本發(fā)明涉及一種量具，具體涉及一種全角度成像基準尺。

背景技術：

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，特別是以數(shù)字化為核心的先進制造技術的飛速發(fā)展，對工業(yè)精密三維測量技術的需求日益增強。目前采用的三維工業(yè)測量系統(tǒng)主要包括三坐標測量機、經緯儀、全站儀、激光跟蹤儀、激光掃描測量系統(tǒng)、關節(jié)式坐標測量機、室內gps、數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)等。其中，數(shù)字工業(yè)攝影測量采用數(shù)字相機拍攝被測物體的照片后，通過數(shù)字圖像處理、三維重建優(yōu)化算法等，獲得被測物體三維空間幾何信息，并進一步可以分析物體的運動狀態(tài)等信息。與其他系統(tǒng)相比，數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)具有非接觸、精度高、自動化程度高、效率高、成本低等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)經濟、科學研究、國防建設等眾多領域。

基準尺是數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中十分重要的標定附件，它為攝影測量系統(tǒng)提供長度基準，用于提高系統(tǒng)的測量精度。特別的，在某些特定應用場合，可以作為測量系統(tǒng)的標定件，實現(xiàn)相機的定向等功能。此外，基準尺還可以用于測量系統(tǒng)的精度評價等，因此，基準尺對于攝影測量系統(tǒng)有著十分重要的意義。

從目前已有的攝影測量產品和系統(tǒng)來看，基準尺通常由主體、基準長度端點、基準尺識別編碼點等部分組成。其中，主體主要用于構成基準尺的長度，通常由碳纖維等對溫度不敏感材料制作；基準長度端點是固定在主體兩端的兩個或多個標志點，它們之間的距離即為基準尺的長度；基準尺識別編碼點用于基準尺成像后，輔助系統(tǒng)在像面上自動識別基準尺的長度端點，通常由固定在主體兩端的兩個編碼點標志點構成。

在攝影測量系統(tǒng)中，普遍采用表面噴涂自反射材料的圓形平面標志點，編碼標志點也是有多個圓形標志點構成的二維平面編碼點，特殊涂層可以使入射光原路返回，使得成像時與背景產生較大的對比度，易于圖像處理，并提高處理精度。但是，此類標志點對于入射光線的角度有一定限制，通常，入射光線角度不能超過60°，小于30°則比較理想，這對于攝影測量系統(tǒng)而言，造成了較大影響。例如，對于靜態(tài)攝影測量系統(tǒng)，基準尺的位置是固定的，相機在成像過程中，除了考慮被測對象的成像，還要兼顧基準尺的位置和成像，給測量系統(tǒng)帶來不便；對于動態(tài)攝影測量系統(tǒng)，通常只有兩臺相機而且位置固定，如果需要基準尺在被測空間變換不同位置成像時，往往難以滿足雙相機同時成像，其移動空間受到很大限制。

因此，傳統(tǒng)的基準尺已經無法完全滿足攝影測量系統(tǒng)的需求，需要設計全角度可成像的基準尺。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決在大尺寸近景攝影測量中基準尺的成像角度限制問題，提供了一種全角度成像基準尺。

本發(fā)明的技術方案是：一種全角度成像基準尺，所述基準尺包括主體、基準長度端點和基準尺識別編碼，其特征在于，所述基準長度端點置于所述主體首末兩端與主體固定連接，所述基準長度端點為涂有自反射材料的球形標志點；所述基準尺識別編碼為一維條形碼，并將一維條形碼縱向延長，360°纏繞在所述基準尺的主體上。

優(yōu)選的，所述主體的材料為因鋼或碳纖維材料。

優(yōu)選的，所述基準長度端點采用球形自反射標志點，所述標志點基體采用y40mn易切削鋼，并做發(fā)黑氧化處理，所述球體部分外部噴涂貓眼型自反射材料。

優(yōu)選的，所述基準尺識別編碼由15個數(shù)據位組成，所述15個數(shù)據位包括起始區(qū)、終止區(qū)和數(shù)據區(qū)三個區(qū)域，所述起始區(qū)和終止區(qū)的固定碼值是11110和0111。

