CN1818550A - 基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，该装置包括升空气球动力部分、摄影方位控制部分和立体视觉摄影部分。升空气球动力部分是整个摄影测量装置的动力源；摄影方位控制部分是在三维空间对摄像方位进行调节的功能部件；立体视觉摄影部分是结合立体视觉摄像机自标定原理进行的摄影图像采集功能部件。利用该摄影测量装置并结合立体视觉技术可以快速得到三维地貌等大场景的空间三维几何信息，特别适合于对无变化规律的复杂场景的反求测量。装置具有摄像稳定可靠、设备简单、易于实现、拍摄成本低等特点。能够直观的对摄像方向进行全方位调节，有利于取得良好的拍摄效果，在一次气球升空过程中得到多个对象的立体像对。

Description

基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置

                        技术领域

本发明属于立体视觉摄影测量领域，涉及一种立体视觉摄影测量装置，特别涉及一种基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，该装置能够满足摄像机自标定要求，实现对空间大场景三维形貌的遥控高空摄影测量。

                        背景技术

三维物体的反求测量在现代制造业中有着广泛的应用。目前三维物体的反求测量技术主要包括三坐标测量、投影光栅测量、激光扫描测量、立体视觉测量等。其中前三种测量方法与立体视觉测量方法相比具有测量精度高，但是测量速度较慢，而且只能测量平置于工作台上的小型物体，无法满足对大尺寸对象的测量。

立体视觉测量方法是对测量对象从不同角度进行摄像，利用所得立体像对之间的特征对应关系，结合摄影测量的空间几何约束解算出被测对象的三维几何信息。现有的立体视觉测量设备大多数都具有摄影测量工作台，只能针对小型物体进行摄影测量，针对于大场景的立体视觉测量装置研究比较少。目前国内外在大场景测量中应用比较多的是三维航测，三维航测可以测量很大的空间目标，而且测量速度非常高，基本上可以达到实时处理，但是三维航测对辅助设备的要求非常高，包含侦察机、高性能地面控制和监控系统、高性能的远程摄影测量仪器，这就决定了三维航测不能在很多领域内得到广泛应用。天津大学研制的基于立体视觉的3D外形轮廓测量装置，其用三角架支撑摄像机进行测量，虽然可以根据测量对象的特点进行一定范围的移动，而且也可以对较大型物体进行测量；但是它一般是在地面水平放置，对于复杂地貌等大型测量目标来说，单用地面装置进行测量不能达到测量要求。

在用立体视觉技术进行摄影测量的过程中，摄像机内外参数的标定是一个非常重要的内容。目前，现有的大多数立体视觉测量装置的摄像机标定过程都是基于被测场景的标准参照物，但是在某些情况下，被测场景中不便于或者不可能设置标准参照物，这时就不能应用传统的标定技术进行标定。必须考虑利用摄像机拍摄的图像与图像之间的对应关系对摄像机参数进行自标定。本发明所涉及的摄影测量装置就考虑到了摄像机的自标定问题。

                        发明内容

针对目前国内外现有立体视觉测量装置在三维地貌等大场景测量中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种以满足摄像机自标定要求针对空间大场景的立体视觉摄影测量装置。该装置可以得到三维地貌等大场景的空间三维几何信息，具有测量速度快，相对航测成本低、安全性高、且易于实现等特点。

实现上述发明的解决方案是：一种基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，由升空气球动力部分、摄影方位控制部分和立体视觉摄影部分构成；其特征在于：

升空气球动力部分，是整个摄影测量装置的动力源，它主要由气球、系缆勾环、系缆组成，气球内充有轻质气体，其形状为飞艇状，尾翼为倒Y形，气球上有系缆勾环，通过系缆勾环连接系缆，控制气球在空中的高低位置；气球的重心底部区域开有若干连接孔，通过这些连接孔上的连接件与摄影方位控制部分连接。

摄影方位控制部分，用于在三维空间对摄像方位进行调节；主要由球销副连接组件、上减速器、铰接杆件、下减速器、刚性联轴器、支架连接板和若干连接元件组成。

其中球销副连接组件由上球副件和下球副件组成，用于连接升空气球动力部分与摄影方位控制部分的其余结构。

上减速器由电机、传动组件、箱体、电机联轴器组成，用于控制摄影测量装置沿竖直轴旋转进而改变测量方位，其中传动组件是以蜗杆为主动的蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮轴线为竖直方向，具有自锁功能；电机和传动组件通过连接于电机轴和蜗杆轴上的联轴器进行连接。

