CN1849524A - 用于确定到待勘测目标的方向的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明，为了测量到目标的方向，记录所述目标的具有图案(6)的图像(4)，并随后进行对所述目标的进一步勘测。为了实现上述操作对于目标位置的快速变化的最优稳定性，使用现代图像传感器的能力来仅仅分析或下载可用像素的一部分。如上所述的对所分析图像信息的选择使用与所需测量精度和图像传感器的时间性能相关的信息。根据本发明，可以通过用子抽样与子窗口的组合来选择图像(4)的部分区域(7b)从而实现对于所下载信息的这种限制。由此可以通过有目的的忽略来实现图像(4)的部分区域(7a)内的下载图像点的选择。

Description

用于确定到待勘测目标的方向的方法

技术领域

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于确定到待勘测目标的方向的方法，以及一种计算机程序产品和计算机数据信号。

背景技术

在许多测地学问题或应用中，需要确定从检测点到目标点的方向，例如到另一基准点的方位角和仰角，或者罗盘方向。这些问题是测地学的传统任务。

为了使目标点或待勘测目标可检测和可勘测，例如通过由该目标点主动发出的辐射来使该目标点在空间上与其他点相区别。

区分目标点的另一种可能性是，例如通过安装一个或更多个反射器(例如，三面直角棱镜(corner cube)，其反转中心位于该目标点上或者位于该目标点的有效范围(defined environment)内)，来提高目标点的定向反射性。

区分目标点的另一示例是其相对于已知目标形式(form)(例如，固定目标)的位置定义，或者其相对于目标的边缘/角/中心/重心的位置定义。

通过传感器从检测点检测并记录包含或应该包含该目标点的检测器的规定立体角元或视野，以使得可以进行监测。如果该目标点存在于所监测的立体角元内，则该目标点的区分通过图像而在该传感器上导致一图案。该目标所特有的这种图案通过取决于方向的方式，以特定的方位或位置聚焦在该检测器上。该图案在传感器上的这种位置使得可以计算该目标点相对于该检测点的方向，如果需要，它还可以包括附加信息。

可以用于方向确定的这种图像的一个示例为通过使用物镜或衍射光学系统而获得的在位置感测装置(PSD)或图像传感器上的目标点的聚焦图像及其有效范围。另一示例是通过无限远焦距进行成像，其将传感器上的取决于方向的位置直接分配给所接收的目标光线。在该示例中，对由目标点发出的发散辐射进行聚焦，以在传感器上给出基本圆对称的图案。

通过传感器或者评估电子装置来确定该图案的位置，并将其转换为目标点相对于检测点的视线方向(sought direction)，如果需要，可以使用与目标属性、目标距离以及检测器属性相关的附加信息。

作为使得可以进行位置确定的适当传感器，例如可以使用作为单个的传感器的PSD或者作为多个单个的传感器(所谓的像素或图像点)的矩阵的图像传感器。后者的优点在于，使得任何导致麻烦的漫射光都分布在图像传感器的所有的单个的传感器或像素上，因此与仅使用一个单个的传感器相比，传感器动态特性和信号/背景比率的利用更为有利。

然而，使用图像传感器的缺点在于，与仅使用一个单个的传感器相比，大大增加了读出和评估像素所需的时间。例如，与使用单个的传感器相比，具有640×480像素的VGA图像传感器需要307200倍的时间。

在确定到目标或目标点的方向时，由于使用二维传感器(因为对于干涉辐射的稳定性，所以其是优选的)而遇到由于读出和处理传感器信号所需的时间增加而导致的问题，从而导致方向确定的测量频率相对较低。

可以根据应用将方向确定分为两个问题：

静态测量任务—这里，目标点是不移动的，或者相对于检测器的方向变化对于方向确定的所需精度和测量频率可以忽略。

动态测量任务—这里，从目标点到检测器的方向的变化不可以忽略。在动态测量任务中，如果到目标点的方向在测量评估过程中的变化很大，而使得目标点在后续的测量过程中位于检测器的视野外部，则会出现问题。如果多次测量彼此连续，则在测量过程中，从目标点到检测器的方向例如可能由于目标点的随机或无意识移动而改变。如果目标点离开检测器的视野，则这种变化(其可以重复)在方向确定时会产生问题。

