大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法技术方案

本发明专利技术提供了一种大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法，包括步骤：a)选定基准尺，在所述基准尺两端布置编码点对其进行长度测量；b)在测量空间,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；c)对所述测量系统进行初步相对定位定向；d)使用多长度约束限制自标定光束平差，平差参数包括主点、主距、径向畸变、偏心畸变、面内畸变、外方位参数及空间点坐标；e)对所述测量系统的定向精度进行可溯源评价。

【技术实现步骤摘要】
大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法本申请是申请日为2016年05月06日，申请号为CN201610297902.5，专利技术名称为大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法的分案申请。
本专利技术涉及高精度定向及定向精度评价方法，尤其涉及大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法。
技术介绍
动态摄影测量系统由两台或多台可以高速采集图像的相机组成，相机同步采集被测目标点的图像。通过标定各相机的投影成像模型，可以由像面点恢复空间光线，进而交会计算被测点空间坐标。相机的成像模型包括内方位和外方位参数两类，内方位参数包括主点、主距及各种类型、不同阶次的畸变参数，外方位参数包括相机位于空间坐标系中的位置和指向角。对于外方位参数的求解就是测量系统的定位定向。目前公认自标定光束平差方法可以得到最高的定位定向精度，因为这种技术在平差过程中考虑内方位参数的变化对于测量结果的影响，得到的内外方位参数结果是同测量环境及测量网络相适应的最优结果。在立体视觉测量领域应用最为广泛的自标定方法就是Tsai的两步标定法和张正友的平面标定法，常用的标定物有立体标定物、平面棋盘格标定板、平面圆点标定板等。这一类标定方法本质是通过标定物和相机之间的相对移动，产生具有若干控制点的测量网络，实现单相机的自标定光束平差。然后在同一坐标系下求解两相机之间的方位关系。这种方法，不仅机器视觉在使用，结构光测量在使用，所谓的高精度大尺寸立体视觉测量系统也在使用。这一类标定物自标定方法适合于较小的测量范围(通常小于1m×1m)，因为标定物的精度同其尺寸是反比关系，当用于小空间的结构光测量或显微测量时，可以得到满意的标定精度。这种标定物自标定方法自身的缺陷在于：平差过程的重点是内方位参数，对于相机之间的方位关系没有直接的优化和评价；标定板上作为控制点的目标点，其坐标精度会带来系统误差；标定板目标点同测量点在材质和成像质量的差异会带来系统误差；除了像面误差或空间坐标误差估计外，没有客观可靠的空间评价指标。非常不适合应用于具有高精度要求及精度可溯源的大尺寸测量场合。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法，包括步骤：a)选定基准尺，在所述基准尺两端布置编码点对其进行长度计量；b)在测量空间,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片；c)对所述测量系统进行初步相对定位定向；d)使用多长度约束限制自标定光束平差，平差参数包括主点、主距、径向畸变、偏心畸变、面内畸变、外方位参数及空间点坐标；e)对所述测量系统的定向精度进行可溯源评价。优选地，所述步骤b的第一方式为：所述编码点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化。优选地，所述步骤b的第二方式为：b1)均匀划分被测空间，至少具有15个用于划分空间的节点；b2)移动基准尺至某个节点位置；b3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°，45°，90°和135°时，短暂保持当前姿态；b4)控制两台相机同时拍摄基准尺图像；b5)重复步骤b3)和步骤b4)，遍历所有空间节点位置，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；优选地，所述步骤b5)中重复步骤b3)和步骤b4)至少60次，以遍历所有空间节点位置。优选地，所述步骤c包括步骤：c1)利用五点法确定基础矩阵的解空间。自动选择所述基准尺位置中的5个成像点，所述成像点位置为所述拍摄图片的中心和四个顶点；所述自动选择的算法为：abs(xli)+abs(yli)+abs(xri)+abs(yri)→min(xli)+(yli)+(xri)+(yri)→max(-xli)+(yli)+(-xri)+(yri)→max(-xli)+(-yli)+(-xri)+(-yri)→max(xli)+(-yli)+(xri)+(-yri)→max其中，[xliyli]表示左相机采集到的第i个点的像面坐标，[xriyri]表示右相机采集到的第i个点的像点坐标。c2)利用消元法获取本质矩阵的解。优选地，步骤c2)中获取本质矩阵的解包含以下三个关键步骤：c21)建立关于未知数w的10次多项式；c22)求解步骤c21中所述10次多项式的实数根；c23)判断本质矩阵的解。优选地，所述步骤c21建立关于w的10次多项式的方法中，使用Toeplitz矩阵：c211)将所有多项式描述为数组形式；amxm+am-1xm-1+…+a2x2+a1x+a0A＝[amam-1…a2a1a0]Tbnxn+bn-1xn-1+…+b2x2+b1x+b0B＝[bnbn-1…b2b1b0]Tc212)利用Toeplitz矩阵进行编程计算多项式乘法，公式为：其中，T是对应多项式A的Toeplitz矩阵，T的列数等于B中元素个数，其行数等于(m+1)+(n+1)-1。优选地，所述步骤c212还可以利用Toeplitz矩阵进行编程计算多项式除法，方法步骤为：c213)利用d的Toeplitz矩阵描述n为：n＝T(d)q+r其中，设分子多项式为n，分母多项式为d，商为q，余项为r；c214)求得多项式除法的商的最优解：q＝(TTT)-1TTn。优选地，所述步骤c22求解10次多项式的实数根的方法为：c221)建立十次多项式的Sturm序列，公式为：p0(x)＝p(x)p1(x)＝p′(x)p2(x)＝-rem(p0,p1)p3(x)＝-rem(p1,p2)0＝-rem(pm-1,pm)其中，rem表示对多项式求余数，P(x)为已知十次多项式。c222)通过一种递归的二分法，结合Sturm定理，搜索多项式所有的单根区间。c223)在得到单根区间后，在各单根区间上使用二分法求解|C(w)|＝0的实数根的数值解。优选地，所述步骤d包括步骤为：d1)获取相机成像模型；d2)对所述摄影测量系统建立误差方程；d3)对误差方程项进行自适应比例调整；d4)对法方程进行分块运算；d5)获取带长度约束的自标定光束平差；d6)对所述测量系统的精度进行评估。优选地，所述步骤e对所述测量系统的定向精度进行可溯源评价，采用直接线性变换解法，步骤为：e1)获取单个成像点的误差方程：e2)当测量系统由两台相机组成时，获取对应一空间点[XYZ]的误差方程组：e3)获取相应的法方程及坐标改正量,并通过多次迭代优化空间点坐标：e4)获取所有方位基准尺长度的测量值：e5)得到所有方位基准尺长度测量结果的平均值：e6)以平均长度与计量长度之间的比值为定向结果进行比例缩放；对长度测量结果进行不确定度分析，获得定向精度评价：e7)获取测量仪器的品质参数：e8)计算各长度的相对误差：e9)计算长度测量相对误差的不确定度。总结上述描述，本专利技术的大尺寸多相机摄影测量的高精度定位定向方法，测量系统保持稳定，定位定向在测量现场完成，标定物加工和计量简便，标定过程简单。定向过程完成时就可以给出测量系统长度测量误差的可溯源评价，获得了以下技术效果：1、采用一根带有两个回光反射目标点(或球形回光反射标志点)的基准尺进行多相机摄影测量系统的定位定向，基准尺在测量范围内的多个位置、以不同姿态成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法，包括步骤：a)选定基准尺，在所述基准尺两端布置编码点对其进行长度测量；b)在测量空间,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片，其中所述第一方式为：所述编码点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化；第二第二方式为：b1)均匀划分被测空间，至少具有15个用于划分空间的节点；b2)移动基准尺至某个节点位置；b3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°，45°，90°和135°时，短暂保持当前姿态；b4)控制两台相机同时拍摄基准尺图像；b5)重复步骤b3)和步骤b4)，遍历所有空间节点位置，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；c)对所述测量系统进行初步相对定位定向，包括以下步骤：c1)利用五点法确定基础矩阵的解空间；自动选择所述基准尺位置中的5个成像点，所述成像点位置为所述拍摄图片的中心和四个顶点；所述自动选择的算法为：abs(xli)+abs(yli)+abs(xri)+abs(yri)→min(xli)+(yli)+(xri)+(yri)→max(‑xli)+(yli)+(‑xri)+(yri)→max(‑xli)+(‑yli)+(‑xri)+(‑yri)→max(xli)+(‑yli)+(xri)+(‑yri)→max其中，[xli yli]表示左相机采集到的第i个点的像面坐标，[xri yri]表示右相机采集到的第i个点的像点坐标；c2)利用消元法获取本质矩阵的解；d)使用多长度约束限制自标定光束平差，平差参数包括主点、主距、径向畸变、偏心畸变、面内畸变、外方位参数及空间点坐标；e)对所述测量系统的定向精度进行可溯源评价。...

