CN116147582B - 一种水下摄影测量定位定向的方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种水下摄影测量定位定向的方法，包括：建立世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系、靶标坐标系，通过标定确定坐标之间的转换关系；根据所述相机坐标系与所述图像坐标系的转换关系，确定光心点在所述图像坐标系的光心成像点；确定所述光轴和设置于介质中的靶标的交点为定位点；根据控制点，建立所述图像坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系以及图像平面与靶标平面的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系的位置；根据所述相机坐标系和所述世界坐标系之间的转换关系以及所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置。

Description

一种水下摄影测量定位定向的方法

技术领域

本申请涉及水下摄影技术领域，尤其涉及一种水下摄影测量定位定向的方法。

背景技术

水下摄影测量技术指的是利用物方空间在水中、像方空间在空气中所拍摄的图像，确定被摄目标几何特性的技术。它是一种近景摄影测量，被广泛应用在海底测图、水深测量、水下考古、水生物研究、海洋工程、星载柔性天线型面精度测量等场景。

光线从一种介质入射至另一种介质时会发生折射，相关的摄影测量方法通常采用修正模型或构像方程模型来克服光线折射导致的测量误差，这些模型需要准确的水体折射率作为参数。然而，在实际水下施工过程中，水体的流动、扬起的泥沙等情况导致测量水域的水体折射率不确定，水体折射率的不确定性会影响水下摄影测量结果的准确性。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种水下摄影测量定位定向的方法该方法使用光轴线作为参照线，使得光轴通过两介质的界面折射时，入射角等于0°，折射角也等于0°。即以该垂直入射的光线作为参照，实现水下定位定向，可以不受水体折射率影响。

为解决上述技术问题，本申请实施例是通过以下各方面实现的。

第一方面，本申请实施例提供了一种水下摄影测量定位定向的方法，包括：在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面，所述光轴为相机坐标系的Z轴，所述介质面为第一介质和第二介质的交界面；根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点，所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点；确定对应于所述光心成像点的定位点，所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中；根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，所述控制点为多个设置于靶标上的可观测实体点；根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置。

第二方面，本申请实施例提供了一种水下摄影测量定位定向的方法，设置光轴垂直于介质面，通过光轴算定位点。定位点和控制点之间的关系是通过结构件确定的，结构件是刚性的，所以这个计算过程也不受折射率影响。所述方法包括调整光轴，使得光轴垂直于介质面；确定光轴上光心成像点，光心点，定位点，在相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系下的位置；确定靶标平面下控制点、定位点的位置。定位点和控制点之间的位置关系是通过靶标结构件固定的，这个结果也是不受折射率影响的。

第三方面，本申请实施例提供了一种水下摄影测量定位定向的方法，包括：在参照对象上安装2套或多套成像装置，在测量对象上安装2套或多套合作靶标。测量系统输出测量对象的位置和姿态。

第四方面，本申请实施例提供了一种水下摄影测量定位定向的装置，包括光轴调整模块，用于在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面，所述光轴为相机坐标系的Z轴，所述介质面为第一介质和第二介质的交界面；第一确定模块，用于根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点，所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点；第二确定模块，用于确定对应于所述光心成像点的定位点，所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中；第一计算模块，用于根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，所述控制点为多个设置于靶标上的可观测实体点；第二计算模块，用于根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置。

在本申请实施例中，通过在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面，所述光轴为相机坐标系的Z轴，所述介质面为第一介质和第二介质的交界面；根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点，所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点；确定对应于所述光心成像点的定位点，所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中；根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，所述控制点为多个设置于靶标上的可观测实体点；根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置，能够实现水下测量定位定向，可以不受水体折射率影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的一种流程示意图；

图1b示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的一种示意图；

图1c示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的另一种示意图；

图2示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的另一种示意图；

图3示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的另一种示意图；

图4示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1a示出本申请实施例提供的水下摄影测量定位定向的方法的一种流程示意图。如图所示，该方法可以包括以下步骤。

