处不再赘述。

S63：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y’_偏＝ΔD₂；设所述标靶所在的平面A与测距模块之间的距离改变了Δy'，则基准点O的坐标需要修正为(x₀,y₀+Δy',z₀)，则将计算得到的偏移量X’_偏、Y’_偏和Z’_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

同样地，标靶偏转也分为两种情况，向靠近摄像头的方向偏转或者向远离摄像头的方向偏转。标靶的偏转情况可以根据ΔD₂的大小来判断。

若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是增大的，则标靶是向远离摄像头的方向偏转的，此时Y’_偏为负值。若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值。

若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是减小的，则标靶是向靠近摄像头的方向偏转的，此时Y’_偏为正值。若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值。

综上所述，本发明的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，通过测距模块能够测量出标靶与测距模块之间的距离，从而建立三维坐标系，通过将下一帧图像的特征点尺寸和初始图像的特征点尺寸进行比较，能够判断出标靶是否发生偏转以及标靶与测距模块之间的距离是否改变，如果发生改变，则自动对特征点的坐标进行修正，减小后续监测的测量误差。在靶标偏转处理的过程中，可以通过适当增减靶标中圆环的数量改变数据修正的精度，增加了使用的灵活性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，采用摄像装置及标靶，所述标靶安装在监测对象上，所述摄像装置包括摄像头及测距模块，所述摄像头的成像面B正对于所述标靶所在的平面A，所述测距模块与所述摄像头连接，且所述测距模块位于所述摄像头和所述标靶之间，所述测距模块所在的平面C平行于所述平面A；

所述方法包括以下步骤：

S1：在所述标靶中标记出多个特征点，并测量每个特征点与标靶中心之间的距离Dn；

S2：将所述标靶中心设为基准点O，测量所述基准点O的三维坐标(x₀,y₀,z₀)；利用所述摄像装置连续拍摄所述标靶的图像，将初始时刻拍摄到的图像记为初始图像，将初始时刻之后拍摄到的图像记为下一帧图像；计算出所述初始图像中每一个像素点的尺寸L，并且获得所述初始图像中的每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)；

S3：根据所述像素点的尺寸L，在所述下一帧图像中，重新确定每个特征点与所述标靶中心之间的距离Dn’，并且获得下一帧图像中每个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)；

S4：将每个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)与三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)进行比较，若两者相等，则说明所述标靶所在的平面A与成像面B保持平行，且所述平面A与所述测距模块之间的距离未发生变化，不用对测量坐标进行修正，继续监测所述标靶的位移情况；

若两者不相等，则说明标靶所在的平面A发生了偏转或/和所述平面A与所述测距模块之间的距离发生了变化，要对所述标靶的测量坐标进行修正。

2.如权利要求1所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，所述标靶为正方形，所述标靶上绘制有多个圆环，记过所述标靶中心点的水平方向的垂线为垂线H1，及过所述标靶中心点的竖直方向的垂线为垂线H2，所述垂线H1和H2与圆环的交点即为标靶的特征点，一个圆环能够标记出四个特征点。

3.如权利要求2所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，所述像素点的尺寸L的计算公式为L＝d₁/m，其中，d₁为标靶边框的实际尺寸，m为初始图像中标靶边框占有的像素点数量。

4.如权利要求1所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，步骤S4中，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：

当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间的差值均为Δy时，说明标靶所在的平面A继续与成像面B保持平行，但是标靶所在的平面A与测距模块之间的距离发生了改变，要将基准点O的三维坐标修正为(x₀,y₀+Δy,z₀)，同时对像素点的尺寸L进行重新标定。

5.如权利要求1所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，步骤S4中，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：

当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化存在增大、减小及不变时，说明标靶的第一转动轴与测距模块之间的距离未改变，但是标靶所在的平面A发生了偏转，要对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正。

6.如权利要求1所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，步骤S4中，对所述标靶的测量坐标进行修正包括：