在这种情况下，视野的跟踪(例如，对于目标跟踪，可能也自动执行)变得更加困难。在不利的情况下，不能再执行基于方向测量并且目的在于再次检测目标点的跟踪，从而在特定的情况下，必须停止测量。

因此，优选地，对方向测量相对于方向的快速变化的稳定性进行优化。然而，必须达到方向测量的指定测量精度。

方向测量的一种特殊情况考虑了大于或等于检测器的视野角的测量精度。因此，此时该测量任务涉及确定或确认目标点位于传感器的视野内。例如这对于跟踪目标点是足够的。

高测量频率(在需要的情况下适用)导致对于方向的快速变化的调节的较高容许量，因此，在该特殊情况下也是优选的。

在静态测量任务的情况下，高测量频率也是优选的，这是因为，在快速测量的情况下，可以在由应用确定的时间内集中多次单个的测量，因此可以提高测量精度。此外，在由于紊流(热条纹(heat striae))而导致测量受干扰的情况下，会产生短暂的强干扰，在快速测量的情况下可以消除该强干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，该方法在保持所需测量精度的同时，使方向测量对于方向变化稳定。

本发明的另一目的是使得即使在待检测的目标具有相对高的角速度或角加速度的情况下，也可以进行基于方向测量的跟踪。

根据本发明，通过权利要求1的特征或者通过从属权利要求的特征来实现或进一步扩展这些目的。

本发明涉及一种用于确定到目标点的方向的方法、一种图像传感器或多个单个的传感器的阵列(使用它们的原因在于其对漫射光的稳定性)。

在特殊类型的图像传感器(例如，CMOS图像传感器)的情况下，可以直接访问单个的图像点或像素。首先，这种图像传感器使得可以通过所谓的“子窗口”的形式对传感器的评估图像区域进行限制(例如，正方形)。与所读出的像素数量的减少相关联的是读出并随后处理像素数据的过程的时间缩短。

其次，在这些传感器的情况下，还可以通过所谓的“子抽样”来实现时间收益。子抽样例如可以是仅读出图像传感器阵列的每第二(第三、第四、…)列和/或每第二(第三、第四、…)行。

根据本发明，通过根据所需测量精度和根据传感器定时来选择在这种情况下的子抽样和子窗口的最优组合，来实现对方向确定相对于方向变化的稳定性的优化。为此，使用了与所需测量精度和图像传感器的时间特性都相关的信息。当然，也可以通过指定一个或更多个辅助条件(例如，对测量频率的限制)来实现该优化。

对子抽样和子窗口进行组合，以在由检测器检测到的图像的部分区域内选择多个像素，从而不考虑该部分区域外部的像素。在保持所需测量精度的同时，对用于选择该部分区域的参数以及用于选择该部分区域内的像素的参数进行优化。

根据本发明的方法与完全子窗口或完全子抽样相比具有优势，因为作为时间的函数(即，为了实现高测量频率)的子窗口的优化将意味着检测区域最大程度的减少。另一方面，由于对总检测区域进行评估，所以在待评估的像素的最小数量方面，完全子抽样实质上大于根据本发明的方法，导致在相同测量精度情况下的低测量频率，或者在相同测量频率情况下的低测量精度。

下面，将仅读出每第N列(或第N行)称为N倍(fold)列子抽样(N倍行子抽样)。

在这两种情况下，都仅使用了图像传感器所记录的图像信息的一部分。在最简单的情况下，这涉及对其内容将被读出的一部分像素的选择。然而，例如也可以通过组合的形式来形成多个像素的集合体，以给出像素的超结构(superstructure)。