下减速器和上减速器一样，都是由电机、传动组件、箱体、电机联轴器组成，用于控制摄影测量装置沿水平轴翻转进而改变测量方位；和上减速器功能相同，不同之处在于蜗轮蜗杆布置的方位不同，下减速器蜗轮轴线为水平方向。

上减速器和下减速器通过刚性联轴器连接在一起。

支架连接板用于下减速器和立体视觉摄影部分的连接。

立体视觉摄影部分，用于摄影图像采集；主要由摄影支架、摄像机座、四个摄像机、数字角度仪和若干连接件组成。

摄影支架是立体视觉摄影部分的基体；摄像机座是固定于摄影支架上，用于安装摄像机的功能元件。摄影支架上的四个摄像机安装位置不在同一个平面内，摄像机安装在摄像机座上，该摄像机具有远程控制焦距变化和远程控制拍摄功能，并且具有通过引线进行地面图像显示功能；四个摄像机具有相同的焦距，在初始焦距相同的情况下，通过同一控制器接有四组并联引线对四个摄像机焦距进行同时控制。数字角度仪用来显示摄影支架上平面与水平面的夹角，用于指导摄影方位控制部分的下减速器对摄影支架的翻转角度控制。

该发明所述的立体视觉摄影测量装置有以下优点：

一、有利于快速实现对无标准参照物的大场景三维信息的反求测量。特别适合于对无变化规律的复杂场景的反求测量。

二、相对于现有的空中摄影测量装置具有摄像稳定可靠、设备简单、易于实现、拍摄成本低等特点。

三、本发明的摄影测量装置可以直观的对摄像方向进行全方位调节，有利于取得良好的拍摄效果，同时也可以在一次气球升空过程中得到多个对象的立体像对。

                       附图说明

图1是摄影测量装置总体示意图；

图2是图1椭圆部分的局部放大图；

图3是升空气球动力部分示意图；

图4是摄影方位控制部分示意图；

图5是球销副连接组件示意图；

图6是球销副连接组件效果图；

图7是图4的A-A局部视图；

图8是上减速器结构效果图。

图9是图4的B-B局部视图；

图10是下减速器结构效果图；

图11是下减速器箱体结构效果图；

图12是立体视觉摄影部分俯视图；

图13是立体视觉摄影部分主视图；

图14是图12椭圆部分的局部放大图；

图15是前后摄像机座效果图；

图16是立体视觉摄影部分效果图。

为了更清楚的理解本发明下面结合附图作进一步的详细说明。

                     具体实施方式

图1、图2为本摄影测量装置总体结构示意图。由图可知，装置包括升空气球动力部分I、摄影方位控制部分II和立体视觉摄影部分III。升空气球动力部分I是整个摄影测量装置的动力源；摄影方位控制部分II是在三维空间对摄像方位进行调节的功能部件；立体视觉摄影部分III是结合立体视觉摄像机自标定原理进行的摄影图像采集功能部件。

各部分的组成及功能如下：

1)升空气球动力部分I(图3)

升空气球动力部分由气球1、系缆勾环2、系缆3组成。

充有轻质气体的气球是摄影测量装置的升空动力源，本气球形状设计为飞艇形状，并且具有倒“Y”型尾翼的特征，此形状特征有利于增强气球悬浮于空中的稳定性。

系缆3通过与气球1一体的系缆勾环2相连接控制气球在空中的高低位置。

气球1的重心底部区域开有若干连接孔，通过安装于该孔上的连接件实现升空气球动力部分与摄影方位控制部分的连接。

2)摄影方位控制部分II(图4)

