基于单反相机测量目标物宽度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，首先在离目标物合适的距离架设三脚架并将单反相机安置在上面，在三脚架中点和目标物的连线上布置三个参考点，对目标物及参照点进行拍摄，得到照片；量取参考点的实际距离及其对应的照片像素距离、目标物的像素距离，将测得的数据输入编写的计算程序，得到目标物的宽度。本发明专利技术方法的优点在于：测量仪器（单反相机）常见，重量轻，对环境适应性强，操作方便，测量精度高，专业人员和非专业人员都能使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种目标物宽度测量方法，具体地说涉及一种基于单反相机测量目标物宽度的方法。
技术介绍
目标物宽度的测量是日常生活、科学研究和工程中经常碰到的问题。日常生活中较常用的宽度测量方法是传统接触式测量方法，即利用皮尺进行宽度测量。工程中较常用的宽度测量方法是皮尺测宽、经纬仪测宽、全站仪测宽。皮尺测宽属于传统的接触式测量方法，是使用皮尺在物体上直接测量。该种测量方法的优点在于：在皮尺量程范围内可以保证良好的测量精度，操作简单快捷，适用于小型目标物的测量工作。该种方法的缺点在于：对于宽度较大的目标物需进行分段测量，人工分段会给测量带来误差；对于无法直接接触的物体或者物体表面崎岖凸起严重的，测量难度大。采用经纬仪测量目标物宽度时一般需进行如下步骤：首先标定测站点，在测站点上安置经纬仪，然后进行对中整平工作，运用测回法或者全圆方向观测法，进行瞄准测量出测站点至目标物两端的夹角。运用皮尺或者视距法测量测站点至目标物两端的距离，通过余弦定理计算即可得到目标物宽度。该种测量方法的优势在于不需要接触到目标物、对目标物宽度较大的情况适用性强、测量精度较高。该方法的主要缺点：经纬仪及三脚架重量较大，携带不便；架设的地面需要硬质地面，不然会引起经纬仪沉降且不稳定，对于软土或者沙滩等特殊环境适应性不足；架设时需要对中调平，对于要进行多点测量的情况，需要花费大量时间做准备工作，而且对操作人员的专业性要求强。采用全站仪测量目标物宽度时一般需进行的步骤如下：首先在目标物两端放置棱镜，在合适的位置架设全站仪，运用对边测量功能，直接瞄准两端棱镜，即可输出平距，即目标物的宽度。该种方法的优点在于：减少了人为误差、精度高、数据的读取与处理更加方便，但仍存在仪器重量大、对架设地面要求高、操作复杂、对操作人员要求高等缺点。
技术实现思路
目的：为了克服现有的测量技术中仪器质量大、操作复杂、对操作环境要求高等问题，本专利技术提供一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，适用范围广、仪器质量小、操作方便快捷、对环境适应性强，可广泛运用于日常生活、科学研究和工程测量中。技术方案：一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，包括以下步骤：一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，包括以下步骤：步骤一，确定测站点：根据目标物的宽度，选择在离目标物一定距离的位置处作为测站点，并在测站点上架设三脚架，把单反相机放置在三脚架上，测站点与目标物之间距离的选取以单反相机完整的拍下目标物为准；步骤二，布置参考点：以三脚架的中点为起点向目标物引两条直接，并分别在两个直线上布置3个参考点，其中距离三脚架最近的为第一参考点，距离三角架最远的为第三参考点，第一参考点和第三参考点之间的为第二参考点；步骤三，拍摄照片：利用单反相机将6个参考点和代表目标物宽度的两端点A点、B点拍摄于同一张照片中；步骤四，参考点的实际距离测量：利用皮尺分别测量三脚架中点到每个参考点之间的距离、三脚架顶部到地面的垂直距离、两条直线上第三参考点之间的距离；步骤五，照片中的像素距离测量：利用读图软件分别测量每条直线上的第一参考点和第二参考点之间的像素距离、第一参考点和第三参考点之间的像素距离、第一参考点沿该直线到目标物之间的像素距离、测量目标物宽度AB的像素距离；步骤六，目标物宽度计算：步骤四和步骤五测量的数据输入编写的目标物宽度计算程序，计算得到目标物的宽度。所述步骤二中，两条直线与目标物的交点E点、F点均在拍摄照片内，其中E点靠近A点，F点靠近B点。以三脚架中点向目标物所引的两条直线之间的夹角不宜过大，要求两条直线与目标物的交点(靠近A的点记为E，靠近B的点记为F)在摄影照片内。