在实际方向测量之前(upstream)的步骤中，可以创建图像记录和图像评估的条件或参数。根据目标大小、目标距离和/或所需的测量精度，确定是否可以执行列子抽样和行子抽样，以及执行哪种列子抽样和行子抽样。这里，还应该能够通过子抽样来足够精确地确定使得可以计算到目标点的方向的图案位置。这在该图案是由复杂目标点环境的聚焦图像生成的情况下尤其适用。仅在传感器上的测量标记的图像包括相对大数量的像素(取决于标记的复杂性)的情况下，才可以足够精确地提取该图像的位置。下面概要说明了估计简单图案的测量精度的示例，仅对该传感器的行方向进行了描述。可以类似地实现列方向的情况下的过程。

该图案包含沿传感器的水平(行)方向可识别的位置N_T。这些位置通常明暗或暗明过渡。此外，这些可识别的位置通常位于该图案的边缘，即，这些可识别的位置往往不是该图案的纹理部分。

根据目标大小和目标距离，可以计算传感器上的大小或图案。如果该图案的这些可识别位置不在像素栅格上取向(这在实际应用中几乎不是限制)，则因此可以估计该图案的边缘上的像素数量，从而确定N_T。对于该图案的位置确定误差E_P，可以获得以下的比例关系。

$E_P\∝\frac{G}{\sqrt{N_T}}---\left(1\right)$

其中，G表示两个像素之间的非感测间隙。为此，还需要考虑由信号噪声导致的误差。

在没有进行子抽样的情况下，G为相邻像素的感测区域之间的距离，对于G＞0，据此可以得到填充因子＜1。在进行子抽样的情况下，存在于所读出的像素之间的没有读出的像素的区域被添加到该像素间隔中，该子抽样还减少了N_T。

可以根据简单图案的测量来理论推导或确定方程(1)中的比例因子。

可以通过最大值N来确定N倍子抽样，该最大值N仍然保证了方向测量的所需测量精度。

对于子窗口的理想选择，必须考虑前面进行的对子抽样的选择。此外，优选地在优化中包括该图案的大小，例如还可以根据目标距离来估计所述大小。

对视野的大小进行调整，以使得可以容许在两次方向测量之间产生的目标点的最大角加速度，即，选择视野的大小，以使得在第二次测量期间，目标点仍然处于检测器的视野中，而与角加速度无关。

术语“测地学勘测”或“测地学应用”始终主要用于表示包括对具有空间参照关系的数据的确定或检查在内的测量。具体地，还可以将其理解为表示与测地学仪器或测地学测量装置的使用相关联地实现的所有应用。这对于经纬仪以及作为具有电子角度测量和电光测距器的准距仪的总站(total station)尤其适用。类似地，本发明适用于具有相似功能的专用设备，例如，适用于军用瞄准环，或者适用于工业结构或处理或者机器定位或制导的监测。

附图说明

下面参照在附图中示意性表示的工作示例，完全通过示例的方式来更详细地描述根据本发明的方法。

具体地，

图1表示该勘测方法的一种可能应用；

图2表示通过图像传感器来记录具有图案的图像；

图3表示通过子窗口来选择图像信息；

图4表示通过子抽样来选择图像信息；

图5表示根据本发明的通过子窗口和子抽样的组合来选择图像信息；

图6表示动态测量任务情况下的条件；以及

图7表示根据图案的位置来导出方向信息的变换模型。

具体实施方式

图1表示根据本发明的勘测方法的一种可能应用。通过作为测地学测量装置1的总站，可以在建筑工地对以具有作为目标2的反射器的铅垂杆为可识别特征的基准点进行勘测。集成在测量装置1中的图像传感器1a具有传感器视野3，待勘测的目标2应该处于该传感器视野中。确定到该目标2的方向。虽然在该图中，完全通过示例的方式将传感器视野3表示为矩形，但是它也可以是其他形状。

图2表示通过图像传感器来记录具有图案6的图像4。由图像传感器记录的图像4记录有待勘测的目标2。该图像4是由该传感器通过像素阵列5记录的，并被转换为可以进行电子评估的信号。阵列5上的图案6与待勘测目标2相对应。例如可以根据从明到暗的过渡来识别该图案6以及与其等同的像素。然而，读出阵列5的所有像素5a需要一定的时间，该时间确定了图像处理可达到的频率。然而，为了确定目标2的方向，知道样本6在图像4中或者在阵列5上的方位以最大程度地使得不需要阵列5的所有像素5a就已经足够了。尽管完全的读出总是在CCD照相机的情况下实现的，但是在其他设计(例如，CMOS照相机)的情况下，可以选择性地读出单个的像素5a，以使得可以实现对方向确定所需的图像内容的定制使用。

