專利名稱：經(jīng)緯像機攝像測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攝像測量、圖像處理、計算機視覺等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
攝像測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的具有重大工程實用價值的測量技術(shù)，具有高精 度、非接觸以及可實時測量等特點。實施攝像測量時，通常需要已知像機的內(nèi)外參數(shù)。在攝像測量學中，像機模型被近 似成中心透視投影模型，攝像測量常用坐標系及中心透視投影成像關(guān)系如圖1所示其中世界坐標系Ow-XwYwZw,也稱全局坐標系，是由用戶任意定義的三維空間坐標 系，通常是將被測物體和攝像機作為一個整體來考慮的坐標系。為了使用方便，此坐標系的 建立較多的考慮應(yīng)用環(huán)境和對象條件。像機坐標系Oc-XcYcZc,中心透視投影的光心和光軸即像機的光心和光軸。像機坐 標系原點取為像機光心，Zc軸與像機光軸重合，且取攝像方向為正向，Xc，Yc軸與圖像坐標系 的X，y軸分別平行。圖像坐標系I-xy，圖像坐標系是建立在像面上的，即在像機坐標系Zc = f的平面 內(nèi)，f為中心透視投影模型的焦距。此坐標系是以圖像左上角點I為原點，以像素為坐標單 位的直角坐標系。χ，y分別表示該像素在數(shù)字圖像中的列數(shù)和行數(shù)。在中心透視投影模型下，像機的參數(shù)可分為像機內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)兩個部分。像機 內(nèi)參數(shù)包括圖像主點，即像機光軸與像面交點的圖像坐標(cx，cy)；等效焦距，即焦距f分別 與C⑶像元的橫、縱尺寸之比(Fx，F(xiàn)y)。像機外參數(shù)是指世界坐標系Ow-XwYwZw與像機坐標系 Oc-XcYcZc之間的關(guān)系，它包括三個旋轉(zhuǎn)角(Ax，AY, Az)，即為將世界坐標系變換到與像機坐標 系姿態(tài)一致而分別繞三個坐標軸轉(zhuǎn)過的歐拉角；平移向量T= (TX，TY，TZ)，是世界坐標系原 點在像機坐標系中的坐標。像機參數(shù)的獲取一般分兩種方式基于已知控制點的解算方式和輔助設(shè)備測量方 式。前者即像機參數(shù)的標定，這種方式具有攝像系統(tǒng)小巧、裝拆簡單、便于攜帶等優(yōu)點。但 它需要在像機視場內(nèi)放置若干世界坐標已知的控制點，標定過程相對繁瑣。而且在某些使 用條件下，如對空中或海上目標的測量情況，難以放置控制點，導致無法標定和測量。后者 如光電經(jīng)緯儀上的攝像系統(tǒng)，其外參數(shù)可由經(jīng)緯儀提供的方位和俯仰角直接獲得，獲取方 式快速簡單，可對運動目標跟蹤拍攝。但是光電經(jīng)緯儀要求二維旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)中心與攝像 系統(tǒng)光心重合，并且要求經(jīng)緯儀視準軸與攝像系統(tǒng)光軸重合，即要求同心同軸，這需要精密 的安裝調(diào)試才能實現(xiàn)。導致光電經(jīng)緯儀設(shè)備體積大、安裝困難、成本高，一般只在靶場對遠 距離目標跟蹤拍攝時使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明目的旨在結(jié)合上述兩種像機外參數(shù)的獲取 方式，取長補短，提供一種小巧、裝拆簡單、便于攜帶、成本較低、像機外參數(shù)獲取方式快速
3簡單的經(jīng)緯像機攝像測量方法及系統(tǒng)。本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是，一種經(jīng)緯像機攝像測量方法，包括如下步驟1)將像機安裝于二維旋轉(zhuǎn)平臺之上，組成經(jīng)緯像機；2)將經(jīng)緯像機對準布置了控制點的區(qū)域，標定經(jīng)緯像機的內(nèi)參數(shù)及在初始位置的 外參數(shù)，再標定二維旋轉(zhuǎn)平臺與像機之間的系統(tǒng)差Ht。，所述系統(tǒng)差包括二維旋轉(zhuǎn)平臺與像 機之間的偏心距和角度偏差；；3)修正像機外參數(shù)完成標定后，轉(zhuǎn)動二維旋轉(zhuǎn)平臺使像機對準待測目標，根據(jù) 步驟2中得到的像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差Ht。、記錄下二維旋轉(zhuǎn)平臺的兩個轉(zhuǎn)動角 度，即方位角和俯仰角，結(jié)合步驟2中標定的初始位置像機的外參數(shù)，計算出像機當前位置 的外參數(shù)；4)通過兩臺經(jīng)緯像機對待測目標進行拍攝，基于交匯測量原理，結(jié)合前述步驟獲 取的像機外參數(shù)，實時計算出待測目標的絕對位姿和運動參數(shù)，實現(xiàn)對待測目標的三維測量。