步骤S110：在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面。

世界坐标系是客观三维世界的绝对坐标系，也称客观坐标系。数码相机安放在三维空间中，需要世界坐标系这个基准坐标系来描述数码相机的位置，并且用它来描述安放在此三维环境中的其它任何物体的位置，可选的用(Xw,Yw,Zw)表示相机的坐标值。

所述光轴为相机坐标系的Z轴，可选的用用(Xc,Yc,Zc)表示其坐标值。

所述介质面为第一介质和第二介质的交界面。在水下测量情景下，第一介质是空气，第二介质是水体折射。光线在第二介质中发生折射。

相机坐标系，也称光心坐标系，以相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，相机的光轴为Z轴，用(Xc,Yc,Zc)表示其坐标值。靶标坐标系以靶标平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于靶标坐标系的X轴和Y轴，Z轴为平面的垂线，用(X,Y,Z)表示其坐标值。在靶标坐标系下标记有若干控制点，控制点在靶标坐标系下的位置已知。

步骤S120：根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点。

相机坐标系，也称光心坐标系，以相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴。

图像坐标系以CCD图像平面的中心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用(x,y)表示其坐标值。图像坐标系是用物理单位(例如毫米)表示像素在图像中的位置。

所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点。把相机想象成小孔成像，小孔即为相机的光心点。

步骤S130：确定对应于所述光心成像点的定位点。

所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中。所述定位点在所述图标坐标系下对应所述光心成像点。参见图1b,根据成像过程中三点共线的原理，可求解所述定位点在所述图像坐标系的位置。与传统测量依赖实体控制点不同，本方法使用的是光轴和靶标平面的交点这一虚拟测点。

步骤S140：根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置。

靶标坐标以靶标平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于靶标坐标系的X轴和Y轴，Z轴为平面的垂线，可以用(X,Y，Z)表示其坐标值。在靶标坐标系下标记有若干控制点，控制点在靶标坐标系下的位置已知。所述控制点为多个位于所述靶标的可观测实体点，形状为圆形、正方形等，控制点可以发光也可以反光。

步骤S150：根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置。

光心成像点、光心点、定位点的解算过程，通过虚拟控制点实现测量。从该点从世界坐标系至图像坐标系的过程中，不存在折射，该点和其他控制点之间，在靶标坐标系内完成解算，同样不受折射的影响。

本发明实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法，通过在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面，所述光轴为相机坐标系的Z轴，所述介质面为第一介质和第二介质的交界面；根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点，所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点；确定对应于所述光心成像点的定位点，所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中；根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，所述控制点为多个设置于靶标上的可观测实体点；根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置，能够实现水下测量定位定向，可以不受水体折射率影响。

在一种可能的实现方式中，在所述确定在所述图像坐标系下的光心成像点之前还包括：建立所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系，通过标定确定所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系。

通过建立上述坐标系及其之间的转换关系，可以确定光心点、光心成像点、定位点、控制点等在不同坐标系下的位置，进而使测量结果不受折射率影响。

在一种可能的实现方式中，所述在世界坐标系下调整相机的光轴包括：通过相机结构件调整所述光轴；通过所述光轴计算所述定位点的位置；确定所述定位点和所述控制点在所述靶标平面的位置，所述控制点和所述定位点的位置关系是通过靶标结构件确定的。

设置光轴垂直于介质面，通过光轴解算定位点，定位点和控制点之间的关系通过结构件确定。结构件为刚性的，解算过程不受折射率影响。如此，整个测量过程不受折射影响。

在一种可能的实现方式中，在所述通过标定确定坐标之间的转换关系之后，还包括：在所述世界坐标系下调整光轴，使得所述光轴垂直于介质面，所述光轴为所述相机坐标系的Z轴；确定所述光轴上的所述光心成像点、所述光心点以及所述定位点在所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述像素坐标系下的位置；确定所述控制点和所述定位点在所述靶标平面的位置，其中所述控制点和所述定位点的位置关系是通过靶标结构件确定的。

可选的，所述光轴通过光轴追迹法进行标定。靶标所在平面可通过单应性变换进行标定。所述介质面为第一介质和与第一介质不同的第二介质的交界面，可选的，在水下测量摄影场景下，第一介质为水体，第二介质为空气。