图3表示通过子窗口来选择图像信息。通过图像传感器的像素的连贯部分(cohesive portion)来记录检测目标在图像4中的图案6，该部分限定了作为图像4的部分区域7a的窗口。这意味着仅对由传感器的视野限定的图像中的一部分进行评估，然而，该评估使用了所考虑的部分区域7a中的所有可用像素。即使在通过仅使用所有用于进行记录的像素的一部分来进行记录(例如，根据硬件测量)的过程中，或者在通过仅读出在原理上可用的图像信息的一部分来确定图案的位置时，也可以实现所使用的像素的减少。

图4表示通过子抽样来选择图像信息。这里，根据特定的方案排除使用像素5a，以使得仅使用像素5a的一部分的内容。在该示例中，在每一行中，仅使用每第二个像素5a，此外，完全忽略每第二行的内容。而且，所使用的像素5a相对于彼此逐行偏移。通过图像传感器的像素5a的一部分来记录检测目标在图像4中的图案6，该部分覆盖了由传感器的视野限定的整个图像4。并不完全使用理论上可用的像素5a。与使用全部像素5a相比，这是使用与具有减小的填充因子的图像传感器相对应的以较粗栅格进行的记录。所示的对像素5a的选择仅是一个示例。根据本发明，还可以使用更多的方案。具体地，还可以使用没有逐行偏移的选择方法(列子抽样和/或行子抽样)或者具有像素5a的非周期性序列或集合体的选择方法。

图5表示根据本发明的通过子窗口和子抽样的组合进行的对图像信息的选择。在这种选择的情况下，组合了图3和图4的方法，以使得对于图案6的位置的确定仅使用图像4的部分区域7b。在该部分区域7b中，实际上没有使用理论上可用于进行评估的所有像素，而是根据方案进行对像素的选择。由此，图像信息的这种选择遵循两个阶段的方法。首先，总共仅使用该图像的部分区域7b。其次，在该部分区域7b内不对所有可用的像素都进行评估。根据本发明，除了该示例以外，还可以使用子窗口和子抽样的其他组合。具体地，还可以使用具有不同内部选择的多个部分区域，这些部分区域还可以重叠。

图6通过示例的方式表示了具有正方形像素(如图2到图5所示)以及沿两个传感器方向具有相同速度要求的传感器的最优图像分辨率的计算。该过程可以容易地推广为包括矩形像素和/或不同的速度要求。

设图像分辨率为N_P×N_P像素。根据图像分辨率建立的方向测量的时间要求T_M通常为具有系数C_n的二次多项式。

             T_M＝C₂N_P ²+C₁N_P+C₀    (2)

图案6处于具有N_P×N_P像素的传感器区域上。在该示例中，假设其界限为半径为R_M的圆。如果希望保证测量任务期间的连续方向测量，则在测量时间T_M期间，不允许图案6离开感测区域。因此，传感器上的图案6的最大速度为：

$V_{\mathrm{Max}}=\frac{D}{T_M}=\frac{\frac{N_P}{2}-R_M}{C_2{N_P}^2+C_1{N}_P+C_0}---\left(3\right)$

最优子窗口使得该速度最大：

$N_{P,\mathrm{Opt}}=\frac{{2R}_M{C}_2+\sqrt{{4R}_M^2{C}_2^2+C_2{C}_0+{2R}_M{C}_2{C}_1}}{C_2}---\left(4\right)$

如果选择了图像分辨率N_P，Opt×N_P，Opt，则这给出了仍然允许连续测量的传感器上的图案的最大可能速度。如果在测量时间期间，图案6在传感器上移动了距离D，则在为了进行下一次测量而对检测器的视野进行调节之前，仍然可以在图案6的初始中心方位来进行测量。如果N_P，Opt的值超过沿传感器方向的像素数量，例如，N_P，Opt＞该行中的像素数量，则考虑到可能的子抽样，必须在不进行子窗口的情况下，沿该方向对传感器进行调整。在该示例中，这意味着，在提供可能的行子抽样的多行中，可以对提供可能的列子抽样的所有像素进行评估。对于C₂＝0的情况过程也是如此。