所述步驟2中內(nèi)外參數(shù)的標定及像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差的計算步驟如 下(1)先在初始位置通過經(jīng)緯像機對已知世界坐標的控制點成像來標定得到像機內(nèi) 參數(shù)和初始位置的外參數(shù)；(2)利用上一步中得到的像機內(nèi)參數(shù)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺在水平面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)不小 于5°的角度，在轉(zhuǎn)動后的位置處記錄二維旋轉(zhuǎn)平臺的方位角并標定此時像機的外參數(shù)；(3)再根據(jù)第一步中得到的像機內(nèi)參數(shù)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺在鉛垂面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)不 小于5°的角度，在轉(zhuǎn)動后的位置處記錄二維旋轉(zhuǎn)平臺的俯仰角并標定此時像機的外參 數(shù)；(4)根據(jù)前三步中每次標定得到的像機外參數(shù)得出每個位置上像機坐標系和世界 坐標系之間的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Hwcd ；利用每次旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角，確定每次旋轉(zhuǎn)后， 二維旋轉(zhuǎn)平臺坐標系前后兩個位置處之間的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt ；利用兩次旋轉(zhuǎn)得到的 旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣以及兩個旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt，結(jié)合公式Hwc;i, = HteHttHwti，求解得到像 機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差Ht。。作為具體實施方案，所述步驟3中像機當前位置的外參數(shù)的計算過程為根據(jù)像 機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差Ht。，二維旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角得到的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt， 以及初始位置像機外參數(shù)Hwcd，根據(jù)公式Hwc;i, = HtcHttHtc^1Hwci,即可得到像機在當前位置的 外參數(shù)Hwcd,。相應(yīng)的，本發(fā)明也提供了一種經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)，包括由像機和二維旋轉(zhuǎn)平 臺構(gòu)成的經(jīng)緯像機、網(wǎng)卡、路由器和三維測量PC機，其中經(jīng)緯像機經(jīng)路由器和網(wǎng)卡接入三 維測量PC機。為了進一步提高所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)的實時性，上述網(wǎng)卡和路由器優(yōu)選采 用千兆網(wǎng)卡和千兆路由器。所述像機為非量測像機。本發(fā)明的設(shè)計原理和工作過程詳細描述如下本發(fā)明所述經(jīng)緯像機是由二維旋轉(zhuǎn)平臺和固定于平臺上的像機組成。所述經(jīng)緯像機并不要求二維與像機同心同軸。二維旋轉(zhuǎn)平臺可以選用經(jīng)緯儀，也可用其他能夠提供方 位和俯仰轉(zhuǎn)角的儀器代替。在攝像測量前，由于二維旋轉(zhuǎn)平臺與像機不同心同軸，兩者的外參數(shù)不相同，存在 系統(tǒng)差，即兩者之間存在偏心距和角度偏差。測量前首先標定此系統(tǒng)差，測量過程中需利用 系統(tǒng)差修正消除安裝引起的位姿偏差。具體方法是首先在易于標定場合先安裝像機，將經(jīng) 緯像機對準容易布置控制點的區(qū)域，并標定像機，解算像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差。然 后轉(zhuǎn)動二維旋轉(zhuǎn)平臺，使像機對準待測目標并修正此時像機的外參數(shù)；接著拍攝目標圖像， 基于交匯測量原理實時解算目標的位置、姿態(tài)和速度等運動參數(shù)，最后傳輸處理結(jié)果并顯 示圖形。