摄影方位控制部分由球销副连接组件6、上减速器10、铰接杆件7、下减速器13、刚性联轴器11、支架连接板14和若干连接元件组成。

球销副连接组件6(图5、图6)是用于连接升空气球动力部分I与摄影方位控制部分II其余结构的中间环节，其由上球副件17和下球副件18组成，上球副件17上开有可以和气球重心底部孔相配合的孔，利用安装于其上的连接件实现升空气球动力部分I与摄影方位控制部分II的连接。下球副件18在端部沿圆周方向的若干个凸座上各开有连接孔，用于和摄影方位控制部分II的其余结构进行连接。上球副件17和下球副件18组成球销副连接组件6，此球销副只有沿垂直于纸面轴旋转的一个自由度，而且球销副的球心与气球1重心的连线为空间竖直线。使用球销副连接组件6可以达到使摄影方位控制部分的其余结构在重力的作用下竖直垂落，减少因为气球在空中的仰俯而使整个摄影测量装置晃动的问题。将球销副连接组件6换成铰接副连接组件并不脱离本发明的实质。

上减速器10(图7、图8)是控制摄影测量装置沿竖直轴旋转进而改变测量方位的功能组件。其由电机21、传动组件、箱体组件20和电机联轴器22组成。所述的电机21是可以使用现有的简单设备进行远程控制的低速电机，如使用脉冲发生器控制步进电机或使用继电器控制电机运转，电机21通过连接件固定在箱体上。所述的传动组件是以蜗杆23为主动的蜗轮蜗杆传动机构，而且此蜗轮蜗杆传动具有自锁功能，使用了蜗轮蜗杆传动使得传动装置具有结构紧凑、单传动比大等特点，进而减小了传动机构的体积和便于对测量方位进行细微调节。箱体组件20是电机21、传动组件安装的基体，对传动机构起到支撑和保护作用；在箱体的一侧设有用于平衡电机等的偏心重力的平衡块，以保证上减速器的重心在过气球重心的竖直线上；在箱体上盖上设有用于与其余元件连接的凸座孔；电机21和传动组件通过连接于电机轴和蜗杆轴上的联轴器22进行连接。

铰接杆件7是连接球销副连接组件6和上减速器10的功能元件。铰接杆件的上端开有可以和下球副件凸座孔相配合的铰接孔8，下端开有可以和上减速器箱体上盖凸座孔相配合的铰接孔9；使用若干组铰接杆件7，通过连接于两端配合孔的连接件实现对球销副连接组件6和上减速器10的连接。

下减速器13(图9、图10、图11)是控制摄影测量装置沿水平轴翻转进而改变测量方位的功能组件。其和上减速器10一样都是由电机25、传动组件、箱体组件29和电机联轴器26组成。所述的各个元件具有与上减速器10相同的特性和功能，不同之处在于蜗轮蜗杆布置的方位不同，上减速器10蜗轮轴线为竖直方向，蜗杆轴线与蜗轮轴线垂直，蜗杆在蜗轮的左右侧。下减速器13蜗轮轴线为水平方向，蜗杆轴线与蜗轮轴线垂直，蜗杆在蜗轮的上下侧。在箱体的基板上通过焊接支撑柱支撑起一个带有连接孔的套筒，套筒为箱体的一部分，与箱体的相对位置固定不变。蜗轮输出轴上设有键槽，用于和其它元件进行连接。

所述的上下减速器用于传动的轴承均为轻型滚动轴承，其滚动体与轴承外圈之间的摩擦力很小，在传动过程中不会使整个摄影测量装置在此力的作用下而转动。

刚性联轴器11是连接上下减速器的功能元件。刚性联轴器11的一端通过连接件与上减速器10的蜗轮输出轴相连，另一端开有可以和下减速器13箱体套筒上连接孔配合的孔，通过穿于配合孔的连接件实现对上下减速器的连接。使用刚性联轴器的目的在于：在下减速器运转的情况下，联轴器处不会产生位移，上下减速器的相对位置保持不变，使下减速器重心始终保持在过气球重心的竖直线上。

支架连接板14是连接下减速器13和立体视觉摄影部分III的功能元件。支架连接板14的一端和蜗轮输出轴通过键进行连接，另一端开有若干连接孔用于和立体视觉摄影部分III连接。

3)立体视觉摄影部分III(图12、图13、图14、图15、图16)