如果仅要实现视野(field of use)的连续调节，则通常也可以相对粗糙地确定图案6的位置，例如，如果仅图案的中心位于该传感器的视野中，则可以具有与检测器的视野的一半相对应的可允许测量误差。这意味着，仅图案6的区域的一部分位于所评估的传感器区域中。在该问题中，图案6在该传感器上的最大允许速度为

$V_{\mathrm{Max}}=\frac{\frac{N_P}{2}}{T_M}---\left(5\right)$

因此，所评估的图像区域的最优分辨率N_P，Opt×N_P，Opt为：

$N_{P,\mathrm{Opt}}=\sqrt{\frac{C_0}{C_2}}---\left(6\right)$

再一次地，如果N_P，Opt大于沿传感器方向的可以评估的像素数量(考虑子抽样)，则对所有这些像素进行评估。如果C₂＝0，则这适用于两个传感器方向。

在以下附图中，通过示例的方式概述了根据图像传感器上的图案的位置来计算所需方向信息的可能性。

图7表示了变换模型，用于对该图案的点q的图像坐标(作为具有目标点Q的检测目标的极角)进行变换。通过该变换模型，可以在理论上根据该图案的位置来导出目标点的位置或方向。

为了可以根据传感器的视野内的任意目标点Q在图案中的位置或者在由该图像传感器检测到的图像4中的位置，并由此根据其图像坐标来确定其极角，必须知道作为图案的存在于传感器的视野中的目标(或者作为图案中的对应点q的目标点Q)在该图像形式(form)中的成像的数学描述。下面，将参照图7来描述图像坐标系x，y，z中的点到目标坐标系X，Y，Z的变换。Z轴指向天顶方向，并且例如表示测地学测量仪器的垂直轴，而X轴例如由倾斜轴形成。

对于具有有限精度的简化变换，可以进行以下假设，通过示例的方式使用在其轴系及其基本设计方面与经纬仪相对应的测地学仪器作为起点：

·在传感器的视野内检测到的目标聚焦到图像传感器上的投影中心81位于垂直轴与倾斜轴的交点处。

·倾斜轴与垂直轴垂直。

·光轴82和经纬仪轴83在投影中心81处相交。

这里，光轴82被定义为穿过光学单元的轴，并且该轴基本上通过透镜的中心。经纬仪轴83被定义为下述的轴，相对于该轴测量绕垂直轴和倾斜轴的旋转角度。这意味着，在双方位测量情况下，经纬仪轴83与图像传感器的交点精确地指向待勘测目标的目标点Q。这与在光学经纬仪的情况下相对于十字准线的视准轴相对应。

然而，也可以不从这些假设开始，而是对变换进行适当的扩展，例如，在该变换中包含轴误差—尤其是轴偏移或轴偏斜。这保证了变换精度的进一步提高，并因此特别适于最高精度级别的测地学测量仪器的情况。

该计算限于高级坐标系(其为水平的，并且其原点位于投影中心81)中的目标点Q到图像4的图像平面中的聚焦。可以通过比例等于1的已知Helmert变换，利用位移和旋转来进行到任意坐标系的变换。

所记录的图像坐标到目标坐标的变换的变换模型如下：

$r_q=r_p+T_0\·(\frac{1}{m}\·T_{\mathrm{HZ},V}\·R_{\mathrm{Inc}}\·r_Q)$

其中，r_Q为点Q在系统(X，Y，Z)中的目标向量84。

r_q为在图像坐标系x，y，z中测量的图案的点q(即，目标点Q在图像4上的副本)的向量。x和y分量由所记录的图像坐标9确定。z分量与被定义为图像传感器(由此，图像4)到投影中心81的距离的腔室常数(chamber constant)c相对应。该腔室常数随着光学单元的聚焦透镜的位置(由此，随着聚焦目标距离)而变化。