一種全角度成像基準尺的空間測量方法，所述基準尺空間測量方法包括步驟：1)圖像預處理；2)條形編碼識別；3)端點定位。

優(yōu)選的，所述圖像預處理的方法為二值化方法中基于最大類間差的自適應閾值分割方法-大津法。

優(yōu)選的，所述條形編碼識別的方法包括如下步驟：

(1)統(tǒng)計二值化圖像中的連通區(qū)域，得到圖像上所有連通區(qū)域的中心位置、面積、外包最小矩形；

(2)從中篩選出條形編碼候選區(qū)域，篩選條件是至少有4個相互距離小于一定閾值t、中心位置共線的區(qū)域；

(3)對候選區(qū)域進行條形編碼判斷；

(4)對于獲得的二進制編碼，判斷其是否滿足編碼規(guī)則，若滿足編碼規(guī)則，則根據數(shù)據區(qū)的數(shù)據計算碼值，實現(xiàn)條形編碼的識別。

優(yōu)選的，所述端點定位的原理為交比定理，所述交比定理是：若a,b,c,d為直線上l1的任意四點，則公式(1)定義的r稱為交比。

本發(fā)明的有益效果是：一種全角度成像基準尺采用球形自反射標志點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形標志點，實現(xiàn)入射光的全角度反射；本發(fā)明一種全角度成像基準尺，在編碼點方面，采用一維條形碼，并將一維條形碼縱向延長，360°纏繞在基準尺的主體上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面二維編碼標志點，實現(xiàn)全角度的成像和條形編碼識別。本發(fā)明實現(xiàn)了基準尺在測量空間的全角度成像。

應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出本發(fā)明一種全角度成像基準尺的結構示意圖；

圖2示意性示出本發(fā)明一種全角度成像基準尺的球形自反射標志點的回光反射點微觀結構原理圖；

圖3示意性示出本發(fā)明一種全角度成像基準尺的條形編碼數(shù)據位設計圖；

圖4示意性示出本發(fā)明一種全角度成像基準尺空間測量方法流程圖；

圖5示出本發(fā)發(fā)明一種全角度成像基準尺的實物展示圖；

圖6示意性示出本發(fā)明一種全角度成像基準尺的第一實施例的條形編碼圖像的二值化處理結果圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

圖1所示為本發(fā)明一種全角度成像基準尺的結構示意圖，如圖1所示，一種全角度成像基準尺包括主體102、基準長度端點101和基準尺識別編碼103。

所述主體102為柱體或長方體，圖1所示的基準尺的主體102呈圓柱體狀，主體材料為因銅或碳纖維。

所述基準長度端點101置于主體102的首末兩端，所述基準長度端點101與主體102固定連接，所述基準長度端點101為涂有自反射材料的球形標志點，標記基準長度端點的兩個球形標志點為a和d。

所述基準長度端點101的自反射也稱為回光反射，回光反射點能夠將入射光按原入射光路平行返回是由其特殊的微觀結構決定的，在攝影測量系統(tǒng)中一般采用貓眼型回光反射材料制作標志點，材料的橫截面如圖2所示，在底層材料上鋪設球形特殊材料，空隙間是空氣，空氣的折射率是ni，球形202特殊材料的折射率是ng。當ng為特定值時，恰好可使入射光α1經過內球202表面折射后，到達與入射光α1平行的球直徑軸線與球面的交點上。由于在球202的靠近基底201的半球上鍍有反射層，光線在該點上會發(fā)生鏡面反射，按照反射定律與折射定律，反射光α2折射出球面后的光線應與入射光α1平行且方向相反。球形202材料的主要成分為tio2、bao、sio2，通過調節(jié)混合比，使得球形材料的折射率ng滿足上述的要求。

所述基準尺識別編碼103為一維條形編碼，所述一維條形編碼縱向延長，360°纏繞在基準尺的主體上，標記基準尺長度編碼的標志點為b和c。

所述一維條形編碼是將寬度不等的多個黑條和空白，按照一定的編碼規(guī)則排列，用以表達一組信息的圖形標識符。本發(fā)明條形編碼標識主要用于基準尺的自動識別，其設計需要考慮的內容包括以下四點：

