经纬像机摄像测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种经纬像机摄像测量方法及系统。其中经纬像机摄像测量方法首先将像机安装于二维旋转平台之上，组成经纬像机，该经纬像机经网络通讯模块与主机连接，构成了经纬像机摄像测量系统；然后，将经纬像机对准布置了控制点的区域，标定经纬像机的内参数及在初始位置的外参数，并进一步得出像机与二维旋转平台间的系统差Ｈｔｃ；再将经纬像机对准待测目标进行拍摄，并利用二维旋转平台提供的方位角和俯仰角实时修正摄像机外参数；最后利用实时得到的摄像机外参数和之前已标定的摄像机内参数基于交汇测量原理，实时计算出待测目标的绝对位姿和运动参数，实现对待测目标的三维测量。本发明专利技术所述经纬像机摄像测量方法及系统体积小巧、装拆简单、便于携带、成本较低，且像机外参数获取方式快速简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及摄像测量、图像处理、计算机视觉等

技术介绍
摄像测量技术是近年来发展起来的具有重大工程实用价值的测量技术，具有高精 度、非接触以及可实时测量等特点。实施摄像测量时，通常需要已知像机的内外参数。在摄像测量学中，像机模型被近 似成中心透视投影模型，摄像测量常用坐标系及中心透视投影成像关系如图1所示其中世界坐标系Ow-XwYwZw,也称全局坐标系，是由用户任意定义的三维空间坐标 系，通常是将被测物体和摄像机作为一个整体来考虑的坐标系。为了使用方便，此坐标系的 建立较多的考虑应用环境和对象条件。像机坐标系Oc-XcYcZc,中心透视投影的光心和光轴即像机的光心和光轴。像机坐 标系原点取为像机光心，Zc轴与像机光轴重合，且取摄像方向为正向，Xc，Yc轴与图像坐标系 的X，y轴分别平行。图像坐标系I-xy，图像坐标系是建立在像面上的，即在像机坐标系Zc = f的平面 内，f为中心透视投影模型的焦距。此坐标系是以图像左上角点I为原点，以像素为坐标单 位的直角坐标系。χ，y分别表示该像素在数字图像中的列数和行数。在中心透视投影模型下，像机的参数可分为像机内参数和外参数两个部分。像机 内参数包括图像主点，即像机光轴与像面交点的图像坐标(cx，cy)；等效焦距，即焦距f分别 与C⑶像元的横、纵尺寸之比(Fx，Fy)。像机外参数是指世界坐标系Ow-XwYwZw与像机坐标系 Oc-XcYcZc之间的关系，它包括三个旋转角(Ax，AY, Az)，即为将世界坐标系变换到与像机坐标 系姿态一致而分别绕三个坐标轴转过的欧拉角；平移向量T= (TX，TY，TZ)，是世界坐标系原 点在像机坐标系中的坐标。像机参数的获取一般分两种方式基于已知控制点的解算方式和辅助设备测量方 式。前者即像机参数的标定，这种方式具有摄像系统小巧、装拆简单、便于携带等优点。但 它需要在像机视场内放置若干世界坐标已知的控制点，标定过程相对繁琐。而且在某些使 用条件下，如对空中或海上目标的测量情况，难以放置控制点，导致无法标定和测量。后者 如光电经纬仪上的摄像系统，其外参数可由经纬仪提供的方位和俯仰角直接获得，获取方 式快速简单，可对运动目标跟踪拍摄。但是光电经纬仪要求二维旋转平台旋转中心与摄像 系统光心重合，并且要求经纬仪视准轴与摄像系统光轴重合，即要求同心同轴，这需要精密 的安装调试才能实现。导致光电经纬仪设备体积大、安装困难、成本高，一般只在靶场对远 距离目标跟踪拍摄时使用。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术目的旨在结合上述两种像机外参数的获取 方式，取长补短，提供一种小巧、装拆简单、便于携带、成本较低、像机外参数获取方式快速3简单的经纬像机摄像测量方法及系统。本专利技术采取的具体技术方案是，一种经纬像机摄像测量方法，包括如下步骤1)将像机安装于二维旋转平台之上，组成经纬像机；2)将经纬像机对准布置了控制点的区域，标定经纬像机的内参数及在初始位置的 外参数，再标定二维旋转平台与像机之间的系统差Ht。，所述系统差包括二维旋转平台与像 机之间的偏心距和角度偏差；；3)修正像机外参数完成标定后，转动二维旋转平台使像机对准待测目标，根据 步骤2中得到的像机与二维旋转平台间的系统差Ht。、记录下二维旋转平台的两个转动角 度，即方位角和俯仰角，结合步骤2中标定的初始位置像机的外参数，计算出像机当前位置 的外参数；4)通过两台经纬像机对待测目标进行拍摄，基于交汇测量原理，结合前述步骤获 取的像机外参数，实时计算出待测目标的绝对位姿和运动参数，实现对待测目标的三维测量。