一種激光攝影測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種激光攝影測量系統(tǒng)，屬于測量裝置標(biāo)定方法技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，攝影測量與Ξ維重構(gòu)技術(shù)在機(jī)器人視覺、工業(yè)制造、工程 建筑、文物保護(hù)和醫(yī)學(xué)圖像分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相比于利用Ξ坐標(biāo)測量儀等接觸式 測量儀器對實物外表面進(jìn)行測量，激光掃描等非接觸式測量利用非接觸的光電方法對曲面 的Ξ維形貌進(jìn)行快速測量，具有非接觸、速度快、精度高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)工程等領(lǐng) 域有著一定的應(yīng)用前景。在測量過程中，基于視覺傳感器(如攝像機(jī))獲取的圖像，建立二維 像點(diǎn)與Ξ維物點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，利用圖像中的二維數(shù)據(jù)反算出對應(yīng)的Ξ維物體的形貌和相關(guān) 位置等信息。
[0003] 要想獲得高精度的測量結(jié)果，首先需要設(shè)計的測量系統(tǒng)具有較高的精度;其次建 立二維像點(diǎn)與Ξ維物點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，也即攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)，又包括攝像機(jī)建模與攝像機(jī)標(biāo) 定方法。相機(jī)標(biāo)定主要是標(biāo)定相機(jī)固有的內(nèi)部幾何參數(shù)和相機(jī)相對物方坐標(biāo)之間的位置關(guān) 系等外部參數(shù)，其標(biāo)定結(jié)果的好壞直接決定測量得到的Ξ維坐標(biāo)點(diǎn)的精確程度，尤其是對 度量領(lǐng)域，因此需要研究相機(jī)的標(biāo)定方法和研制相應(yīng)的裝置。
[0004] 目前相機(jī)標(biāo)定技術(shù)根據(jù)解算相機(jī)內(nèi)部幾何參數(shù)和外部位置關(guān)系參數(shù)時所使用的 方法，將其分為線性方法、非線性方法和自標(biāo)定方法。線性方法如直接線性變換方法(DLT變 換），根據(jù)環(huán)境點(diǎn)與相機(jī)圖像對應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系，通過線性方法求得線性模型參數(shù)，進(jìn)而建立線 性模型來描述相機(jī)的成像過程，該方法估計相機(jī)參數(shù)過程效率較高，但是沒有考慮成像過 程中的非線性崎變問題，因此精度較低。非線性方法對提高攝像機(jī)標(biāo)定精度提供了一條很 好的途徑，非常適合于多參數(shù)的非線性崎變模型的標(biāo)定，在能提供較好初值的情況下，能更 好地模擬和補(bǔ)償各種像差，可W較快地收斂，得到高精度優(yōu)化結(jié)果，但是它對標(biāo)定時攝像機(jī) 模型參數(shù)的初始值要求較高，計算量大，計算速度慢。自標(biāo)定方法在場景未知和相機(jī)運(yùn)動參 數(shù)未知的情況下也可W標(biāo)定相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，在標(biāo)定過程中僅依靠多幅圖像對應(yīng)點(diǎn)之間的 關(guān)系進(jìn)行，其靈活性高、應(yīng)用廣泛，但是標(biāo)定的過程主要是基于絕對二次曲線和絕對二次曲 面方法，此外還需要求解多元非線性方程，因此只適用于一些對精度要求不高的場合。
[0005] 造成目前所采用的標(biāo)定方法存在上述問題的原因主要是其對應(yīng)的測量系統(tǒng)較為 復(fù)雜。不同的測量系統(tǒng)需要采用不同的標(biāo)定方法來標(biāo)定，因此為了將標(biāo)定方法簡單化，盡可 能避免復(fù)雜標(biāo)定方法造成的標(biāo)定誤差，首先需要使設(shè)計的測量系統(tǒng)簡單，然后在針對設(shè)計 的測量系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)定方法。
[0006] 此外，針對大型的被測物，實際測量時往往是利用多臺相機(jī)同時測量，而多臺相機(jī) 之間沒有相對位置關(guān)系，因此需要單獨(dú)對每臺相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，運(yùn)樣就增加了標(biāo)定工作量，同 時還會增加標(biāo)定誤差，造成測量精度降低。所W在設(shè)計測量系統(tǒng)及標(biāo)定方法時還應(yīng)考慮同 時標(biāo)定兩臺及W上的相機(jī)。 【實用新型內(nèi)容】