(1)攝影測量中采用的基準尺數(shù)量通常較少，因此條形編碼的容量不需要很大；

(2)所述條形編碼僅用于攝影測量等特定場合，無需與其他條形編碼識別系統(tǒng)、軟件等通用，因此設計并不需要完全遵照一維條形編碼的通用編碼準則；

(3)考慮攝影測量的對象尺寸較大，基準尺的成像距離一般較遠，因此，條形編碼的條、空寬度適當加大，且不易采用條、空的寬度差異來作為編碼元素；

(4)考慮攝影測量空間一般比較復雜，為了減少遮擋等問題，條形編碼長度設計不宜過長。

基于以上因素，本發(fā)明用于基準尺的條形編碼設計如圖3所示，條形編碼設計滿足以下條件：

(1)本發(fā)明的條形編碼共有15個數(shù)據位構成，滿足條形編碼識別的可靠性和穩(wěn)定性；

(2)每個數(shù)據位以“1”、“0”二進制進行編碼，對應于數(shù)據位上“有”、“無”亮條紋；

(3)為了便于識別，15個數(shù)據位由起始區(qū)b1、終止區(qū)b3、數(shù)據區(qū)b2三個區(qū)域構成，如圖3所示其中a1～a5為起始區(qū)b1，a12～a15為終止區(qū)b3，分別用于確定條形編碼的起點和終點，a6～a11為數(shù)據區(qū)b2，用于表示條形編碼的碼值信息；

(4)所有條形編碼的起始區(qū)b1和終止區(qū)b3設計為固定碼值11110和0111；

(5)為了區(qū)別起始區(qū)b1和終止區(qū)b3，數(shù)據區(qū)b2的6個數(shù)據中，最多只能有兩個亮條紋相連，暗條紋的連續(xù)相連個數(shù)不受限制，因此，數(shù)據區(qū)最多可以表達44個碼值，可以滿足攝影測量系統(tǒng)使用。

本發(fā)明全角度成像基準尺的識別算法設計包括識別條形編碼和識別端點，如圖4所示所述空間測量方法包括步驟1)圖形預處理，2)條形碼識別；3)端點定位。

其中所述圖形預處理在攝影測量系統(tǒng)中，通常采用的是灰度圖像，而且由于采用了自反射標志點，可以實現(xiàn)目標與背景的高對比度，因此，對于條形編碼的識別，可以直接對灰度圖像進行二值化處理，將目標和背景區(qū)分開。

本發(fā)明采用的處理方法為二值化處理方法的自適應閾值分割方法-大津法，所述方法滿足數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的圖像二值化處理需求，而且處理速度相對較快。

所述條形編碼識別過程包括如下步驟：

(1)統(tǒng)計二值化圖像中的連通區(qū)域，得到圖像上所有連通區(qū)域的中心位置、面積、外包最小矩形；

(2)從中篩選出條形編碼候選區(qū)域，篩選條件是至少有4個相互距離小于一定閾值t、中心位置共線的區(qū)域。

(3)對候選區(qū)域進行條形編碼判斷。首先，將候選區(qū)域中的所有中心位置擬合直線，并將中心位置按照直線方向進行排序，確定直線穿過候選區(qū)域的兩端邊界點p1和p2。將p1p2線段15等分，根據直線方程計算15等分中心點坐標，并在圖像上確定中心點坐標的亮與暗，組成15位二進制編碼。

(4)對于獲得的15位二進制編碼，判斷其是否滿足編碼規(guī)則，即存在起始區(qū)(11110)和終止區(qū)(0111)，并且數(shù)據區(qū)連續(xù)1的位數(shù)不超過2個。如果滿足上述編碼規(guī)則，則可以根據數(shù)據區(qū)的數(shù)據計算碼值，實現(xiàn)條形編碼的識別。

所述端點定位根據交比定理解決端點定位問題。

若a,b,c,d為直線上l1的任意四點，則下式定義的r稱為交比(crossratio)：

這里，可以把ac(或bc，ad，bd等)理解為兩點間的距離。

交比定理：射影變換保持點列的交比不變。

所述定理表示，若存在射影變換將直線l1變換到l2，a,b,c,d為直線l1任意四點，a',b',c',d'為它們在l2上的對應點，則r(a,b,c,d)＝r(a',b',c',d')。