r_q是图像原点向量，其表示光轴82与图像平面4的交点p。

m为成像比例。

R_Inc为使倾斜的经纬仪平面与水平平面相关联的旋转矩阵。

T_Inc，V为变换矩阵，其基于水平角H、垂直角V以及轴误差的校正表示经纬仪轴83的取向。

T₀为用于对光学失真进行建模的矩阵。

图7表示目标点r_Q从高级坐标系X，Y，Z到图像坐标系x，y，z的以上变换。利用所测量的倾斜角、水平角H、垂直角V以及轴校正，可以将目标点向量r_Q映射到图像传感器的系统中。通过适当的变换和校准，对光轴82相对于经纬仪轴83的偏差以及光学失真进行校正。

根据摄影测量法的方法(例如，由Brown或Bayer提出的现有技术中已知的建模)在此是适用的。在狭角系统的情况下，可以通过简单的仿射变换对校正进行建模。

图案在图像传感器上的位置到方向信息的转换的另一示例为无限远聚焦设置。这里，图像传感器安装在物镜的焦平面中。如果从目标点发出发散足够小的光束，则由此获得的图案(通常为圆形)的位置与相对于物镜的第一主点的方向直接对应。

在这些附图中，所使用的方法步骤、建筑物和仪器完全是示意性的。具体地，不能根据这些附图推导出尺寸关系或者图像记录或图像处理的细节。仅通过示例的方式表示为像素的点也表示更复杂的结构或者图像传感器中的更大量的像素。

Claims (11)

1、一种使用测地学测量仪器(1)来确定到待勘测目标(2)的方向的方法，该测地学测量仪器(1)包括

图像传感器(1a)，该图像传感器(1a)的视野(3)检测到所述待勘测目标(2)的至少一部分，

所述方法包括以下步骤：

·通过所述图像传感器(1a)记录具有图像信息的图像(4)，所述图像(4)具有可以与所述目标(2)等同的图案(6)，并且所述图案(6)在所述图像(4)内的位置使得可以确定到所述目标(2)的方向，

·确定所述图案(6)在所述图像(4)内的位置，以及

·根据所述图案(6)的位置导出与所述目标(2)等同的方向信息，从而确定从与所述图像传感器(1a)等同的检测点到所述目标(2)的方向，

仅选择所述图像信息的一部分并将其用于方向确定，其特征在于，根据所指定的测量精度，以经过优化的方式选择所述图像信息的所述部分。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性地忽略多个像素，对该周期进行选择，以使所述图案(6)的位置的局部可解析性使得可以按照所述指定的测量精度来确定到目标(2)的方向。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于图像(4)的记录，实施子窗口作为对所述图像传感器(1a)的部分区域(7b)的选择，并且实施子抽样作为对所述部分区域(7b)内的像素(5a)的特定忽略。

4、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在导出所述方向信息时，进行验证，以确认所述目标(2)至少部分地位于所述传感器的视野(3)内。

5、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在指定子窗口参数之前，指定子抽样参数。

6、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在子窗口的情况下，根据以下变量中的至少一个来选择所述部分区域(7b)

-目标大小，

-目标距离，

-所需的测量精度，

-图案(6)的尺寸，

-所期望的或所测量的最大角加速度。

7、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在子抽样的情况下，根据以下变量中的至少一个来选择要忽略的像素(5a)

-目标大小，

-目标距离，

-所需的测量精度，

-图案(6)的尺寸，

-所期望的或所测量的最大角加速度。

8、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在子抽样的情况下，忽略所述图像传感器(1a)的多列和/或多行，尤其是所述图像传感器(1a)的矩形部分区域(7b)形式的多列和/或多行。

9、根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在子抽样的情况下，以有规律的序列或随机序列来忽略像素(5a)。

10、一种具有程序代码的计算机程序产品，其存储在机器可读介质中，用于执行根据权利要求1到9中的任意一项所述的方法。

11、一种由电磁波实现的模拟或数字计算机数据信号，其具有程序代码片断，用于执行根据权利要求1到9中的任意一项所述的方法。

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