当所述下一帧图像中的多个特征点的三维坐标(x'_n,y'_n,z'_n)与初始图像中的多个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)之间y值变化为同时增大或者同时减小，并且增大或者减小的程度不同时，说明标靶所在的平面A与测距模块之间的距离发生改变，且标靶所在的平面A发生了偏转，要对下一帧图像中的特征点的三维坐标及基准点O的三维坐标同时进行修正，同时对像素点的尺寸L进行重新标定。

7.如权利要求5所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，对下一帧图像中的特征点的三维坐标进行修正具体包括：

S50：利用所述测距模块找到所述下一帧图像中y值改变最小的两个特征点，分别记为特征点E1和特征点E2，将特征点E1和特征点E2的连线设为所述标靶的第一转动轴；所述标靶所在的平面A发生偏转后，记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₁；

S51：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第一转动轴与所述中心点Q₁之间的垂直距离d₂；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₁与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₁；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度α为：α＝arctan(ΔD₁/d₂)；

S52：设特征点E1和特征点E2位于同一象限，在初始图像中，记特征点E1和特征点E2对应位置的特征点为E1’和E2’，所述特征点E1’和E2’与中心点Q₀之间的距离分别为X_特和Z_特；此时，可以计算出下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X_偏和Z_偏：

S53：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y_偏＝ΔD₁；将计算得到的偏移量X_偏、Y_偏和Z_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

8.如权利要求6所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，对下一帧图像中的特征点的三维坐标及基准点O的三维坐标同时进行修正具体包括：

S60：利用所述测距模块找到所述下一帧图像中y值变化相同的两个特征点，分别记为特征点E3和特征点E4，将特征点E3和特征点E4的连线设为所述标靶的第二转动轴；记初始图像的中心点为中心点Q₀，摄像装置拍摄到的下一帧图像的中心点为中心点Q₂；

S61：根据所述像素点的尺寸L及像素点数量，得到所述第二转动轴与所述中心点Q₂之间的垂直距离d₃；通过测距模块测量到的数据，计算出下一帧图像中心点Q₂与初始图像中心点Q₀之间y值的差值ΔD₂；所述下一帧图像与初始图像之间的偏转角度β为：β＝arctan(ΔD₂/d₃)；

S62：设特征点E3和特征点E4位于同一象限，在初始图像中，记特征点E3和特征点E4对应位置的特征点为E3’和E4’，所述特征点E3’和E4’与中心点Q₀之间的距离分别为X’_特和Z’_特；此时，可以计算出下一帧图像相对于初始图像在X方向和Z方向的偏移量X’_偏和Z’_偏：

S63：下一帧图像相对于初始图像在Y方向的偏移量Y’_偏＝ΔD₂；设所述标靶所在的平面A与测距模块之间的距离改变了Δy'，则基准点O的坐标需要修正为(x₀,y₀+Δy',z₀)，则将计算得到的偏移量X’_偏、Y’_偏和Z’_偏与初始图像上的各个特征点的三维坐标(x_n,y_n,z_n)进行运算，得到修正后的下一帧图像中的各个特征点的新三维坐标(x'_修,y'_修,z'_修)：

9.如权利要求7所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，

若下一帧图像中心点Q₁的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是增大的，则Y_偏为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值；

若下一帧图像中心点Q₁的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是减小的，则Y_偏为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第一象限，则X_偏和Z_偏均为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第二象限，则X_偏为负值，Z_偏为正值；若特征点E1和特征点E2均位于第三象限，则X_偏和Z_偏均为负值；若特征点E1和特征点E2均位于第四象限，则X_偏为正值，Z_偏为负值。

10.如权利要求8所述的基于标靶的测量坐标误差修正的方法，其特征在于，

若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是增大的，则Y’_偏为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值；

若下一帧图像中心点Q₂的y值相对于初始图像中心点Q₀的y值是减小的，则Y’_偏为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第一象限，则X’_偏和Z’_偏均为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第二象限，则X’_偏为负值，Z’_偏为正值；若特征点E3和特征点E4均位于第三象限，则X’_偏和Z’_偏均为负值；若特征点E3和特征点E4均位于第四象限，则X’_偏为正值，Z’_偏为负值。

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