一种真空激光光斑中心精密网格定位方法技术

本发明专利技术涉及一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，属于建筑物位移监测领域。在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标。利用精密网格确定摄像机像素坐标与网格坐标的关系，减小了摄像机镜头非线性畸变产生的观测误差，并可精确计算光斑中心位置的真实变化，极大的提高了系统的观测精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑物位移监测领域。
技术介绍
国内真空激光准直位移监测系统已广泛应用在直线型建筑物的水平及垂直位移 监测上。常见的形式是在发射端设一个点光源，在测点处设菲涅耳半波带片、即波带板，在 接收端设成像及图像采集装置，每个测点波带板在主控机的控制下分别进入光路，在接收 端形成光斑，通过计算光斑中心的位移变化来监测测点的位移。目前，国内同类产品在光斑图像采集及中心计算的控制方式主要有两种一是以 摄像机所拍摄图像的左下角为观测坐标原点，这个原点只能在拍摄的图像中看到，无法与 实物对应，是个虚的原点，并要求摄像机的行扫瞄线与地平线平行，所以要求摄像机精确定 位，并要求精确率定摄像机的像素间距与观测坐标系上实际距离的对应关系，一旦更换摄 像机时需重新固定、重新调整焦距及光圈，会使观测坐标原点的定位发生变化，无法保证测 值的连续性。二是在接收幕的4个角上设置发光二极管，以左下角的为观测坐标原点，其它 的三个作为观测坐标系内的已知点来校正摄像机像素坐标与观测坐标系的关系，这样可解 决观测坐标原点定位问题，但4个发光点只能布置在接收幕的4个角上，即在图像的边缘 上，而因摄像机镜头产生的图像非线性变形，是随着远离图像中心而增大的，所以用这4个 点所确定的摄像机像素坐标系与观测坐标系的关系存在很大的误差。另外，目前国内同类产品的光斑中心的确定及图像分析计算方法还是使用像素为 基本单位，只是简单的率定单个像素代表的真实尺寸，并未考虑及消除摄像机镜头非线性 畸变产生的观测误差的影响。
技术实现思路
本专利技术提供，以解决监测中误差大的问 题。本专利技术采取的技术方案是，包括下列步骤(一)在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定 位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围 内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，精密网格定位幕与一 套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具体的数据采集控 制流程为(1)在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器 驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；(2)数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精 度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图 像符合程序要求，保存图像到内存或硬盘，并向接收端控制器发送精密网格定位幕拉开命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的拉开，切换到激光光斑接收幕；(3)数据采集程序判断精密网格定位幕拉开正常后，依次控制各个测点波带板进入光 路，在光斑接收幕上形成测点光斑，摄像机依次完成各个测点光斑图像的捕捉，并利用图像 计算方法双峰法，计算出光斑中心在摄像机像素坐标系上的坐标值；(二)在两次捕捉图像精密网格定位幕图像及光斑图像的过程中，摄像机的位置没有 发生任何变化，因此，两幅图像的像素坐标是重合的；将计算出来的光斑中心像素坐标αρ， ζρ)按像素方式映射到已捕捉的精密网格定位幕的图像中；(三)根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标αρ，、)在某一个网格中的位 置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标(I，&)，具体的图 像计算方法如下设观测坐标原点在整个网格的左下角，网格的间距为l，则光斑中心在网格坐标系的位 置为Xr = NxXL+ Xn(1 - 1)Zr = NzXL + Zn(1 - 2)式中Nx——从光斑中心向左完整网格的数量 Nz——从光斑中心向下完整网格的数量 Xn——在一个网格内距左侧格线的距离 Zn—在一个网格内距底部格线的距离从图及计算公式中可看出，镜头的非线性误差影响被缩小在了一个网格内，即χη、4中 带有非线性的影响，网格尺寸为5mmX5mm，所有网格的实际宽度均为L，光斑中心所在网格 的水平像素数目为Lxp个，左侧网格线的起始像素坐标为Lxp。，光斑中心所在网格的垂直像 素数目为Lzp个，底部网格线的起始像素坐标为Lzp。