在本發(fā)明中提出了像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的位姿偏差的具體解算方法調(diào)整二 維旋轉(zhuǎn)平臺，使像機對標定架所成的像位于圖像的中心區(qū)域，在此初始位置記錄轉(zhuǎn)角值并 標定像機獲得像機的外參數(shù)；使二維旋轉(zhuǎn)平臺在水平面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)動角度不小于 5°，且標定架不超出視場，在此位置記錄水平轉(zhuǎn)角值并標定像機獲得像機的外參數(shù)；使二 維旋轉(zhuǎn)平臺在鉛垂面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)動角度不小于5°，且標定架不超出視場，在此位 置記錄俯仰轉(zhuǎn)角值并標定像機獲得像機的外參數(shù)；根據(jù)上述二維旋轉(zhuǎn)平臺兩次相對于初始 位置的轉(zhuǎn)動角度和像機三次標定的外參數(shù)，計算出像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差。所述二維旋轉(zhuǎn)平臺提供角度的方式可分為能通過數(shù)據(jù)線實時傳輸給計算機的電 子傳入式和人工讀取方式。對于電子傳入式二維旋轉(zhuǎn)平臺，像機固裝在二維旋轉(zhuǎn)平臺上可 對目標進行全場實時跟蹤，解決了固定不動的像機視場有限的難題。如果系統(tǒng)差已修正，那 么每一時刻像機的外參數(shù)可根據(jù)它和二維旋轉(zhuǎn)平臺的兩個轉(zhuǎn)角，對初始時刻像機外參數(shù)修 正得到，這有效解決了難以安放控制點時像機無法標定的難題。本發(fā)明涉及的公式都為歐氏空間下的三維坐標變換，因此統(tǒng)一寫成如下形式
(1)式中Xp、Xq表示同名點在三維坐標系p、q中的規(guī)范齊次坐標，Hpa表示同名點的Xp 坐標向Xq坐標變換的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣。Rm表示旋轉(zhuǎn)矩陣；tM表示平移向量，為三維坐標 系P的原點在三維坐標系q中的坐標值。各坐標系間的關(guān)系如圖3所示。世界坐標系w由標定架定義。任意位置的二維旋 轉(zhuǎn)平臺坐標系都是以其旋轉(zhuǎn)中心為原點，以其主軸方向為Z軸，以在水平面內(nèi)且與Z軸垂直 的軸為Y軸，由右手定則確定χ軸。像機固連在二維旋轉(zhuǎn)平臺的主軸上，像機坐標系以光心為原點，以光軸為Z軸，X， Y軸與圖像的兩坐標軸對應(yīng)平行。將二維旋轉(zhuǎn)平臺的初始位置定為位置1，然后將二維旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動到下一位置定 為位置2，坐標系分別用1、2下標表示。假設(shè)像機在位置1和位置2都能對標定架成像，在 這兩個位置分別對像機標定，像機的外參數(shù)建立了世界坐標系向像機坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 如下式Xcl = HwclXw (2)Xc2 = Hwc2Xw (3)其中Hwcl為像機在位置1的外參數(shù)，Hwc2為像機在位置2的外參數(shù)。
像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差Ht。固定不變，如下式Xcl = HtcXu (4)Xc2 = HtcXt2(5)二維旋轉(zhuǎn)平臺兩個不同位置之間的相對位姿可由其提供的兩個旋轉(zhuǎn)角度的變化 值，即方位角及俯仰角的變化值計算得出。關(guān)系式為Xt2 = HttXtl(6)其中Htt為二維旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角得到的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣。從式⑵和式(3)中消去Xw得到兩個不同位置所定義的像機坐標系間轉(zhuǎn)換關(guān)系Xc2 = Hwc2Hwcl-1Xcl(7)從式(4)和式(6)中消去Xtl得到Xt2 = HttHtcT1Xcl(8)將式(8)代入式(5)得Xc2 = HtcHttHtcT1Xcl ⑶比較式(7)和(9)，由于兩式對所有空間點都成立，所以有Hwc2Hwcl-1 = HtcHttHt;1 (10)記為如下形式HtcHa = HbHtc(11)式中Ha = HtPHb = Hwc2Hwcl-^由式⑴和分塊對角矩陣的性質(zhì)由式(11)得到旋轉(zhuǎn)矩陣之間關(guān)系RtcRa = RbRtc(12)根據(jù)方程兩邊對應(yīng)元素相等可寫出9個方程，表示為(A-B)r = 0(13)式中r是由Rt。元素按行形式組成的9維矢量，A是分塊對角矩陣，A = diag(RaT, RaT，RaT)，B 是分塊矩陣，每塊為 Bij = RbijE3X3-根據(jù)式(!3)對 A-B 進行奇異值分解可線性求解Rt。。