專利名稱：用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術，特別是涉及一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法。

背景技術：
工業(yè)近景攝影測量通過測量放置于被測物體上關鍵位置的人工標志點的坐標來獲取被測物的三維數據。其直接測量對象是人工標志點，而非被測物體本身。其中一類通過不同圖案來表示不同編碼信息的人工標志點成為“編碼標志”?，F(xiàn)場數據采集時，將各種人工標志放置于被測物體周圍，然后使用數字相機進行拍攝。對獲取的圖像進行處理，識別出各個編碼標志的編碼。
一些距離相機較遠和拍攝角度較大的編碼標志由于成像的變形較大，不能自動識別其編碼。通常的做法是不再處理這些編碼標志，而是改變拍攝位置多拍攝幾幅圖像，從而將所有編碼標志識別出來。這樣會加大數據采集的工作量，也會增加數據處理的時間。而且當拍攝場景非常大時極有可能出現(xiàn)漏拍的情況，對后續(xù)的工作造成不利。


發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能提高自動解碼算法的準確率和效率，減少數據采集的工作量和數據處理的時間；同時能提高單幅圖像中編碼標志的利用率，降低現(xiàn)場數據采集的勞動強度的用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法，其特征在于，將圖像abcd轉換為參考平面上的ABCD區(qū)域；正投影化校正方法的步驟包括 i.分別求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值和相機鏡頭水平方向頂角； ii.求取C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的對應關系 a)求取比值

由成像及幾何關系，能推導出 b)求取比值
iii.通過反射影變換，將圖像的abcd區(qū)域轉換為梯形ABCD區(qū)域 a)由

和

確定出梯形CDFE各個頂點的坐標； b)利用C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的坐標進行反射影變換，將圖像轉換為正投影圖像。
進一步的，所述圖像abcd及參考平面上的ABCD區(qū)域中，設O為相機光心，OO′為光軸；矩形abcd表示CCD芯片的有效成像區(qū)域；直線OS垂直于OO′，并平行于面abcd；S是OS與參考平面的交點；e、f分別為邊bc、ad中點，ABCD所成的像為abcd(即ABCD是abcd在參考平面的投影)，EF所成的像為ef；CC′、DD′為參考平面上垂直于CD的兩條直線，C′、D′分別是CC′和DD′與EF的交點；P點是EF的中點，也即光軸與參考平面的交點；Q是CD的中點；OP的長度就是拍攝距離l，∠OPS為拍攝角度α的余角。
進一步的，所述步驟1)中的求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值①在圖像底部和頂部各選取一個人工標志的中心圓，過其中心分別作水平線段，線段的端點落在圓的邊緣上。兩條線段設為mn和kl；

即為等大物體的成像尺寸比值； ②連接mk和nl并延長，其中mk與圖像上下邊緣的交點分別為b′和c′，nl與圖像上下邊緣的交點分別為a′和d′。

稱作本圖像上等大物體的成像尺寸比值的極值。
進一步的，所述步驟1)中的求取相機鏡頭水平方向頂角，即∠EOF，采用實驗的方法求取相機鏡頭水平方向頂角(∠EOF) ①、將相機固定于豎直標桿，鏡頭豎直向下，距離地面約1米； ②、在地面上相機視場中央放置一刻度尺，方向與像片的橫軸平行； ③、拍攝圖像； ④、相機豎直升高△h，使用同一焦距再次拍攝； ⑤、記錄下兩次拍攝的所得圖像中直尺的長度AB和EF；代入 可求得∠EOF。
進一步的，所述步驟2)b)中的的導出 ①△OPS為直角三角形，已知射影距離OP和拍攝角的余角∠OPS，由計算出SP的長度； ②由步驟1)b)中得到的相機鏡頭水平方向頂角(∠EOF)，由EF＝2×OP×tan∠EOF，計算出EF的長度； ③由計算出∠ESF； ④由關系式可得 利用本發(fā)明提供的一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法，由于采用圖像處理的正投影化校正方法，使處理后的那些距離相機較遠和拍攝角度較大的編碼標志能被自動識別出來。從而提高自動解碼算法的準確率和效率，減少了數據采集的工作量和數據處理的時間；同時，這種方法可以提高單幅圖像中編碼標志的利用率，降低了現(xiàn)場數據采集的勞動強度。