立体视觉摄影部分III由摄影支架30、摄像机座、四个摄像机、数字角度仪31和若干连接件组成。

立体视觉摄影部分III的设计依据是摄像机自标定原理，本发明使用的摄像机自标定原理是基于主动视觉方法的自标定技术，具体是控制摄像机做三组平移运动(三个平移向量线性无关)，通过立体像对之间的对应关系列方程，求解得到摄像机参数。结合上面的原理要求，忽略同一批同型号摄像机在成像畸变和主点位置上的差异(同一批同型号摄像机在成像畸变和主点位置具上有很大的相似性)，将三组平移运动得到的立体图像简化成通过具有相同参数的四个不同位置摄像机分别拍摄得到的立体图像。

摄影支架30是立体视觉摄影部分的基体，为了保证符合三组平移向量线性无关的要求，摄影支架30的四个摄像机安装位置不在同一个平面内，由摄影支架底部中心向上伸出一连接杆件，连接杆件的上部开有若干连接孔，这些连接孔可以和摄影方位控制部分II的支架连接板14上的连接孔相配合，通过穿于配合孔的连接件实现摄影支架30与摄影方位控制部分II的连接。在选择连接杆件的伸出长度时，应使整个立体视觉摄影部分III的重心在摄影方位控制部分II的下蜗轮轴的轴线上，以保证立体视觉摄影部分III在绕轴翻转的过程中不对整个测量装置产生偏心力矩。

摄像机座是固定于摄影支架上，用于安装摄像机的功能元件，通过穿于其与摄影支架配合孔上的螺栓实现两者的连接，为了保证只做平移运动，不能有旋转运动，四个摄像机摆放方位一致，因此摄像机座具有不同的结构。

摄像机是立体视觉图像采集元件，其安装在摄像机座上。所述的摄像机具有远程控制焦距变化和远程控制拍摄的功能，并且具有可以通过引线进行地面图像显示的功能。为了保证四个摄像机具有相同的焦距，在初始焦距相同的情况下，通过同一控制器接有四组并联引线对四个摄像机焦距进行同时控制。将摄像机换成数码相机并不改变本发明的实质。

数字角度仪31用于显示摄影支架30上平面与水平面的夹角，用于指导摄影方位控制部分II的下减速器13对摄影支架30的翻转角度控制。

摄影测量具体实施过程如下：

一、根据测量对象的形状特点和测量范围要求，选择合理的轻质气球释放位置。

二、进行摄影测量装置的组装。摄影测量装置的组装包括三个组成部分内部的组装和三部分之间的组装。

升空气球动力部分I的组装(图3)：只需将系缆3系紧在与充有轻质气体的飞艇状气球1为一体的系缆勾环2上即可实现。

摄影方位控制部分II的组装(图4)：首先完成球销副连接组件6、上减速器10、下减速器13三个组件的组装，然后再将三组件组装成摄影方位控制部分II。球销副连接组件6(图5、图6)组装只需将上球副件17和下球副件18通过球面副连接在一起即可；上减速器10(图7、图8)组装只需依次在箱体20上通过轴承安装蜗轮轴24和蜗杆轴23，再通过联轴器22实现蜗杆轴23与电机21输出轴的连接，最后将电机21通过螺栓紧固在箱体20上就实现了上减速器10的组装；下减速器13(图9、图10、图11)的组装基本与上减速器10的方法相同。3个铰接杆件7是球销副连接组件6和上减速器10的连接件，其一端通过连接螺栓8与球销副连接组件6上的凸座19相连接，另一端通过连接螺栓10与箱体20的箱体盖上的凸座相连接。上减速器10和下减速器13之间通过刚性联轴器中的圆锥销套筒联轴器11实现连接，其一端通过销钉与上减速器10的蜗轮输出轴连接，另一端通过螺栓12与下减速器13的箱体29相连。支架连接板14一端通过键与下减速器13上的蜗轮输出轴28相连，另一端用于连接立体视觉摄影部分III。

立体视觉摄影部分III(图12、图13)组装：在摄影支架30的三个角上分别通过螺栓35、螺栓36、螺栓37连接摄像机座32、摄像机座33、摄像机座34；再在摄像机座上分别安装第一摄像机38、第二摄像机39、第三摄像机40；其次在下端平台上安装第四摄像机41，保证摄像机41与其余三个摄像机的摆放方位一致；然后在摄影支架30的支杆上安装数字角度仪31；最后将四个摄像机的控制引线串联在一起和摄像预览引线一起沿系缆3引向地面控制器。

