一種長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法
【專利摘要】一種長(zhǎng)基線布站相機(jī)間像點(diǎn)群快速匹配方法，先對(duì)兩站相機(jī)中像點(diǎn)進(jìn)行畸變像差修正，再將相機(jī)1和相機(jī)2中像點(diǎn)投影變換到平行于兩相機(jī)測(cè)量基線的同一投影像面內(nèi),再將相機(jī)1和相機(jī)2像面變換到距三維空間坐標(biāo)系水平軸同一水平高度，平行變換處理后,兩站相機(jī)像點(diǎn)分別按距三維坐標(biāo)系水平軸的高度排序；若兩像點(diǎn)距三維空間坐標(biāo)系水平軸高度差小于等于設(shè)定匹配閾值，則為正確匹配點(diǎn)。本發(fā)明只需比較像點(diǎn)與坐標(biāo)系水平軸高度差，不需點(diǎn)到直線距離等復(fù)雜計(jì)算，有效減小像點(diǎn)匹配計(jì)算復(fù)雜度，省去大量重復(fù)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)兩站相機(jī)同名像點(diǎn)快速準(zhǔn)確匹配，有效提高長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量像點(diǎn)群匹配速度和匹配正確率。
【專利說(shuō)明】一種長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間點(diǎn)群目標(biāo)三維坐標(biāo)光學(xué)交會(huì)測(cè)量和工業(yè)非接觸式立體測(cè)量技術(shù) 領(lǐng)域，涉及到多臺(tái)光電經(jīng)煒儀相機(jī)像點(diǎn)快速匹配方法的創(chuàng)新性改進(jìn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在靶場(chǎng)光學(xué)交會(huì)測(cè)量和工業(yè)非接觸式三維測(cè)量等領(lǐng)域，利用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上長(zhǎng)基 線布站分布式光電經(jīng)煒儀相機(jī)組成的空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，交會(huì)測(cè)量空間點(diǎn)群目標(biāo)三維坐 標(biāo)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為空間點(diǎn)群三維立體測(cè)量的 一種重要手段。一臺(tái)測(cè)量站相機(jī)可測(cè)出目標(biāo)的在像面上的投影坐標(biāo)位置，只有通過(guò)兩臺(tái)或 多臺(tái)相機(jī)之間的像面位置坐標(biāo)交會(huì)計(jì)算才能得到目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。因此交會(huì)測(cè)量空間 點(diǎn)群目標(biāo)三維坐標(biāo)，需解決不同測(cè)量站像點(diǎn)同名點(diǎn)匹配問(wèn)題，即任給空間多目標(biāo)群中任意 一點(diǎn)，分別成像到兩臺(tái)相機(jī)，已知其在相機(jī)1像面中像點(diǎn)位置，精確尋求其在相機(jī)2像面的 對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)交會(huì)得到空間坐標(biāo)。
[0003] 截止目前空間點(diǎn)群目標(biāo)光學(xué)交會(huì)測(cè)量普遍采用"異面直線剔除誤匹配點(diǎn)法"進(jìn)行 點(diǎn)群目標(biāo)像點(diǎn)匹配，該方法具有形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 但該方法基于"兩個(gè)測(cè)量站之間先兩兩窮舉交會(huì)，再利用空間交會(huì)點(diǎn)異面直線之 間的距離剔除誤匹配點(diǎn)"的思想進(jìn)行匹配，由于窮舉交會(huì)，視場(chǎng)中目標(biāo)增多時(shí)，計(jì)算量呈幾 何級(jí)數(shù)增加，該方法存在以下問(wèn)題：1)設(shè)兩臺(tái)相機(jī)正確匹配點(diǎn)對(duì)為n，則運(yùn)算量為2*nn數(shù)量 級(jí)，重復(fù)計(jì)算量巨大且匹配效率低下；2)由于窮舉交會(huì)得到大量誤匹配點(diǎn)，該方法會(huì)得到# 