[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種激光攝影測量系統(tǒng)。
[000引本實用新型的技術(shù)方案如下：
[0009] -種激光攝影測量系統(tǒng)，包括測量裝置，所述測量裝置包括底座、支架及計算機(jī)； 所述支架設(shè)置在底座上，在支架上設(shè)置有相機(jī)、激光測距儀和線激光發(fā)射器，激光測距儀與 線激光發(fā)射器位于同一垂線上，在激光測距儀的兩側(cè)對稱設(shè)置兩臺所述的相機(jī)，所述計算 機(jī)分別與相機(jī)、激光測距儀、線激光發(fā)射器電連接。
[0010] 優(yōu)選的，所述支架的底部設(shè)置有水平分度盤。此設(shè)計的好處在于，當(dāng)旋轉(zhuǎn)支架時， 通過水平分度盤能夠清楚直觀地觀察到支架旋轉(zhuǎn)的角度。
[0011] 優(yōu)選的，所述激光攝影測量系統(tǒng)還包括標(biāo)定裝置，所述標(biāo)定裝置包括物方標(biāo)識點(diǎn) 和Ξ個物方板，Ξ個物方板的外形均為正方形，Ξ個物方板前后依次同軸平行設(shè)置且Ξ個 物方板的邊長依次增大，在每個物方板上設(shè)置八個所述的物方標(biāo)識點(diǎn)，八個物方標(biāo)識點(diǎn)按 如下方式分布:在每條邊的中點(diǎn)設(shè)置一個物方標(biāo)識點(diǎn)，在相鄰兩條邊的交點(diǎn)設(shè)置一個物方 標(biāo)識點(diǎn)。
[0012] 優(yōu)選的，所述立個物方板的尺寸分別為：100mm X 100mm X 10mm，200mm X 200mm X 10mm，300mmX 300mmX10mm。
[0013] 優(yōu)選的，所述物方標(biāo)識點(diǎn)采用直徑5mm的圓形薄片。
[0014] 優(yōu)選的，所述標(biāo)定裝置還包括導(dǎo)軌，Ξ個物方板通過滑動支架設(shè)置在導(dǎo)軌上。此設(shè) 計的好處在于，將Ξ個物方板通過底部的滑動支架安裝在導(dǎo)軌上，方便調(diào)節(jié)Ξ個物方板之 間的間距。
[0015] 該激光攝影測量系統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法，包括W下步驟，
[0016] (1)將測量裝置放置在標(biāo)定裝置的正前方，建立物方坐標(biāo)系，并記錄各物方標(biāo)識點(diǎn) 在物方坐標(biāo)系下的物方坐標(biāo)(Xci，Yci，Zci)(i = l，2·-24):
[0017] (2)通過計算機(jī)控制相機(jī)對Ξ個物方板拍照，得到物方標(biāo)識點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，通過計 算機(jī)內(nèi)部執(zhí)行程序識別出圖像數(shù)據(jù)中物方標(biāo)識點(diǎn)在相機(jī)的像坐標(biāo)系下的實際像坐標(biāo)(Χ01, y〇i)(i = l ,2---24)；
[0018] (3)對每臺相機(jī)的9個相機(jī)參數(shù)賦初值，9個相機(jī)參數(shù)包括相機(jī)的線坐標(biāo)(Xs，Ys， Zs)、角坐標(biāo)如，W，句、像主點(diǎn)相對于影像中屯、的位置x〇、y〇和焦距f，各參數(shù)初始化賦值如 下：
[0021] 利用相機(jī)角坐標(biāo)知，W，句的初始值確定旋轉(zhuǎn)矩陣R:
[0022]
[0023] (4)根據(jù)公式(2)計算各物方標(biāo)識點(diǎn)(沿，打，21)。= 1，2-，24)在像坐標(biāo)系下的理論 像坐標(biāo)(xi，yi)(i = l，2···24)，
[0026] 然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R、理論像坐標(biāo)^1，7〇(1 = 1，2-，24)和實際像坐標(biāo)^(^，7()〇(1 =1，2-'24)按照最小二乘法計算得到誤差方程式系數(shù)矩陣心。=1，2-'24)，并利用物方標(biāo) 識點(diǎn)的實際像坐標(biāo)^〇1，7〇0。= 1，2，，，24)減去理論像坐標(biāo)值^1，7〇(1 = 1,2，，，24)構(gòu)成誤 差矩陣k(i = l，2...24):
[0027] [lx, ]_y]T= [x0i-Xi,y0i_yi]T;
[002引（5)根據(jù)各物方標(biāo)識點(diǎn)的誤差方程式系數(shù)矩陣Αια = 1，2···24)和誤差矩陣^(i = 1，2···24)分別構(gòu)造兩大矩陣A和レA=[AlA2……A24]t，L=[L止2……L24]t;
[0029] 然后構(gòu)造法方程，X=(A'i A)-IaI'L=[AA； Δη. ΔΖ、Δ口 Δη. Δα-Δ/'Δλ-(> 4r(,] 口)；
[0030] (6)求解法方程（3)便可從公式右端得到各相機(jī)參數(shù)的修正量，判斷Ξ個角坐標(biāo) 如，r)對應(yīng)的修正量(Δ口，Aw，Δ/Γ)鬼否都小于規(guī)定的闊值A(chǔ)，若滿足條件則計算結(jié)束； 若不滿足條件，通過解算出來的9個相機(jī)參數(shù)的修正量修改相機(jī)參數(shù)值，然后重復(fù)步驟(3) ~(6);若迭代解算次數(shù)超過20次仍然不滿足條件，則說明硬件攝影測量系統(tǒng)有問題。