由式(11)得到關(guān)于平移向量tt。的關(guān)系式Rtcta+ttc = Rbttc+tb(14)二維旋轉(zhuǎn)平臺的相對運動只有旋轉(zhuǎn)沒有平移，則ta = 0，上式變成如下形式(E3x3-Rb) ttc = tb(15)由此可知求解tt。與求解Rte是獨立的。如前所述，理論上轉(zhuǎn)動一次二維旋轉(zhuǎn)平臺，根據(jù)轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后兩個位置對像機 標定獲取的像機外參數(shù)和二維旋轉(zhuǎn)平臺提供的兩個轉(zhuǎn)角，可解算出像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間 的系統(tǒng)差。但是在實際解算中發(fā)現(xiàn)，式(15)中的系數(shù)矩陣常常是奇異或接近奇異的，導致 無解或解的誤差很大。因此，利用二維旋轉(zhuǎn)平臺的兩次轉(zhuǎn)動，通過式(13)和式(15)超靜定 求解像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差，提高解的穩(wěn)定性。須指出，兩次相對運動并不要求都 在同一個世界坐標系中完成。Rtc的自由度為3，且是單位正交矩陣，即它可由三個旋轉(zhuǎn)角或者Cayley變換來表 示，但不是線性的。前述部分已提到線性求解的R不一定是單位正交陣，需要在2-范數(shù)意義
下求解最逼近i的單位正交矩陣g，即最小化目標函數(shù)||δ-R||。若奇異值分解得g =udvt，則 R 二UVT，具體請參考相關(guān)文獻(Z.Zhang.A flexible new technique for camera calibration. IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,(一 種新的靈活的像機標定技術(shù)，IEEE模式分析與機器智能匯刊)22 (11) : 1330-1334，2000.詳 見文中附錄3。由g得到三個旋轉(zhuǎn)角作為平差優(yōu)化的初值，將旋轉(zhuǎn)角和平移向量共六個參數(shù) 代入式(11)中進行平差優(yōu)化求精。世界坐標系到二維旋轉(zhuǎn)平臺位置1坐標系的轉(zhuǎn)換公式為Xtl = HwtlXw (17)將式(17)依次代入式(6)和式(5)得Xc2 = HtcHttHwtlXw (18)比較式(18)和式(3)，因為對所有點成立，所以有Hwc2 = HtcHttHwtl(19)式(19)表明像機在位置2的外參數(shù)可根據(jù)像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差Ht。、由 二維旋轉(zhuǎn)平臺的兩個轉(zhuǎn)角得出的Htt、二維旋轉(zhuǎn)平臺位置1坐標系的像機外參數(shù)Hwtl計算得 到。精密光電經(jīng)緯儀的像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺同心同軸，像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差為Htc = E4x4(20)代入式(19)得Hwc2 = HttHwtl(21)很顯然，精密光電經(jīng)緯儀只是本發(fā)明所述經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)的一個特例。相對于精 密光電經(jīng)緯儀，本發(fā)明方法及系統(tǒng)的外參數(shù)獲取公式(19)增加了像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的 系統(tǒng)差的解算。Hwtl也可由下面方法得到從式(2)和式⑷消去Xcl得Xtl = Htc-1HwclXw(22)比較式(17)和式(22)，因為對所有點成立，所以有Hwtl = Htc-1Hwcl(23)即為Hwtl的計算公式。將式(23)代入式(19)Hwc2 = HtcHttHtc-1Hwcl (24)式(24)表明像機在位置2的外參數(shù)可根據(jù)像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差、二維旋 轉(zhuǎn)平臺的兩個轉(zhuǎn)角，對像機在位置1的外參數(shù)修正得到。綜上所述，本發(fā)明所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)及其測量方法與現(xiàn)有技術(shù)中的光電 經(jīng)緯儀對比，所具有的優(yōu)點有1)本發(fā)明采用的像機可以是非量測型的CXD像機，其內(nèi)參數(shù)可以通過標定方法得 到，相對于現(xiàn)有技術(shù)中必須采用量測型像機的光電經(jīng)緯儀而言，具備體積小、組合簡便、成 本低等特點；2)本發(fā)明能在不滿足二維旋轉(zhuǎn)平臺與像機間同心同軸的安裝條件的情形下，也能 達到準確精密的測量效果；3)實時性上，光電經(jīng)緯儀一般是將跟蹤拍攝目標的過程通過膠片或數(shù)字圖像的方 式記錄下來，然后事后通過判讀儀判讀目標脫靶量，并交會得到目標位姿；而本發(fā)明是一個 實時的交會測量目標的系統(tǒng)。