升空气球动力部分I和摄影方位控制部分II通过连接于气球1和上球副件17上的螺栓4和螺栓5实现连接，摄影方位控制部分II和立体视觉摄影部分III通过连接于支架连接板14和摄影支架30上的螺栓15和螺栓16实现连接。

在实际操作过程中可以事先安装好所需组件，在测量实地只需进行组件拼装即可。

三、具体摄影过程实施：

1.释放摄影测量装置，通过控制系缆3的释放长度来使测量装置达到某一特定高度。

2.根据测量目标和地面的拍摄图像预览信息，结合数字角度仪31的显示数值，通过电机控制器控制上减速器和下减速器的运转使测量目标完整的出现在拍摄图像的中部。

3.通过摄像控制器调节摄像机的焦距，在保证测量目标完全显示在拍摄图像上的情况下，使图像达到最清晰状态，按下拍摄开关拍摄图像得到立体像对。

Claims (10)

1.一种基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，由升空气球动力部分、摄影方位控制部分和立体视觉摄影部分构成；其特征在于：

升空气球动力部分，是整个摄影测量系统的动力源，主要由气球、系缆勾环、系缆组成；

摄影方位控制部分，用于在三维空间对摄像方位进行调节，主要由球销副连接组件、上减速器、铰接杆件、下减速器、刚性联轴器、支架连接板和若干连接元件组成；

立体视觉摄影部分，用于摄影图像采集，主要由摄影支架、摄像机座、四个摄像机、数字角度仪和若干连接件组成；

升空气球动力部分通过球销副连接组件与摄影方位控制部分连接，摄影方位控制部分通过支架连接板上的连接件与立体视觉摄影部分连接。

2.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的气球内充有轻质气体，其形状为飞艇状，并且具有倒Y形尾翼结构。

3.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的球销副连接组件由上球副件和下球副件组成，上球副件上开有和气球重心底部区域连接孔相配合的孔，用于安装于其上的连接件，下球副件在端部沿圆周方向的若干个凸座上各开有连接孔，用于对摄影方位控制部分的连接，该球销副连接组件只有沿垂直于纸面轴旋转的一个自由度，而且球销副连接组件的球心与气球重心的连线为空间竖直线。

4.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的球销副连接组件由铰接副连接组件替换。

5.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的上减速器由电机、传动组件、箱体、电机联轴器组成，用于控制摄影测量装置沿竖直轴旋转进而改变测量方位，其中传动组件是以蜗杆为主动的蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮轴线为竖直方向，具有自锁功能；电机和传动组件通过连接于电机轴和蜗杆轴上的联轴器进行连接；

下减速器和上减速器一样，都是由电机、传动组件、箱体、电机和联轴器组成，用于控制摄影测量装置沿水平轴翻转进而改变测量方位；和上减速器功能相同，不同之处在于蜗轮蜗杆布置的方位不同，下减速器蜗轮轴线为水平方向；

上减速器和下减速器通过刚性联轴器连接在一起。

6.如权利要求4所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的电机是进行远程控制的低速电机。

7.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的摄影支架的底部中心向上伸出有一连接杆件，连接杆件的上部开有若干连接孔，这些连接孔和摄影方位控制部分的支架连接板上的连接孔相配合，在选择连接杆件的伸出长度时，使整个立体视觉摄影部分的重心在摄影方位控制部分的下蜗轮轴的轴线上，以保证视觉摄影部分在绕轴翻转的过程中不对整个测量装置产生偏心力矩。

8.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的摄像机座固定于摄影支架上，是用于安装摄像机的功能元件，摄影支架上的四个摄像机安装位置不在同一个平面内，摄像机安装在摄像机座上，该摄像机具有远程控制焦距变化和远程控制拍摄功能，并且具有通过引线进行地面图像显示功能；四个摄像机具有相同的焦距，在初始焦距相同的情况下，通过同一控制器接有四组并联引线对四个摄像机焦距进行同时控制。

9.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的四个摄像机具有相同的摆放方位，所述的摄像机由数码相机替换。

10.如权利要求1所述的基于自标定技术的大场景立体视觉摄影测量装置，其特征在于，所述的数字角度仪用来显示摄影支架上平面与水平面的夹角，用于指导摄影方位控制部分的下减速器对摄影支架的翻转角度控制。

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