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸动态摄影测量系统的高精度定向及定向精度评价方法，包括步骤：a)选定基准尺，在所述基准尺两端布置编码点对其进行长度测量；b)在测量空间,以第一方式移动所述基准尺并调整所述基准尺姿态，以第二方式对其拍摄图片，其中所述第一方式为：所述编码点法向方向与相机光轴交会角平分线平行，并且所述基准尺位置覆盖被测物体积空间且有深度方向的变化；第二第二方式为：b1)均匀划分被测空间，至少具有15个用于划分空间的节点；b2)移动基准尺至某个节点位置；b3)在每个节点位置，旋转基准尺，当基准尺与水平方向具有0°，45°，90°和135°时，短暂保持当前姿态；b4)控制两台相机同时拍摄基准尺图像；b5)重复步骤b3)和步骤b4)，遍历所有空间节点位置，获取所述基准尺不同位置、不同姿态的全局平差测量网络图片；c)对所述测量系统进行初步相对定位定向，包括以下步骤：c1)利用五点法确定基础矩阵的解空间；自动选择所述基准尺位置中的5个成像点，所述成像点位置为所述拍摄图片的中心和四个顶点；所述自动选择的算法为：abs(xli)+abs(yli)+abs(xri)+abs(yri)→min(xli)+(yli)+(xri)+(yri)→max(-xli)+(yli)+(-xri)+(yri)→max(-xli)+(-yli)+(-xri)+(-yri)→max(xli)+(-yli)+(xri)+(-yri)→max其中，[xliyli]表示左相机采集到的第i个点的像面坐标，[xriyri]表示右相机采集到的第i个点的像点坐标；c2)利用消元法获取本质矩阵的解；d)使用多长度约束限制自标定光束平差，平差参数包括主点、主距、径向畸变、偏心畸变、面内畸变、外方位参数及空间点坐标；e)对所述测量系统的定向精度进行可溯源评价。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤c2)中获取本质矩阵的解包含以下关键步骤；c21)建立关于未知数w的10次多项式，其中w为c1)算法中通过SVD分解获得的基础解系，扩展出本质矩阵的解空间：E＝wEw+xEx+yEy+Ez中的未知数；c22)求解步骤c21中所述10次多项式的实数根；c23)判断本质矩阵的解。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤c21建立关于w的10次多项式的方法中，使用Toeplitz矩阵：c211)将所有多项式描述为数组形式；amxm+a...

【专利技术属性】
技术研发人员：董明利，孙鹏，李巍，王君，燕必希，吕乃光，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11