所述步骤五中，若AB和EF在同一条直线上，还需要测量AE和BF的像素距离；若AB和EF不在同一条直线上，过A点向EF作垂线，与EF的交点为M点，过B点向EF作垂线，与EF的交底为N点，则还需要测量AM、BN、MN、EM、FN的像素距离。所述步骤六中的目标物宽度计算程序，根据单反相机成像原理推导实际距离与像素距离的立体几何关系，由立体几何关系编写计算程序；在计算程序中对于复杂三角函数不能解析求解的难点问题，提出了循环迭代的数值求解方法。所述步骤六中的目标物宽度计算程序，根据单反相机成像原理推导实际距离与像素距离的立体几何关系，由立体几何关系编写计算程序。其中，目标物宽度计算程序：如图1所示，根据实际情况建立数学模型，设光线的集中点为P，通过实际距离与照片距离的比例关系，进行相似三角形计算，求得P点距离地面的高度(设为PO)，进而计算出O点到E，F的距离，通过已知的测量数据，可以求出EF的距离；根据照片中AE，BF的像素距离，通过相似三角形关系计算出实际的AE，BF距离，最终可求得AB的实际距离，即目标物的宽度；将计算过程编入程序，得到测量宽度的程序；具体的计算过程如下：根据实测数据与照片像素距离测量，可知在下图中PO、OC1、OC2、OC3、OD1、OD2、OD3、C3D3、C1’C2’、C1’C3’、C1’E’、D1’D2’、D1’D3’、D1’F’、E’F’、E’A’、B’F’；记∠O′PC1′＝θ1、∠O′PC2′＝θ2、∠O′PC3′＝θ3、∠O′PE′＝θ4、∠O′PD1′＝γ1、∠O′PD2′＝γ2、∠O′PD3′＝γ3、∠O′PF′＝γ4、∠PO’E’′＝β1、∠PO’F’＝β2,首先需要求出OE与OF，由于求的方法相似，下面以求OE为例，根据正弦定理可得：由(1)、(2)、(3)式得由正弦定理可得：由(7)、(8)、(9)式可得：由于(11)式中仅有一个未知量即β1，因此可以通过上式求出其解析解，但是通过(11)式直接给出β1的解析解有困难，可以采用数值方法计算β1：β1在0°至90°之间间隔0.01°取值，将使得(11)式误差最小的β1作为(11)式的解；由(7)、(8)式得：由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，所以由正弦定理有：由(13)式可得：又由正弦定理得：所以：OE＝PO·tanθ4(16)同理可求得OF＝PO·tanγ4(17)根据余弦定理可得由余弦定理可得所以故在三角形PEF中，根据余弦定理可得由(10)、(11)、(12)可得到O’C1’、β1、PO’，因此可得O'E'＝O'C1'+C1'E'同理可求得：在三角形PE’F’中，由余弦定理可得：所以∠PE'A'＝180°-∠PE'F'在三角形PE’A’中，根据余弦定理可得在上述计算中可知三角形PEF是已知的，由余弦定理可得所以∠PEA＝180°-∠PEF在三角形PAE中，由余弦定理可得由上式可得：同理可求得BF则AB＝AE+EF+BF。该方法可以测量目标物任意方向的宽度，“基于单反相机测量目标物高度的方法”根据单反相机成像原理推导实际距离与像素距离的平面几何关系，由平面几何关系编写计算程序，该方法只能测量垂直方向的高度，不能测量任意方向的宽度。有益效果：与现有技术相比本专利技术提供的基于单反相机测量目标物宽度的方法，使用的测量仪器包括单反相机、皮尺，实验仪器均是生活常用的，易于获得。由于采用的照摄测量，因此对于目标物无法接触，宽度大的情况具有较强的适用性。由于使用的测量设备是单反相机，因此仪器的重量轻，便于携带。由于在实际的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，包括以下步骤：步骤一，确定测站点：根据目标物的宽度，选择在离目标物一定距离的位置处作为测站点，并在测站点上架设三脚架，把单反相机放置在三脚架上，测站点与目标物之间距离的选取以单反相机完整的拍下目标物为准；步骤二，布置参考点：以三脚架的中点为起点向目标物引两条直接，并分别在两个直线上布置3个参考点，其中距离三脚架最近的为第一参考点，距离三角架最远的为第三参考点，第一参考点和第三参考点之间的为第二参考点；步骤三，拍摄照片：利用单反相机将6个参考点和代表目标物宽度的两端点A点、B点拍摄于同一张照片中；步骤四，参考点的实际距离测量：利用皮尺分别测量三脚架中点到每个参考点之间的距离、三