可以使用光轴姿态调整系统调整相机的光轴，光轴姿态调整系统由三轴转台及光学系统的装夹装置组成。光轴姿态调整系统与包含相机的成像系统共同设置于防水密封舱内。

光线通过空气和水体的交界面发生折射，入射光线与折射光线传播方向满足折射定律。结合图1c，光线垂直入射于交界面入射时，折射光线、法线和入射光线在同一直线上，即入射角等于0°，折射角也等于0°。光轴可以近似为一条垂直于成像光路(包括交界面)的直线。合作靶标是一个平面，光轴与合作靶标平面的交点是成像系统中唯一的无折射测量点，即定位点。使用根据定位点确定的、垂直于交界面的光轴进行摄影测量，能避免发生光的折射现象，进而避免需要使用折射率参数对测量结果进行修正的情况。例如传统像点改正法等模型需要使用折射率，将沿直线传播的光线修正为折射后真实传播光线，使得双介质摄影测量的问题转化为一般的单介质摄影测量问题。

在一种可能的实现方式中，在所述计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置之后，还包括：根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标系的原点和所述靶标坐标系的原点之间的位移。

所述确定所述相机坐标系的原点和所述靶标坐标系的原点之间的位移包括：在参照对象坐标系O(x,y,z)下，至少两套成像装置安装在O1(x1,y1,z1)～On(xn,yn,zn)处，在测量坐标系On下任意被测点P，在所述参照坐标系下的坐标P’满足方程：

在无法通过调整所述光轴使成像装置坐标系的姿态与参照对象坐标系的姿态一致的情况下，所述光轴与参照对象坐标系之间的夹角为A1(α1,β1,θ1)～An(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A，在所述参照坐标系下姿态A’满足方程：

在所述测量对象坐标系为O’(x,y,z)下，至少两套合作靶标安装在O’1(x1,y1,z1)～O’n(xn,yn,zn)处，在所述靶标坐标系On下任意被测点P，在测量对象坐标系下的坐标P’满足方程：

在无法通过调整合作靶标的位姿使得所述靶标坐标系的姿态与所述测量对象坐标系的姿态一致情况下，合作靶标与坐标系之间的夹角为A’1(α1,β1,θ1)～A’n(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A，在参照坐标系下姿态A’满足方程：

定位点在图像坐标系的位置和定位点在参照坐标系的位置满足以下变换关系：Q_n＝RP_n+T。

Qn表示所述控制点在所述图像坐标系的位置，Pn表示所述控制点在所述参照坐标系的位置，R表示所述成像装置的旋转矩阵，T表示所述成像装置的平移矩阵。

使用成像系统合作靶标进行拍摄，得到包含由发光控制点Q1～Qn组成的图像。可选的，每个发光控制点包括LED光源、壳体和整光束扩散形板。平面合作靶标上的多个控制点在图像坐标系上表示为{Q₁～Q_n}的点集，在参照坐标系上对应表示为{P₁～P_n}。

旋转矩阵和平移矩阵均属于相机的外参矩阵，用于描述世界坐标系中相机的位置及其指向方向。具体的用于指示测量点从图像坐标系到参照坐标系的刚体变换关系。

该刚体变换关系可建模为以下关系：

(R,T)＝argmin∑‖(RP_n+T-Q_n)‖

通过上述模型，刚体变换关系求解问题转化成一个最小值求解问题，可以通过奇异值分解、主成分分析、最小二乘等方式求解控制点在图像坐标系至参照坐标系的变化关系。

因此，基于定位点的在图像坐标系的位置和上述模型，可以得到定位点在参照坐标系的位置。

结合图2，在参照对象上安装2套或以上成像装置，在测量对象上安装2套或以上合作靶标。固定测点可以是合作靶标的几何中心或者任意固定测点。成像装置固定在测量坐标系上，合作靶标固定在被测对象上。每一组成像装置使用相机坐标系作为测量参照，坐标系原点为相机的光心点On，X轴方向为相机光轴方向，Y、Z轴由右手定则确定。测量对象使用合作靶标坐标系作为测量参照，坐标系原点为合作靶标的中心O’n，X’轴垂直于靶标，并与光轴同向，Y’、Z’轴由右手定则确定。光轴和合作靶标的交点为目标定位点P。无折光测点P相对于成像系统坐标系而言是一个非固定的点，相对于测量对象而言也非一个固定的点。因此，通过合作靶标上的控制点，将无折光测点转为位于合作靶标上的固定测点。实现对测量对象上固定控制点的定位测量，从而实现对测量对象的定位。