所述步骤2中内外参数的标定及像机与二维旋转平台间的系统差的计算步骤如 下(1)先在初始位置通过经纬像机对已知世界坐标的控制点成像来标定得到像机内 参数和初始位置的外参数；(2)利用上一步中得到的像机内参数，使二维旋转平台在水平面内任意旋转不小 于5°的角度，在转动后的位置处记录二维旋转平台的方位角并标定此时像机的外参数；(3)再根据第一步中得到的像机内参数，使二维旋转平台在铅垂面内任意旋转不 小于5°的角度，在转动后的位置处记录二维旋转平台的俯仰角并标定此时像机的外参 数；(4)根据前三步中每次标定得到的像机外参数得出每个位置上像机坐标系和世界 坐标系之间的旋转平移单应矩阵Hwcd ；利用每次旋转的方位角和俯仰角，确定每次旋转后， 二维旋转平台坐标系前后两个位置处之间的旋转平移单应矩阵Htt ；利用两次旋转得到的 旋转平移单应矩阵以及两个旋转平移单应矩阵Htt，结合公式Hwc;i, = HteHttHwti，求解得到像 机与二维旋转平台的系统差Ht。。作为具体实施方案，所述步骤3中像机当前位置的外参数的计算过程为根据像 机与二维旋转平台的系统差Ht。，二维旋转的方位角和俯仰角得到的旋转平移单应矩阵Htt， 以及初始位置像机外参数Hwcd，根据公式Hwc;i, = HtcHttHtc^1Hwci,即可得到像机在当前位置的 外参数Hwcd,。相应的，本专利技术也提供了一种经纬像机摄像测量系统，包括由像机和二维旋转平 台构成的经纬像机、网卡、路由器和三维测量PC机，其中经纬像机经路由器和网卡接入三 维测量PC机。为了进一步提高所述经纬像机摄像测量系统的实时性，上述网卡和路由器优选采 用千兆网卡和千兆路由器。所述像机为非量测像机。本专利技术的设计原理和工作过程详细描述如下本专利技术所述经纬像机是由二维旋转平台和固定于平台上的像机组成。所述经纬像机并不要求二维与像机同心同轴。二维旋转平台可以选用经纬仪，也可用其他能够提供方 位和俯仰转角的仪器代替。在摄像测量前，由于二维旋转平台与像机不同心同轴，两者的外参数不相同，存在 系统差，即两者之间存在偏心距和角度偏差。测量前首先标定此系统差，测量过程中需利用 系统差修正消除安装引起的位姿偏差。具体方法是首先在易于标定场合先安装像机，将经 纬像机对准容易布置控制点的区域，并标定像机，解算像机与二维旋转平台间的系统差。然 后转动二维旋转平台，使像机对准待测目标并修正此时像机的外参数；接着拍摄目标图像， 基于交汇测量原理实时解算目标的位置、姿态和速度等运动参数，最后传输处理结果并显 示图形。在本专利技术中提出了像机与二维旋转平台间的位姿偏差的具体解算方法调整二 维旋转平台，使像机对标定架所成的像位于图像的中心区域，在此初始位置记录转角值并 标定像机获得像机的外参数；使二维旋转平台在水平面内任意旋转，要求转动角度不小于 5°，且标定架不超出视场，在此位置记录水平转角值并标定像机获得像机的外参数；使二 维旋转平台在铅垂面内任意旋转，要求转动角度不小于5°，且标定架不超出视场，在此位 置记录俯仰转角值并标定像机获得像机的外参数；根据上述二维旋转平台两次相对于初始 位置的转动角度和像机三次标定的外参数，计算出像机与二维旋转平台间的系统差。所述二维旋转平台提供角度的方式可分为能通过数据线实时传输给计算机的电 子传入式和人工读取方式。对于电子传入式二维旋转平台，像机固装在二维旋转平台上可 对目标进行全场实时跟踪，解决了固定不动的像机视场有限的难题。如果系统差已修正，那 么每一时刻像机的外参数可根据它和二维旋转平台的两个转角，对初始时刻像机外参数修 正得到，这有效解决本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经纬像机摄像测量方法，其特征是，包括如下步骤：１）将像机安装于二维旋转平台之上，组成经纬像机；２）将经纬像机对准布置了控制点的区域，标定经纬像机的内参数及在初始位置的外参数，再标定二维旋转平台与像机之间的系统差Ｈｔｃ，所述系统差包括二维旋转平台与像机之间的偏心距和角度偏差；３）修正像机外参数：完成标定后，转动二维旋转平台使像机对准待测目标，根据步骤２中标定得到的像机与二维旋转平台间的系统差Ｈｔｃ、记录下二维旋转平台的两个转动角度，即方位角和和俯仰角，结合步骤２中标定的初始位置像机的外参数，计算出像机在当前位置的外参数；４）通过两台经纬像机对待测目标进行拍摄，基于交汇测量原理，结合前述步骤获取的像机外参数，实时计算出待测目标的绝对位姿和运动参数，实现对待测目标的三维测量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张小虎，朱肇昆，苑云，周剑，于起峰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43