圖1是世界坐標系Ow-XwYwZw、像機坐標系Oc-XcYcZc和圖像坐標系I-xy的定義示意 圖；圖2為像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺固連示意圖；圖3為像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺之間系統(tǒng)差標定過程中各坐標系的關(guān)系示意圖；圖4是本發(fā)明所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在附圖中1-由像機和二維旋轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成的經(jīng)緯像機 2-路由器 3-網(wǎng)卡 4-測量分機 5-測量主機6-像機7-二維旋轉(zhuǎn)平臺的主軸
具體實施例方式背景技術(shù)所述光電經(jīng)緯儀攝像測量系統(tǒng)中，二維旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)中心與攝像系統(tǒng)光 心重合，并且其平臺的兩個旋轉(zhuǎn)軸與攝像系統(tǒng)光軸垂直，即同心同軸，其采用的是量測型像 機，即其像機的內(nèi)參數(shù)在出廠時就通過光學檢校精確已知，成本較高。而本實施例所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)中，二維旋轉(zhuǎn)平臺和攝像系統(tǒng)并沒有通過 精密的裝配保證二維旋轉(zhuǎn)平臺和像機同心同軸，且經(jīng)緯像機的攝像系統(tǒng)采用的是非量測型 像機，像機內(nèi)參數(shù)事先是未知的，需要通過標定得到，因此，由于其采用的是非量測型像機， 使整個系統(tǒng)的成本大大降低。所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)中，像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺之間系統(tǒng)差標定過程中各坐 標系的關(guān)系如圖3所示其中世界坐標系w由標定架定義。任意位置的二維旋轉(zhuǎn)平臺坐標系都是以其旋轉(zhuǎn) 中心為原點，以其主軸方向為Z軸，以在水平面內(nèi)且與Z軸垂直的軸為Y軸，由右手定則確 定X軸。像機6固連在二維旋轉(zhuǎn)平臺的主軸7上，像機坐標系以光心為原點，以光軸為Z軸， 其X，Y軸與圖像的兩坐標軸對應(yīng)平行。轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后分別用下標1，2表示。下述內(nèi)容以傳統(tǒng)測量方法中難以放置控制點時無法標定情形下的測量，如對空中 運動目標的運動參數(shù)進行測量為例，對本發(fā)明實施方法和步驟進行詳細描述第一步，安裝像機。將像機固定安裝在二維旋轉(zhuǎn)平臺上，組合成經(jīng)緯像機，進而形成如圖4所示的經(jīng) 緯像機攝像測量系統(tǒng)，其包括由像機和二維旋轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成的經(jīng)緯像機1、千兆網(wǎng)卡3、千兆2 路由器和三維測量PC機，該三維測量PC機中包括測量分機4和測量主機5 ；其中經(jīng)緯像機 1均經(jīng)千兆路由器2和千兆網(wǎng)卡3接入測量分機4，所述多個測量分機4 一并接入測量主機 5的信號輸入端。本實施例中像機采用的是非量測像機。其中非量測像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺 沒有同心同軸。安裝完成后，像機對準地面上放置的標定物。可根據(jù)任務(wù)需要選擇一臺或 多臺經(jīng)緯像機，如圖4所示。本實施例采用兩臺經(jīng)緯像機，以實現(xiàn)后續(xù)的交會測量。第二步，標定攝像機并解算攝像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差。安裝完經(jīng)緯像機后，對經(jīng)緯像機的內(nèi)外參數(shù)進行標定。經(jīng)緯像機的標定屬于攝像 測量的范疇，有多種公知的標定方法，例如傳統(tǒng)標定方法中的兩步法，具體可參考由邱茂 林、馬頌德、李毅著的計算機視覺中攝像機定標綜述，自動化學報的2000年1月第26卷第