根據上述所述的交比定理，確定基準尺端點，如圖1所示，確定所示a和d兩點的具體方法包括如下步驟：

(1)如圖1所示a、b、c、d在基準尺制作時近直線排列，根據成像幾何關系，四點的成像仍然保持直線排列。因此，可以根據找到的b和c點計算其所在直線l。

(2)自動設定直線度閾值t1，即基準尺端點偏離直線l的距離閾值。所述設定閾值的方法為選擇基準尺兩個條形編碼的所有亮條區(qū)域高度的最大值。

(3)建立候選點集pset。根據直線方程，尋找所有特征點離直線距離滿足直線度閾值(t1)要求的點集pset。

(4)自動設定距離閾值t2bl、t2bh、t2cl、t2ch，分別表示離b、c點的距離范圍低閾值和高閾值。

其中確定低閾值和高閾值的方法是通過bc在像面上的距離，計算bc段的物像比，并根據物像比計算ab和cd的像面距離，然后分別該距離的80％和120％作為對應的低閾值和高閾值。

(5)從候選點集pset中，結合閾值t2bl、t2bh、t2cl、t2ch，篩選出a、d點的候選點集pseta和psetb。同時，根據b、c兩點的坐標，可以剔除位于b、c點之間的候選點。

(6)設定交比閾值t3，表示比例尺4點交比值與其成像交比值的最大偏差，通常根據經驗設定，典型值為0.03。

(7)利用交比定理，分別從候選點集pseta和psetb中進一步確定a、d點。由于像點、系統(tǒng)參數(shù)等方面的誤差存在，像點交比從數(shù)值上并不完全等同于基準尺自身的交比，所以，以最接近基準尺交比條件且小于交比閾值t3的標志點組合作為a、d點。

實施例1

圖5所示為本發(fā)明全角度成像基準尺的實物展示圖，如圖5所示本實施中全角度成像基準尺主體材料選擇因鋼，因鋼與碳纖維材料相比，其直徑較小，在像面上對條形編碼的識別更加困難，易于驗證算法的有效性和可靠性。

本實施例中采用的條形編碼組合為51(110011)和45(101101)，相關長度通過基準尺專用測長儀進行標定，其中ad＝1096.032mm，ab＝158.586mm，cd＝133.255mm，則bc＝ad-ab-cd＝804.191mm。

為了檢驗所述基準尺的實際應用效果，將其置于大型室內三維控制場的不同位置，所述控制場尺寸大約4m×3m×3m，布置96個測量用圓形標志點，對基準尺的識別制造干擾。采用nikond2x數(shù)字相機，對其進行不同距離、不同角度的成像，圖像分辨率4288×2848，20mm定焦鏡頭。

對于全角度成像基準尺，影響其成像和識別的主要因素是成像距離。在當前實驗條件下，采用實驗相機，分別在有效成像距離大約3米、4米、5米、6米處對基準尺進行多角度成像。

圖6所示為本發(fā)明一種全角度成像基準尺的第一實施例的條形編碼圖像的二值化處理結果圖，其中(a)圖為在4米處成像距離時的二值化處理后的圖像，(b)圖為在5米處成像距離時二值化處理后的圖像。

以碼值51的條形編碼為例，在4米成像距離時采集圖像的二值化處理后的結果如圖6(a)所示。根據設計的全角度基準尺的相關長度數(shù)據，結合設計的識別算法，成功實現(xiàn)基準尺端點定位，而且不同成像角度對圖像處理和定位結果沒有影響。

當有效成像距離超過5米后，其二值化處理后結果如圖6(b)所示，由于條形編碼區(qū)域成像過窄，容易造成碼值識別錯誤?？梢酝ㄟ^調整條形編碼區(qū)域寬度、更換設備等方法獲得有效編碼區(qū)域成像。實際上，這與攝影測量系統(tǒng)需要根據測量任務選擇合適的附件和設備是一致的。

結合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。