脚架顶部到地面的垂直距离、两条直线上第三参考点之间的距离；步骤五，照片中的像素距离测量：利用读图软件分别测量每条直线上的第一参考点和第二参考点之间的像素距离、第一参考点和第三参考点之间的像素距离、第一参考点沿该直线到目标物之间的像素距离、测量目标物宽度AB的像素距离；步骤六，目标物宽度计算：步骤四和步骤五测量的数据输入编写的目标物宽度计算程序，计算得到目标物的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种基于单反相机测量目标物宽度的方法，包括以下步骤：步骤一，确定测站点：根据目标物的宽度，选择在离目标物一定距离的位置处作为测站点，并在测站点上架设三脚架，把单反相机放置在三脚架上，测站点与目标物之间距离的选取以单反相机完整的拍下目标物为准；步骤二，布置参考点：以三脚架的中点为起点向目标物引两条直接，并分别在两个直线上布置3个参考点，其中距离三脚架最近的为第一参考点，距离三角架最远的为第三参考点，第一参考点和第三参考点之间的为第二参考点；步骤三，拍摄照片：利用单反相机将6个参考点和代表目标物宽度的两端点A点、B点拍摄于同一张照片中；步骤四，参考点的实际距离测量：利用皮尺分别测量三脚架中点到每个参考点之间的距离、三脚架顶部到地面的垂直距离、两条直线上第三参考点之间的距离；步骤五，照片中的像素距离测量：利用读图软件分别测量每条直线上的第一参考点和第二参考点之间的像素距离、第一参考点和第三参考点之间的像素距离、第一参考点沿该直线到目标物之间的像素距离、测量目标物宽度AB的像素距离；步骤六，目标物宽度计算：步骤四和步骤五测量的数据输入编写的目标物宽度计算程序，计算得到目标物的宽度。2.根据权利要求1所述的基于单反相机测量目标物宽度的方法，其特征在于：所述步骤二中，两条直线与目标物的交点E点、F点均在拍摄照片内，其中E点靠近A点，F点靠近B点。3.根据权利要求2所述的基于单反相机测量目标物宽度的方法，其特征在于：所述步骤五中，若AB和EF在同一条直线上，还需要测量AE和BF的像素距离；若AB和EF不在同一条直线上，过A点向EF作垂线，与EF的交点为M点，过B点向EF作垂线，与EF的交底为N点，则还需要测量AM、BN、MN、EM、FN的像素距离。4.根据权利要求1所述的基于单反相机测量目标物宽度的方法，其特征在于：所述步骤六中的目标物宽度计算程序，是根据单反相机成像原理推导实际距离与像素距离的立体几何关系，由立体几何关系编写计算程序。5.根据权利要求1所述的基于单反相机测量目标物宽度的方法，其特征在于：目标物宽度计算程序：如图1所示，根据实际情况建立数学模型，设光线的集中点为P，通过实际距离与照片距离的比例关系，进行相似三角形计算，求得P点距离地面的高度，设为PO，进而计算出O点到E，F的距离，通过已知的测量数据，求出EF的距离；根据照片中AE，BF的像素距离，通过相似三角形关系计算出实际的AE，BF距离，最终求得AB的实际距离，即目标物的宽度；具体的计算过程如下：根据实测数据与照片像素距离测量，可知在下图中PO、OC1、OC2、OC3、OD1、OD2、OD3、C3D3、C1’C2’、C1’C3’、C1’E’、D1’D2’、D1’D3’、D1’F’、E’F’、E’A’、B’F’；记∠O′PC1′＝θ1、∠O′PC2′＝θ2、∠O′PC3′＝θ3、∠O′PE′＝θ4、∠O′PD1′＝γ1、∠O′PD2′＝γ2、∠O′PD3′＝γ3、∠O′PF′＝γ4、∠PO’E’′＝β1、∠PO’F’＝β2,首先需要求出OE与OF，由于求的方法相似，下面以求OE为例，根据正弦定理可得：由(1)、(2)、(3)式得θ1=arctan(OC1PO)---(4)]]>θ2=arctan(OC2PO)---(5)]]>θ3=arctan(OC3PO)---(6)]]>由正弦定理可得：由(7)、(8)、(9)式可得：O′C1′=PO′·sinθ1sin(β1+θ1)---(10)]]>O′C2′=PO′·sinθ2sin(β1+θ2)]]>O′C3′=PO′·sinθ3sin(β1+θ3)]]>C1′C2′C1′C3′=O′C2′-O′C1′...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘涛，陈焕焕，朱首贤，何英，潘丽霞，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32