個(gè)匹配點(diǎn)對(duì)，其中η*(η-1)個(gè)為誤匹配點(diǎn)，誤匹配點(diǎn)太多，剔除誤匹配點(diǎn)運(yùn)算量巨大；3)剔 除誤匹配點(diǎn)困難，存在正確匹配率低的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速高效匹配方法，該方法基 于像面投影極線約束原理，將投影像面平行歸一化校正處理，可有效地提高匹配正確率和 效率，從而提高多目標(biāo)點(diǎn)群光學(xué)交會(huì)三維空間坐標(biāo)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度，克服了現(xiàn) 有匹配方法正確率和效率低下問(wèn)題，解決了多站光電經(jīng)煒儀長(zhǎng)基線布站測(cè)量多目標(biāo)像點(diǎn)的 匹配實(shí)時(shí)性和自動(dòng)交會(huì)問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] 一種長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法，包括以下步驟：
[0008] 1)獲取像點(diǎn)坐標(biāo)值：
[0009] 獲取三維空間點(diǎn)群在相機(jī)1和相機(jī)2成像像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)值；
[0010] 2)投影面平行歸一化計(jì)算：
[0011] 2. 1)由相機(jī)1和相機(jī)2攝影模型的投影中心Ol和02的連線得到測(cè)量基線01-02 ;
[0012] 2. 2)相機(jī)1像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面；
[0013] 2. 3)相機(jī)2像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面；
[0014] 3)像點(diǎn)群快速匹配：
[0015] 3. 1)相機(jī) 1 像點(diǎn)群{Ρ1_Γ，Ρ1_2'，Ρ1_3'}和相機(jī) 2 像點(diǎn)群{Ρ2_Γ，Ρ2_2'，Ρ2_3'} 中所有點(diǎn)按像點(diǎn)距坐標(biāo)系OXY水平X軸高度由高到低排序；
[0016] 3. 2)依序由像點(diǎn)距三維空間坐標(biāo)系OXY水平X軸高度，從高到低遍歷比較相機(jī)1 和相機(jī)2像點(diǎn)高度；
[0017] 若相機(jī)1與相機(jī)2像點(diǎn)距三維坐標(biāo)系OXZ水平面高度差|d|小于等于設(shè)定的匹配 閾值Ε，則兩相機(jī)像點(diǎn)為正確匹配點(diǎn)對(duì)；
[0018] 若兩站相機(jī)像點(diǎn)高度差|d|大于設(shè)定的匹配閾值Ε，則繼續(xù)判斷d大于零還是小于 零：
[0019] 若d〈0,則選取相機(jī)2像點(diǎn)群中距水平X軸次高點(diǎn)P2_2'（X22,Y22)，同理計(jì)算兩像 點(diǎn)y軸坐標(biāo)之差d，直到找到相機(jī)2中像點(diǎn)與相機(jī)1像點(diǎn)Ρ1_Γy軸坐標(biāo)之差I(lǐng)dI〈 =E，則 相機(jī)2中該像點(diǎn)為相機(jī)1像點(diǎn)Ρ1_Γ中正確匹配點(diǎn)；若搜尋完相機(jī)2中所有像點(diǎn)，仍找不 到|d|〈=E的像點(diǎn)，則相機(jī)1中像點(diǎn)Ρ1_Γ在相機(jī)2中無(wú)正確匹配點(diǎn)，選取相機(jī)1中像點(diǎn) Pl_2'重新開(kāi)始上述匹配；
[0020] 若d>0,則相機(jī)1像點(diǎn)Ρ1_Γ在相機(jī)2中無(wú)正確匹配像點(diǎn)；直接選取相機(jī)1中第2 個(gè)像點(diǎn)Pl_2'重新開(kāi)始上述步驟迭代匹配；
[0021] 3. 3)依次類推，直至遍歷完相機(jī)1像面上所有像點(diǎn)為止。
[0022] 上述方法還包括投影面平行歸一化計(jì)算步驟之前對(duì)相機(jī)1和相機(jī)2的像點(diǎn)群進(jìn)行 修正的像點(diǎn)匹配像差修正處理步驟：
[0023] 通過(guò)相機(jī)標(biāo)定法得到相機(jī)1和相機(jī)2各自的透鏡畸變系數(shù)，依據(jù)各自的透鏡畸變 系數(shù)對(duì)光測(cè)像點(diǎn)像面坐標(biāo)值光學(xué)畸變像差進(jìn)行修正。