在一种可能的实现方式中，在参照对象的轴线与测量对象的轴线近似平行的情况下，P’(x’,y’,z’)近似等于P’(x,y,d)，否则，

其中，成像系统测量得到所述定位点在所述靶标坐标系下的坐标P’(x’,y’,z’)。

测量对象在参照坐标系下的位置为O’(x’,y’,z’)，姿态为A’(α’,β’,θ’)。O’(x’,y’,z’)和A’(α’,β’,θ’)为需要被测量的对象。成像装置测量得到目标定位点在合作靶标坐标系下的坐标P’(x,y,z)，通过目标定位点和发光控制点之间的相对位置关系求得。成像系统测量得到目标定位点在合作靶标坐标系下的坐标P’(x’,y’,z’)，该坐标在测量系统光轴上，距离为d的点对应的坐标。

成像装置光轴和靶标平面交点，在参照坐标系下表示为点集{P’1～P’n}，在被测对象坐标系下表示为{P1～Pn}。他们之间也满足刚体变换关系。

通过成像系统和合作靶标固定测点之间的相对定位，可以实现不受折射率影响的水下摄影测量定位。

图3示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的方法的另一种示意图。结合图3，在所述确定所述光轴和设置于介质中的靶标的交点为定位点之后，还包括：根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标与所述靶标坐标系之间的夹角。

确定所述相机坐标与所述靶标坐标系之间的夹角包括：

确定测量对象和成像系统光轴之间x方向上夹角α满足方程：

其中，L为平行安装的成像装置的光的间距，L2为所述靶标的间距，2套相机光轴和合作靶标分别相交于P1和P2点，P1点和P2点间距为L’，ΔP₁(x)和ΔP₂(x)表示光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的x方向上的偏移量；

确定测量对象和成像系统光轴之间y方向上夹角β满足方程：

ΔP₁(y)和ΔP₂(y)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的y方向上的偏移量；

确定测量对象和成像系统光轴之间z方向上夹角θ满足方程：

ΔP₁(z)和ΔP₂(z)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的z方向上的偏移量。

在完成测量系统的安装后，测量光轴间距L和合作靶标间距L2，即可以实现通过多个无折光测点P的相对偏移ΔPn，实现对测量对象的定向。

在一种可能的实现方式中，被测对象相较于参照对象的姿态(α,β,θ)满足方程：

其中，多组相对姿态为(α_ij,β_ij,θ_ij)，i和j分别对应第i套成像系统和第j套成像系统，n为相对姿态测量的总数。

i对应于第i台成像装置和第i个靶标，j对应于第j台成像装置和第j个靶标，通过对多套成像装置和对应的靶标获取多个姿态，对获取到的姿态结果先加和再取平均数，能获取准确的定向结果。

本申请实施例提供的水下摄影测量定位定向的方法，利用成像装置光轴不受水体折射率影响这一特性进行水下摄影测量。具体的，利用光心成像点(Cx,Cy)、光心点(Ox,Oy)、目标定位点(Px,Py)来标定和调整成像装置光轴，使得测量系统的光轴不受折射率影响。其次，通过引入虚拟控制点，即目标定位点，实现坐标转换，对测量对象上的测量点进行定位。目标定位点为相机光轴和合作靶标平面的交点，其不受折光影响。再次，利用多条平行光轴在合作靶标平面上的坐标偏差，进行定向。本方法能够实现水下定位定向，可以不受水体折射率影响。

图4示出本申请实施例提供的一种水下摄影测量定位定向的装置的结构示意图，该装置400包括：光轴调整模块410、第一确定模块420，第二确定模块430，第一计算模块440和第二计算模块450。