圖1為本發(fā)明的校正模型圖； 圖2為本發(fā)明的△OEF放大圖； 圖3a為本發(fā)明的CCD局部放大視圖； 圖3b為本發(fā)明的CCD的正向視圖； 圖4為本發(fā)明的等大物體成像關系圖； 圖5為本發(fā)明的△OEF沿OS方向投影圖； 圖6為本發(fā)明的頂角測量示意圖； 圖7為攝影測量實際拍攝圖像； 圖8為頂角測算實驗圖像； 圖9為本發(fā)明校正后的圖像。

具體實施例方式 本發(fā)明的一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法的原理說明 相機的成像是一個射影變換的過程，透視變形是其固有的特性。成像的模型如圖1所示。
成像過程可以認為是將某一平面上的梯形區(qū)域(ABCD)沿光軸投影到CCD上的矩形區(qū)域(abcd)，透視變形即來源于此。如果可以將圖像abcd“還原”為ABCD，就相當于獲得梯形區(qū)域的正向拍攝圖像了。借助abcd和ABCD四對點的對應關系，可以構建出這個“還原”過程的變換矩陣。
而我們可以通過拍攝角度α和拍攝距離l求得這四對點的對應關系，從而對圖像進行“反射影”變換，最終實現(xiàn)正向拍攝的效果。
將圖1中的A-a，B-b，C-c，D-d定為4對對應點的做法較為直觀，但由于拍攝距離是已知量，所以選取C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f作為對應點計算更加便捷。在這八個點中，c、d、e、f是下半幅圖像的四個角點，是已知量，C、D、E、F是未知量。由于真正的目的是計算變換成正向拍攝后圖像的大小，而不是實物空間的大小，所以可以認為CD與cd是相同的。則剩余的未知量是EF與CD的比例以及EF與CD的距離PQ與CD的比例。
以下將利用圖1所示的模型推導

和

的計算方法。
(1)計算
由圖1，因為C′D′＝CD，所以 在△OEF中(見圖2)，有 (式1)； 因為ef＝cd，所以 cd和c′d′是空間兩條平行直線CC‘和DD′之間的垂直距離線段的像。它們的比值可以由置于同一平面上不同位置的相同尺寸的物體的成像得出。在本發(fā)明中，可以通過測量不同位置處的編碼標志上的中心原點的直徑來獲取這個比值。如圖4所示。
但是，為了獲取這個比值而要求每次拍攝中都保證在中央位置有兩個或更多的編碼標志的做法是不合理也不現(xiàn)實的。實際上，可以利用圖像中任意的兩個不在同一水平線的編碼標志來計算這個比值。這是因為如果兩個物體的成像在一幅圖像中處于同一水平線上，則它們的像在這一水平線上的尺寸的比值與實物在同一方向的尺寸的比值是一致的。圖2所示的情形已經可以證明這個規(guī)律。比如，因為所以如果D′F＝C′E，則有d′f＝c′e。
因此，在圖像中選取兩個或兩個以上合適的編碼標志，分別連接它們的直徑兩端點并延長至圖像的上下邊界(如圖4)，連接mk并延長至上下邊界，交點為b′和c′；連接nl延長至上下邊界，交點為a′和d′。則由a′b′和c′d′可以計算出 (式2)； 于是 (式3)； 至此

得以求出。
(2)計算
求取

可以利用△SEF的數據?！鱏EF是△OEF沿OS方向在地面上的投影。它們可以用圖5表示。
兩個三角形共用邊EF，但是高不同。OP的長度是拍攝距離，是已知量。而∠OPS為拍攝角度的余角，所以SP也可以求出。但是我們并不知道EF的長度，在OP已知的前提下，EF的長度是由頂角∠EOF決定的。頂角∠EOF是相機的一個參數，但大多數相機都沒有提供相關說明，而且由于無法得知相機光心的精確位置，從而無法直接計算∠EOF。但可以通過兩次拍攝間的高度差對此進行計算。如圖6所示。
1.將直尺置于地面，相機豎直向下對準直尺拍攝，并使得直尺平行于圖像的X軸(橫軸)方向。
2.相機豎直升高△h，再次拍攝。
3.記錄下兩次拍攝的長度AB和EF，帶入 (式4) 即可求得∠EOF。
于是可得EF＝2×OD×tan ∠EOF。由 (式5) 可以求出∠ESF。
又由 (式6) 得 (式7) 上式中