[0024] 上述相機(jī)1像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟：
[0025]a.由測(cè)量基線01-02與相機(jī)1像平面空間位置關(guān)系，得到相機(jī)1像面平行于測(cè)量 基線01-02且通過(guò)相機(jī)1像面中心Ml的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣；
[0026]b.由a中得到的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，對(duì)相機(jī)1像面中像點(diǎn)群{Pl_l，Pl_2,Pl_3}進(jìn)行同 樣的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相機(jī)1平行變換處理后的點(diǎn)群{Ρ1_Γ，P1_2'，P1_3' };
[0027]c.相機(jī)1像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換到通過(guò)相機(jī)1像面中心ΜΓ且平行于測(cè)量基線01-02 的投影成像像面Tl。
[0028] 上述相機(jī)2像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟：
[0029]a.由測(cè)量基線01-02與相機(jī)2像平面空間位置關(guān)系，得到相機(jī)2像面平行于測(cè)量 基線01-02且通過(guò)相機(jī)2像面中心M2的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣；
[0030] b.經(jīng)上述旋轉(zhuǎn)變換后的相機(jī)2投影像面再沿三維空間坐標(biāo)系深度軸方向0Z，前后 移動(dòng)到與相機(jī)1像面中心ΜΓ同一深度，即相機(jī)2平移后像面中心M2'與相機(jī)1像面中心 Ml距三維空間坐標(biāo)系垂直面OXY距離相同；最后再將相機(jī)2投影像面沿三維空間坐標(biāo)系垂 直軸方向0Y，上下移動(dòng)到與相機(jī)1像面中心ΜΓ同一水平高度，即相機(jī)2平移后像面中心 M2'與相機(jī)1像面中心ΜΓ距三維空間坐標(biāo)系水平面OXZ距離相同；
[0031] C.由2.3)中旋轉(zhuǎn)變換矩陣和兩次平移變換矩陣，對(duì)相機(jī)2像面中像點(diǎn)群 {P2_l，P2_2,P2_3}進(jìn)行同樣的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移變換得到相機(jī)2平行變換歸一化處理后的 點(diǎn)群{Ρ2_Γ，P2_2'，P2_3' };
[0032] d.相機(jī)2像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)平移變換到通過(guò)相機(jī)2平移后像面中心M2'且平行 于測(cè)量基線01-02的投影成像像面T2。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 1)現(xiàn)有光學(xué)交會(huì)測(cè)量像點(diǎn)匹配方案是先窮舉匹配交會(huì)，再剔除錯(cuò)誤匹配點(diǎn)對(duì)。而 本發(fā)明利用兩站相機(jī)投影像點(diǎn)滿足匹配像差修正后的投影極線約束原理，同現(xiàn)有窮舉匹 配法比較，像點(diǎn)搜索范圍由原來(lái)的二維平面搜索范圍，縮小為一維線搜索范圍，節(jié)約了計(jì)算 量，提高了匹配速度。
[0035] 2)本發(fā)明在極線約束匹配的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出投影像面平行于相機(jī)測(cè)量基線的 平行歸一化快速匹配方法，該方法通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移變換，將兩站相機(jī)像面變換到距三 維空間坐標(biāo)系水平面同一高度的投影像面上，在兩站相機(jī)像點(diǎn)匹配時(shí)，只需判斷兩站像點(diǎn) 距距三維空間坐標(biāo)系水平面高度是否小于設(shè)定匹配閾值，即可完成像點(diǎn)間的快速匹配，不 需要常規(guī)極線約束匹配方案中，點(diǎn)到直線距離的大量重復(fù)性復(fù)雜運(yùn)算。