标定模块410，用于建立世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系、靶标坐标系，通过标定确定坐标之间的转换关系；第一确定模块420，用于根据所述相机坐标系与所述图像坐标系的转换关系，确定光心点在所述图像坐标系的光心成像点，所述光心点为所述相机坐标系的原点，所述光心成像点为所述光心在所述图像坐标系的投影点，位于所述光轴和电荷耦合器件CCD所在平面的交点；第二确定模块430，用于确定所述光轴和设置于介质中的靶标的交点为定位点，所述定位点在所述图标坐标系下对应所述光心成像点；第一计算模块440，用于根据控制点，建立所述图像坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系以及图像平面与靶标平面的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系的位置，所述控制点为多个位于所述靶标的可观测实体点；第二计算模块450，用于根据所述相机坐标系和所述世界坐标系之间的转换关系以及所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置。

在一种可能的实现方式中，水下摄影测量定位定向的装置还包括第三确定模块，用于建立所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系，通过标定确定所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系。

在一种可能的实现方式中，所述光轴调整模块还用于通过相机结构件调整所述光轴；通过所述光轴计算所述定位点的位置；确定所述定位点和所述控制点在所述靶标平面的位置，所述控制点和所述定位点的位置关系是通过靶标结构件确定的。

在一种可能的实现方式中，水下摄影测量定位定向的装置还包括第四确定模块，用于根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标系的原点和所述靶标坐标系的原点之间的位移。

在一种可能的实现方式中，所述第四确定模块还用于在参照对象坐标系O(x,y,z)下，至少两套成像装置安装在O1(x1,y1,z1)～On(xn,yn,zn)处，在测量坐标系On下任意被测点P，在所述参照坐标系下的坐标P’满足方程：

在无法通过调整所述光轴使成像装置坐标系的姿态与参照对象坐标系的姿态一致的情况下，所述光轴与参照对象坐标系之间的夹角为A1(α1,β1,θ1)～An(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A，在所述参照坐标系下姿态A’满足方程：

在所述测量对象坐标系为O’(x,y,z)下，至少两套合作靶标安装在O’1(x1,y1,z1)～O’n(xn,yn,zn)处，在所述靶标坐标系On下任意被测点P，在测量对象坐标系下的坐标P’满足方程：

在无法通过调整合作靶标的位姿使得所述靶标坐标系的姿态与所述测量对象坐标系的姿态一致情况下，合作靶标与坐标系之间的夹角为A’1(α1,β1,θ1)～A’n(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A，在参照坐标系下姿态A’满足方程：

在一种可能的实现方式中，所述第四确定模块还用于在参照对象的轴线与测量对象的轴线近似平行的情况下，P’(x’,y’,z’)近似等于P’(x,y,d)，否则，

其中，成像系统测量得到所述定位点在所述靶标坐标系下的坐标P’(x’,y’,z’)。

在一种可能的实现方式中，水下摄影测量定位定向的装置还包括第五确定模块，用于根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标与所述靶标坐标系之间的夹角。

在一种可能的实现方式中，第五确定模块还用于确定测量对象和成像系统光轴之间x方向上夹角α满足方程：

其中，L为平行安装的成像装置的光的间距，L2为所述靶标的间距，2套相机光轴和合作靶标分别相交于P1和P2点，P1点和P2点间距为L’，ΔP₁(x)和ΔP₂(x)表示光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的x方向上的偏移量；

确定所述测量对象和所述成像系统光轴之间y方向上夹角β满足方程：

ΔP₁(y)和ΔP₂(y)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的y方向上的偏移量；

确定所述测量对象和所述成像系统光轴之间z方向上夹角θ满足方程：

ΔP₁(z)和ΔP₂(z)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的z方向上的偏移量。

在一种可能的实现方式中，第五确定模块还用于被测对象相较于参照对象的姿态(α,β,θ)满足方程：

其中，多组相对姿态为(α_ij,β_ij,θ_ij)，i和j分别对应第i套成像系统和第j套成像系统，n为相对姿态测量的总数。

本申请实施例提供的该装置400，可执行前文方法实施例中所述的各方法，并实现前文方法实施例中所述的各方法的功能和有益效果，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (3)