[0031] 優(yōu)選的，步驟（1)中，在物方板的中屯、建立物方坐標(biāo)系XYZ，其中水平向右為X軸正 方向，豎直向上為Y軸正方向，垂直于物方板為Z軸。
[0032] 本實用新型的有益效果在于：
[0033] (1)相比于目前已有的攝影測量系統(tǒng)的標(biāo)定裝置，本實用新型的標(biāo)定裝置由物方 板和物方標(biāo)識點(diǎn)組成，結(jié)構(gòu)簡單，成本低、安裝方便、操作簡單、精度高。
[0034] (2)傳統(tǒng)方法中將定位定姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相機(jī)中屯、，如果存在兩個或兩個W上的相 機(jī)時，需要建立多個相機(jī)坐標(biāo)系，給計算增加了難度，且不便于數(shù)據(jù)的歸一化處理;本實用 新型中將坐標(biāo)系建立在標(biāo)定裝置上，將兩臺相機(jī)的位姿坐標(biāo)都統(tǒng)一到物方坐標(biāo)系下，便于 計算，減少了編程工作量，不再需要對兩臺相機(jī)解算的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換處理。
[0035] (3)根據(jù)本實用新型相機(jī)標(biāo)定方法編寫的程序簡單、易于操作、求解的精度較高， 在圖像數(shù)據(jù)中識別物方標(biāo)識點(diǎn)的像坐標(biāo)時，快速、精確;迭代過程簡單，整個標(biāo)定過程不設(shè) 及自標(biāo)定方法中由于二次曲線和二次曲面造成的多元非線性方程組。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本實用新型中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2為本實用新型中測量裝置和標(biāo)定裝置的位置關(guān)系示意圖；
[0038] 圖3為本實用新型中測量裝置的激光中屯、軸線垂直于物方板的關(guān)系圖。
[0039] 其中：1、底座;2、水平分度盤;3、支架;4、相機(jī);5、激光測距儀;6、線激光發(fā)射器;7、 相機(jī);8、數(shù)據(jù)線;9、計算機(jī)；10、Ξ角架；11、測量裝置；12、點(diǎn)激光；13、第一物方板；14、第二 物方板;15、第Ξ物方板;16、物方標(biāo)識點(diǎn)；17、導(dǎo)軌;18、滑動支架。
【具體實施方式】
[0040]下面通過實施例并結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0041 ]相機(jī)的標(biāo)定，主要是標(biāo)定相機(jī)在物方坐標(biāo)系下的外方位元素和相機(jī)的內(nèi)方位元 素。其中每臺相機(jī)都有3個內(nèi)方位元素和6個外方位元素，內(nèi)方位元素包括像主點(diǎn)相對于影 像中屯、（即照片中屯、點(diǎn)）的位置xo、y〇W及鏡頭中屯、到影像面的焦距f (也稱主距）。外方位元 素包括3個用于描述鏡頭中屯、相對于物方坐標(biāo)系位置的線元素 Xs，Ys，Zs和3個用于描述影像 面在攝影瞬間空中姿態(tài)的角元素夢、ω、k。激光測距儀點(diǎn)激光中屯、在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo) 為(0'0'Zcj)。
[0042] 實施例1:
[0043] 如圖1和圖2所示，一種激光攝影測量系統(tǒng)，該激光攝影測量系統(tǒng)包括測量裝置和 標(biāo)定裝置，其中，測量裝置包括底座1、水平分度盤2、支架3、兩臺相機(jī)4和7、線激光發(fā)射器6、 激光測距儀5、數(shù)據(jù)線8、計算機(jī)9。其中，相機(jī)4和相機(jī)7對稱安裝在激光測距儀5兩側(cè)，Ξ者都 安裝在支架3上，計算機(jī)9通過數(shù)據(jù)線8與支架3內(nèi)的控制設(shè)備連接。測量系統(tǒng)還包括Ξ腳架 10，底座1通過Ξ腳架10上的螺紋鎖緊件與Ξ腳架10連接固定。
[0044] 相機(jī)4、相機(jī)7、線激光發(fā)射器6和激光測距儀5均由計算機(jī)9通過數(shù)據(jù)線8來傳輸控 制命令，并將獲得的圖像數(shù)據(jù)傳遞到計算機(jī)9中，方便數(shù)據(jù)的存儲、計算和分析。
[0045] 計算機(jī)9裝有相機(jī)4、相機(jī)7、線激光發(fā)射器6和激光測距儀5的驅(qū)動及控制程序，負(fù) 責(zé)控制發(fā)射激光、相機(jī)轉(zhuǎn)動和拍攝照片等。
[0046] 計算機(jī)9還裝有實現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定方法的執(zhí)行程序，通過讀取圖像數(shù)據(jù)解算得到相機(jī) 位置和姿態(tài)坐標(biāo)(位置坐標(biāo)也即相機(jī)的線元