該方法可完成像點(diǎn) 的有序匹配，降低了匹配計(jì)算的復(fù)雜度，匹配速度呈加速趨勢(shì)，可大大提高匹配速度，從而 實(shí)現(xiàn)兩站相機(jī)像點(diǎn)群的快速準(zhǔn)確匹配，突破了長(zhǎng)基線點(diǎn)群目標(biāo)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速準(zhǔn)確匹 配技術(shù)瓶頸，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法同現(xiàn)有方法比較，具有計(jì)算量小、匹配速度快、正確率高、 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0037] 圖2是共面投影極線約束示意圖；
[0038] 圖3平行歸一化后像點(diǎn)匹配示意圖；
[0039] 圖4匹配閾值誤差帶示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 本發(fā)明方法的實(shí)施流程如圖1所示，主要包括匹配像差修正、投影面平行歸一化 計(jì)算和點(diǎn)群快速匹配步驟。
[0041] 1.匹配像差修正
[0042] 光學(xué)交會(huì)測(cè)量通常布設(shè)多臺(tái)測(cè)量站相機(jī)測(cè)量基線長(zhǎng)度從幾百米到幾十公里不等， 由于各站透鏡畸變影響不同，需先對(duì)各站光測(cè)像點(diǎn)位置分別進(jìn)行匹配像差修正。
[0043] 1)透鏡畸變像差修正：三維空間點(diǎn)群{Dl，D2,D3}分別成像投影到相機(jī)1和相機(jī) 2像面得到相機(jī)1像點(diǎn){Pl_l，Pl_2,Pl_3}和相機(jī)2像點(diǎn){P2_l，P2_2,P2_3}，由兩站相機(jī)圖 象得到像點(diǎn)坐標(biāo)位置；
[0044] 2)通過(guò)兩相機(jī)各自的透鏡畸變模型，修正光學(xué)畸變誤差。
[0045] 透鏡畸變校正模型為：
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 獲取像點(diǎn)坐標(biāo)值： 獲取三維空間點(diǎn)群在相機(jī)1和相機(jī)2成像像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)值； 2) 投影面平行歸一化計(jì)算： 2. 1)由相機(jī)1和相機(jī)2攝影模型的投影中心01和02的連線得到測(cè)量基線01-02 ; 2. 2)相機(jī)1像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面； 2. 3)相機(jī)2像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面； 3) 像點(diǎn)群快速匹配： 3. 1)相機(jī) 1 像點(diǎn)群，Pl_2'，Pl_3' }和相機(jī) 2 像點(diǎn)群{P2_l'，P2_2'，P2_3' } 中所有點(diǎn)按像點(diǎn)距坐標(biāo)系〇XY水平X軸高度由高到低排序； 3. 2)依序由像點(diǎn)距三維空間坐標(biāo)系0XY水平X軸高度，從高到低遍歷比較相機(jī)1和相 機(jī)2像點(diǎn)高度； 若相機(jī)1與相機(jī)2像點(diǎn)距三維坐標(biāo)系0XZ水平面高度差| d |小于等于設(shè)定的匹配閾值 E，則兩相機(jī)像點(diǎn)為正確匹配點(diǎn)對(duì)； 若兩站相機(jī)像點(diǎn)高度差|d|大于設(shè)定的匹配閾值E，則繼續(xù)判斷d大于零還是小于零： 若d〈0,則選取相機(jī)2像點(diǎn)群中距水平X軸次高點(diǎn)P2_2'（X22, Y22)，同理計(jì)算兩像點(diǎn)y 軸坐標(biāo)之差d，直到找到相機(jī)2中像點(diǎn)與相機(jī)1像點(diǎn)Pl_l' y軸坐標(biāo)之差| d |〈 = E，則相機(jī) 2中該像點(diǎn)為相機(jī)1像點(diǎn)Pl_l'中正確匹配點(diǎn)；若搜尋完相機(jī)2中所有像點(diǎn)，仍找不到| d|〈 =E的像點(diǎn)，則相機(jī)1中像點(diǎn)Pl_l'在相機(jī)2中無(wú)正確匹配點(diǎn)，選取相機(jī)1中像點(diǎn)Pl_2'重 新開(kāi)始上述匹配； 若d>0,則相機(jī)1像點(diǎn)Pl_l'在相機(jī)2中無(wú)正確匹配像點(diǎn)；直接選取相機(jī)1中第2個(gè)像 點(diǎn)Pl_2'重新開(kāi)始上述步驟迭代匹配； 3. 