已經求出，所以

也可以求出了。
綜上所述，本發(fā)明的一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法是將圖像abcd轉換為參考平面上的ABCD區(qū)域；O為相機光心，OO′為光軸；矩形abcd表示CCD芯片的有效成像區(qū)域；直線OS垂直于OO′，并平行于面abcd；S是OS與參考平面的交點；e、f分別為邊bc、ad中點，ABCD所成的像為abcd(即ABCD是abcd在參考平面的投影)，EF所成的像為ef。CC′、DD′為參考平面上垂直于CD的兩條直線，C′、D′分別是CC′和DD′與EF的交點。P點是EF的中點，也即光軸與參考平面的交點。Q是CD的中點。OP的長度就是拍攝距離l，∠OPS為拍攝角度α的余角；正投影化校正方法的步驟包括 1)分別求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值和相機鏡頭水平方向頂角； a)求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值 ①在圖像底部和頂部各選取一個人工標志的中心圓，過其中心分別作水平線段，線段的端點落在圓的邊緣上。兩條線段設為mn和kl；

即為等大物體的成像尺寸比值； ②連接mk和nl并延長，其中mk與圖像上下邊緣的交點分別為b′和c′，nl與圖像上下邊緣的交點分別為a′和d′。

稱作本圖像上等大物體的成像尺寸比值的極值； b)求取相機鏡頭水平方向頂角，即∠EOF，采用實驗的方法求取相機鏡頭水平方向頂角(∠EOF) ①、將相機固定于豎直標桿，鏡頭豎直向下，距離地面約1米。
②、在地面上相機視場中央放置一刻度尺，方向與像片的橫軸平行。
③、拍攝圖像。
④、相機豎直升高△h，使用同一焦距再次拍攝。
⑤、記錄下兩次拍攝的所得圖像中直尺的長度AB和EF。代入 可求得∠EOF。
2)求取C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的對應關系 a)求取比值

由成像及幾何關系，可以推導出b)求取比值
①△OPS為直角三角形，已知射影距離OP和拍攝角的余角∠OPS，由計算出SP的長度； ②由步驟1)b)中得到的∠EOF，由EF＝2×OP×tan∠EOF，計算出EF的長度； ③由計算出∠ESF； ④由關系式可得 3)通過反射影變換，將圖像的abcd區(qū)域轉換為梯形ABCD區(qū)域 a)由

和

確定出梯形CDFE各個頂點的坐標； b)利用C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的坐標進行反射影變換，將圖像轉換為正投影圖像。
以下結合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似方法及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明的一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法應用于實際拍攝的圖像如圖7所示，變換矩陣需要獲取C，D，E，F(xiàn)，c，d，e，f共八個點的坐標。計算過程如下。
1.圖像分辨率為2304×1728，因此c、d、e、f四個點的坐標分別為(2304，864)，(0，864)，(2304，1728)，(0，1728)。
2.C和D直接使用c和d的坐標。所以，C(2304，1728)，D(0，1728)。
3.計算
選擇圖7中的1和3兩個標志的中心圓點直徑為mn和kl(圖4)。計算得(式3)中的a′b′為3.9130，c′d′為28.9565。所以