1.一种水下摄影测量定位定向的方法，包括：

在世界坐标系下调整相机的光轴，使所述光轴垂直于介质面，所述光轴为相机坐标系的Z轴，所述介质面为第一介质和第二介质的交界面；

根据所述相机坐标系与图像坐标系之间的转换关系，确定位于所述光轴和电荷耦合器件CCD平面的交点处的光心成像点，所述光心成像点为相机的光心在所述图像坐标系的投影点，所述光心为所述相机坐标系的原点；

确定对应于所述光心成像点的定位点，所述定位点为位于所述光轴和靶标平面的交点处的虚拟测量点，所述靶标设置于所述第二介质中；

根据基于控制点建立的所述图像坐标系与靶标坐标系之间的转换关系，计算所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，所述控制点为多个设置于靶标上的可观测实体点；

根据所述相机坐标系与所述世界坐标系之间的转换关系、所述相机坐标系与所述靶标坐标系之间的转换关系以及所述定位点在所述靶标坐标系下的位置，计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置；

其中，在所述计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置之后，还包括：根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标系的原点和所述靶标坐标系的原点之间的位移；

其中，所述确定所述相机坐标系的原点和所述靶标坐标系的原点之间的位移包括：

在参照对象坐标系O(x,y,z)下，至少两套成像装置安装在O1(x1,y1,z1)～On(xn,yn,zn)处，在测量坐标系On下任意被测点P，在所述参照对象坐标系下的坐标P’满足方程：

在无法通过调整所述光轴使相机坐标系的姿态与参照对象坐标系的姿态一致的情况下，所述光轴与所述参照对象坐标系之间的夹角为A1(α1,β1,θ1)～An(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A，在所述参照对象坐标系下姿态A’满足方程：

在测量对象坐标系为O’(x,y,z)下，至少两套合作靶标安装在O’1(x1,y1,z1)～O’n(xn,yn,zn)处，所述测量对象坐标系为测量对象所在的坐标系，在所述靶标坐标系O’n下任意被测点P0，在所述测量对象坐标系下的坐标P0’满足方程：

在无法通过调整合作靶标的位姿使得所述靶标坐标系的姿态与所述测量对象坐标系的姿态一致情况下，合作靶标与所述测量对象坐标系之间的夹角为A’1(α1,β1,θ1)～A’n(αn,βn,θn)，测量坐标系On下任意被测姿态A0，在所述测量对象坐标系下姿态A0’满足方程：

其中，在所述计算所述控制点在所述世界坐标系下的位置之后，还包括：

根据所述相机坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系，确定所述相机坐标与所述靶标坐标系之间的夹角；

其中，确定所述相机坐标与所述靶标坐标系之间的夹角包括：

确定测量对象和成像系统光轴之间x方向上夹角α满足方程：

其中，L为平行安装的成像装置的光轴之间的间距，L2为合作靶标之间的间距，2套成像装置的光轴和合作靶标分别相交于P1和P2点，ΔP₁(x)和ΔP₂(x)表示光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的x方向上的偏移量，所述成像系统包括所述成像装置；

确定所述测量对象和所述成像系统光轴之间y方向上夹角β满足方程：

ΔP₁(y)和ΔP₂(y)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的y方向上的偏移量；

确定所述测量对象和所述成像系统光轴之间z方向上夹角θ满足方程：

ΔP₁(z)和ΔP₂(z)是光轴交点相对于靶标T1和靶标T2中心点的z方向上的偏移量；

其中，被测对象相较于参照对象的姿态(α,β,θ)满足方程：

其中，多组相对姿态为(α_ij,β_ij,θ_ij)，i和j分别对应第i套成像系统和第j套成像系统，n为相对姿态测量的总数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述确定在所述图像坐标系下的光心成像点之前还包括：

建立所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系，通过标定确定所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述图像坐标系和所述靶标坐标系之间的转换关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在世界坐标系下调整相机的光轴包括：

通过相机结构件调整所述光轴；

通过所述光轴计算所述定位点的位置；

确定所述定位点和所述控制点在所述靶标平面的位置，所述控制点和所述定位点的位置关系是通过靶标结构件确定的。