3)依次類推，直至遍歷完相機(jī)1像面上所有像點(diǎn)為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法，其特征在于：還 包括投影面平行歸一化計(jì)算步驟之前對(duì)相機(jī)1和相機(jī)2的像點(diǎn)群進(jìn)行修正的像點(diǎn)匹配像差 修正處理步驟： 通過(guò)相機(jī)標(biāo)定法得到相機(jī)1和相機(jī)2各自的透鏡畸變系數(shù)，依據(jù)各自的透鏡畸變系數(shù) 對(duì)光測(cè)像點(diǎn)像面坐標(biāo)值光學(xué)畸變像差進(jìn)行修正。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法，其特征在 于： 所述相機(jī)1像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟： a. 由測(cè)量基線01-02與相機(jī)1像平面空間位置關(guān)系，得到相機(jī)1像面平行于測(cè)量基線 01-02且通過(guò)相機(jī)1像面中心Ml的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣； b. 由a中得到的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，對(duì)相機(jī)1像面中像點(diǎn)群{Pl_l，Pl_2, Pl_3}進(jìn)行同樣的 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相機(jī)1平行變換處理后的點(diǎn)群{Pl_l'，P1_2'，P1_3' }; c. 相機(jī)1像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換到通過(guò)相機(jī)1像面中心Ml'且平行于測(cè)量基線01-02的投 影成像像面T1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長(zhǎng)基線光學(xué)交會(huì)測(cè)量的像點(diǎn)快速匹配方法，其特征在 于： 所述相機(jī)2像面變換到平行于測(cè)量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟： a. 由測(cè)量基線01-02與相機(jī)2像平面空間位置關(guān)系，得到相機(jī)2像面平行于測(cè)量基線 01-02且通過(guò)相機(jī)2像面中心M2的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣； b. 經(jīng)上述旋轉(zhuǎn)變換后的相機(jī)2投影像面再沿三維空間坐標(biāo)系深度軸方向0Z，前后移動(dòng) 到與相機(jī)1像面中心Ml'同一深度，即相機(jī)2平移后像面中心M2'與相機(jī)1像面中心Ml距 三維空間坐標(biāo)系垂直面0XY距離相同；最后再將相機(jī)2投影像面沿三維空間坐標(biāo)系垂直軸 方向0Y，上下移動(dòng)到與相機(jī)1像面中心Ml'同一水平高度，即相機(jī)2平移后像面中心M2'與 相機(jī)1像面中心Ml'距三維空間坐標(biāo)系水平面0XZ距離相同； c. 由2.3)中旋轉(zhuǎn)變換矩陣和兩次平移變換矩陣，對(duì)相機(jī)2像面中像點(diǎn)群 {P2_l，P2_2, P2_3}進(jìn)行同樣的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移變換得到相機(jī)2平行變換歸一化處理后的 點(diǎn)群{P2_l'，P2_2'，P2_3' }; d. 相機(jī)2像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)平移變換到通過(guò)相機(jī)2平移后像面中心M2'且平行于測(cè) 量基線01-02的投影成像像面T2。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104504683SQ201410723550
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】程志遠(yuǎn), 折文集, 李艷, 張欣 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所