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像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差利用本發(fā)明提供的方法來解算。較為簡單的步驟 設(shè)計為1)調(diào)整二維旋轉(zhuǎn)平臺，使像機對標定架所成的像位于圖像的中心區(qū)域，在此初始 位置記錄轉(zhuǎn)角值并標定像機獲得像機的外參數(shù)；2)使平臺在水平面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)動角度不小于5°，且標定架不超出視場。 在此位置記錄水平轉(zhuǎn)角值并標定像機獲得像機的外參數(shù)；3)使平臺在鉛垂面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)動角度不小于5°，且標定架不超出視場。 在此位置記錄俯仰轉(zhuǎn)角值并標定像機獲得像機的外參數(shù)。4)根據(jù)二維旋轉(zhuǎn)平臺兩次相對于初始位置的轉(zhuǎn)動角度和像機三次標定的外參數(shù)， 解算像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的位姿偏差。第三步，修正攝像機外參數(shù)。在地面上完成標定后，轉(zhuǎn)動二維旋轉(zhuǎn)平臺使像機對準空中目標，根據(jù)像機與二維 旋轉(zhuǎn)平臺間的位姿偏差、記錄下的兩個轉(zhuǎn)動角度、第二步標定中初始位置像機的外參數(shù)，利 用發(fā)明內(nèi)容部分的公式(24)計算像機當前位置的外參數(shù)。第四步，拍攝目標圖像并實時解算目標的絕對位姿和速度等運動參數(shù)。所有像機均采用連續(xù)拍攝的工作模式對目標進行拍攝。對拍攝的圖像進行目標捕 獲、識別、跟蹤鎖定等處理后，實時得到目標在不同攝像機圖像上的位置，并根據(jù)修正后的 像機參數(shù)，實時交會解算目標的位置、姿態(tài)和速度等運動參數(shù)。對于大范圍運動目標的實時測量，需要連續(xù)轉(zhuǎn)動二維旋轉(zhuǎn)平臺進行目標捕獲。因 此，平臺每一時刻的轉(zhuǎn)動角度都必須已知，以進行像機外參數(shù)的實時修正。此種情況需要二 維旋轉(zhuǎn)平臺具備轉(zhuǎn)動角度的實時反饋功能。在完成第一、二步后，不斷重復第三、四步，即可 實現(xiàn)對目標的全場實時連續(xù)測量。當經(jīng)緯像機整體移動到另一個位置后，像機內(nèi)參數(shù)不變，像機外參數(shù)改變，但像機 與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差不變，不需要進行第一步與第二步。利用全站儀等測量手段可 以標定二維旋轉(zhuǎn)平臺的外參數(shù)。不需要再次設(shè)置控制點進行像機的標定，利用公式(19) Hwc2 = Ht。HttHwtl，可計算得到像機的外參數(shù)，與光電經(jīng)緯儀類似。
權(quán)利要求
一種經(jīng)緯像機攝像測量方法，其特征是，包括如下步驟1)將像機安裝于二維旋轉(zhuǎn)平臺之上，組成經(jīng)緯像機；2)將經(jīng)緯像機對準布置了控制點的區(qū)域，標定經(jīng)緯像機的內(nèi)參數(shù)及在初始位置的外參數(shù)，再標定二維旋轉(zhuǎn)平臺與像機之間的系統(tǒng)差Htc，所述系統(tǒng)差包括二維旋轉(zhuǎn)平臺與像機之間的偏心距和角度偏差；3)修正像機外參數(shù)完成標定后，轉(zhuǎn)動二維旋轉(zhuǎn)平臺使像機對準待測目標，根據(jù)步驟2中標定得到的像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差Htc、記錄下二維旋轉(zhuǎn)平臺的兩個轉(zhuǎn)動角度，即方位角和和俯仰角，結(jié)合步驟2中標定的初始位置像機的外參數(shù)，計算出像機在當前位置的外參數(shù)；4)通過兩臺經(jīng)緯像機對待測目標進行拍攝，基于交匯測量原理，結(jié)合前述步驟獲取的像機外參數(shù)，實時計算出待測目標的絕對位姿和運動參數(shù)，實現(xiàn)對待測目標的三維測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述經(jīng)緯像機攝像測量方法，其特征是，所述步驟2)中內(nèi)外參數(shù)的 標定及像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差的計算步驟如下(1)先在初始位置通過經(jīng)緯像機對已知世界坐標的控制點成像來標定得到像機內(nèi)參數(shù) 和初始位置的外參數(shù)；(2)利用上一步中得到的像機內(nèi)參數(shù)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺在水平面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)不小于 