為1.7619。
4.計算
首先利用拍攝實驗計算∠ESF。相機分別在800mm，1200mm和1400mm高度拍攝，如圖8。
圖像上直尺長度分別為765mm，1133mm和1340mm。代入(式4)得∠EOF平均值為53.30度。已知拍攝距離OP為1500mm，拍攝角度70度，則 EF＝2×1500×tan53.30＝4024.8088， SP＝1500/cos20＝1409.5389， 所以 則 5.計算E坐標為(-877.7088，1113.2928)，F(xiàn)(3187.7088，1113.2928)。
八個點的坐標已經全部求出，現(xiàn)在可以利用它們對圖像進行變換了。圖像進行變換后的處理結果如圖9所示。
可以看出變換后的圖像中，不僅遠端的兩個標志點非常接近于正向拍攝的狀態(tài)，而且整幅圖像中所有標志的像變得大小均勻，從而保證了解碼的高效率和高準確率。
權利要求
1、一種用于工業(yè)近景攝影中測量圖像的正投影化校正方法，其特征在于，將圖像abcd轉換為參考平面上的ABCD區(qū)域；正投影化校正方法的步驟包括
1)分別求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值和相機鏡頭水平方向頂角；
2)求取C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的對應關系
a)求取比值
由成像及幾何關系，能推導出
b)求取比值
1)通過反射影變換，將圖像的abcd區(qū)域轉換為梯形ABCD區(qū)域
a)由
和
確定出梯形CDFE各個頂點的坐標；
b)利用C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的坐標進行反射影變換，將圖像轉換為正投影圖像。
2、根據權利要求1所述的正投影化校正方法，其特征在于，所述圖像abcd及參考平面上的ABCD區(qū)域中，設O為相機光心，OO′為光軸；矩形abcd表示CCD芯片的有效成像區(qū)域；直線OS垂直于OO′，并平行于面abcd；S是OS與參考平面的交點；e、f分別為邊bc、ad中點，ABCD所成的像為abcd，EF所成的像為ef；CC′、DD′為參考平面上垂直于CD的兩條直線，C′、D′分別是CC′和DD′與EF的交點；P點是EF的中點，也即光軸與參考平面的交點；Q是CD的中點；OP的長度就是拍攝距離l，∠OPS為拍攝角度α的余角。
3、根據權利要求1所述的正投影化校正方法，其特征在于，所述步驟1)中的求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值
①在圖像底部和頂部各選取一個人工標志的中心圓，過其中心分別作水平線段，線段的端點落在圓的邊緣上；兩條線段設為mn和kl；
即為等大物體的成像尺寸比值；
②連接mk和nl并延長，其中mk與圖像上下邊緣的交點分別為b′和c′，nl與圖像上下邊緣的交點分別為a′和d′；
稱作本圖像上等大物體的成像尺寸比值的極值。
4、根據權利要求1所述的正投影化校正方法，其特征在于，所述步驟1)中的求取相機鏡頭水平方向頂角，即∠EOF，采用實驗的方法求取相機鏡頭水平方向頂角
①、將相機固定于豎直標桿，鏡頭豎直向下，距離地面1米；
②、在地面上相機視場中央放置一刻度尺，方向與像片的橫軸平行；
③、拍攝圖像；
④、相機豎直升高△h，使用同一焦距再次拍攝；
⑤、記錄下兩次拍攝的所得圖像中直尺的長度AB和EF；代入
能求得∠EOF。
5、根據權利要求4所述的正投影化校正方法，其特征在于，所述步驟2)b)中的的導出
①△OPS為直角三角形，已知射影距離OP和拍攝角的余角∠OPS，由計算出SP的長度；
②由步驟1)b)中得到的∠EOF，由EF＝2×OP×tan∠EOF，計算出EF的長度；
③由計算出∠ESF；
④由關系式能得
全文摘要
一種用于工業(yè)近景攝影測量圖像的正投影化校正方法，涉及圖像處理技術領域；所要解決的是提高攝影測量圖像的準確率和效率的技術問題；該正投影化校正方法利用拍攝距離，拍攝角度和等大物體的成像規(guī)律，建立了反射影變換模型，方法的步驟1)分別求取等大物體的成像尺寸比值關系的極值和相機鏡頭水平方向頂角；2)求取C-c，D-d，E-e，F(xiàn)-f四對點的對應關系3)通過反射影變換，將圖像的abcd區(qū)域轉換為梯形ABCD區(qū)域。本發(fā)明的正投影化校正方法具有能提高自動解碼算法的準確率和效率，減少數據采集的工作量和數據處理的時間，提高單幅圖像中編碼標志的利用率，降低了現(xiàn)場數據采集的勞動強度的特點。
文檔編號G01C11/00GK101271575SQ20081003579
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權日2008年4月9日
發(fā)明者戴惠良, 鐘建安, 楚萬秀, 潔 方, 偉 鄒, 朱豐訓, 濤 馬 申請人:東華大學