5°的角度，在轉(zhuǎn)動后的位置處記錄二維旋轉(zhuǎn)平臺的方位角并標定像機在當前位置的外參 數(shù)；(3)再根據(jù)第一步中得到的像機內(nèi)參數(shù)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺在鉛垂面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)不小于 5°的角度，在轉(zhuǎn)動后的位置處記錄二維旋轉(zhuǎn)平臺的俯仰角并標定像機在當前位置的外參 數(shù)；(4)根據(jù)前三步中每次標定得到的像機外參數(shù)得出每個位置上像機坐標系和世界坐標 系之間的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Hwci ；利用每次旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角，確定每次旋轉(zhuǎn)后，二 維旋轉(zhuǎn)平臺坐標系前后兩個位置處之間的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt ；利用兩次旋轉(zhuǎn)得到的旋 轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣以及兩個旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt，結(jié)合公式Hwc;i, = HteHttHwti，求解得到像機 與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差Ht。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述經(jīng)緯像機攝像測量方法，其特征是，所述步驟3)修正像機 外參數(shù)中，像機當前位置的外參數(shù)的計算過程為根據(jù)像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺的系統(tǒng)差Ht。， 二維旋轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角得到的旋轉(zhuǎn)平移單應(yīng)矩陣Htt，以及初始位置像機外參數(shù)Hwcd，根 據(jù)公式Hwc;i, = HtcHttHtcT1Hwcd，即可得到像機在當前位置的外參數(shù)Hwcd,。
4.一種經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)，其特征是，包括由像機和二維旋轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成的經(jīng)緯像 機、網(wǎng)卡、路由器和三維測量PC機，其中經(jīng)緯像機依次經(jīng)路由器和網(wǎng)卡接入三維測量PC機。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述網(wǎng)卡和路由器分別采 用的是千兆網(wǎng)卡和千兆路由器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述像機為非量測像機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種經(jīng)緯像機攝像測量方法及系統(tǒng)。其中經(jīng)緯像機攝像測量方法首先將像機安裝于二維旋轉(zhuǎn)平臺之上，組成經(jīng)緯像機，該經(jīng)緯像機經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與主機連接，構(gòu)成了經(jīng)緯像機攝像測量系統(tǒng)；然后，將經(jīng)緯像機對準布置了控制點的區(qū)域，標定經(jīng)緯像機的內(nèi)參數(shù)及在初始位置的外參數(shù)，并進一步得出像機與二維旋轉(zhuǎn)平臺間的系統(tǒng)差Htc；再將經(jīng)緯像機對準待測目標進行拍攝，并利用二維旋轉(zhuǎn)平臺提供的方位角和俯仰角實時修正攝像機外參數(shù)；最后利用實時得到的攝像機外參數(shù)和之前已標定的攝像機內(nèi)參數(shù)基于交匯測量原理，實時計算出待測目標的絕對位姿和運動參數(shù)，實現(xiàn)對待測目標的三維測量。本發(fā)明所述經(jīng)緯像機攝像測量方法及系統(tǒng)體積小巧、裝拆簡單、便于攜帶、成本較低，且像機外參數(shù)獲取方式快速簡單。
文檔編號G06T7/00GK101900552SQ20101020427
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者于起峰, 周劍, 張小虎, 朱肇昆, 苑云 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學