，则W由下式确定Xn = (Xp - Lxpo) / LxpXL(2 — 1)Zn = (Zp-Lzpo) / LzpXL(2-2)实际中网格的水平线不可能与摄像机的行扫瞄线平行，即使部分平行，由于镜头非线 性其它部分也还会有夹角；计算时要先查找出网格4个角的坐标，Plt (X15Z1)^Prt (X2, Z2), Plb (X3，W、Prb (X4, Z4)),并根据这4个点的像素坐标确定出4条像素坐标直线方程网格水平向顶部格线方程(Plt(X1'Z1)、]D rt(X2，Z2))(3 -网格水平向底部格线方程(Plb(X3，Z^)、]D rb(X4J Τ- ))(3-2)网格垂直向左侧格线方程(Plt(X1'Z1)、]〕lb(X3，)):(3-3)网格垂直向右侧格线方程(Prt(X2，Zr)、]D rb(X4J Τ- ))(3-4)由于其中水平的两条线斜率Kxl、Kx2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行 时，Kxl =Kx2 = O,垂直的两条斜率Kzl、Kz2相同，当网格的水平线与摄像机的行扫瞄线平行 时，Kzl =Kz2 = 1，再根据光斑坐标(Xpjp)做出斜率分别*KX、KZ的两条经光斑中心的十字 线，禾Ij用这6条线分别计算出，LXP、LXP。、LZP、Izp。，再带入上式计算，求出Xn、&。 本专利技术的有益效果是，在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定 位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄 像机的有效拍摄范围内即可，不需精确调整，不需重新律定摄像机像素与实际距离的对应关系，降低了对摄像机定位精度的要求；方便了设备的维护，保证了观测数据的连续性；利 用精密网格确定摄像机像素坐标与网格坐标的关系，减小了摄像机镜头非线性畸变产生的 观测误差，并可精确计算光斑中心位置的真实变化。极大的提高了系统的观测精度。定位幕 的复位精度在士0. 02mm之内，网格的精度在士0. 005mm之内，观测的定位误差为士0. 05mm, 非线性误差为士0. 02mm。附图说明图1是本专利技术精密网格定位幕示意图； 图2是本专利技术记录的光斑及像素坐标值；图3是本专利技术激光光斑映射在精密网格定位幕上； 图4是本专利技术一种光斑在网格中的计算示意图； 图5是本专利技术另一种光斑在网格中的计算示意图。具体实施例方式(一)在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下 角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄 范围内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，如图1所示，精密 网格定位幕与一套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具 体的数据采集控制流程为(1)在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器 驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；(2)数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精 度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图 像符合程序要求，保存图像到内存或硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空激光光斑中心精密网格定位方法，其特征在于包括下列步骤：（一）在接收端安装精密网格定位幕，接收端的坐标原点设在定位幕网格的左下角，定位幕不随摄像机移动，调整更换摄像机时，只要将幕的全景调整到摄像机的有效拍摄范围内即可，该精密网格定位幕是由若干等间距方格和加粗的边框组成，精密网格定位幕与一套可自动控制的电机驱动支架配合，以实现自动控制幕的闭合及拉开；具体的数据采集控制流程为：（１）在计算机的控制下向接收端控制器发送精密网格定位幕闭合命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的闭合；（２）数据采集程序判断定精密网格定位幕闭合正常后，通过控制架设在接收端的高精度摄像机对精密网格定位幕的图像进行捕捉、并判断捕捉的图像是否正常；如果捕捉的图像符合程序要求，保存图像到内存或硬盘，并向接收端控制器发送精密网格定位幕拉开命令，接收端控制器驱动电机完成精密网格定位幕的拉开，切换到激光光斑接收幕；（３）数据采集程序判断精密网格定位幕拉开正常后，依次控制各个测点波带板进入光路，在光斑接收幕上形成测点光斑，摄像机依次完成各个测点光斑图像的捕捉，并利用图像计算方法：双峰法，计算出光斑中心在摄像机像素坐标系上的坐标值；（二）在两次捕捉图像：精密网格定位幕图像及光斑图像的过程中，摄像机的位置没有发生任何变化，因此，两幅图像的像素坐标是重合的；将计算出来的光斑中心像素坐标（Ｘ↓［ｐ］，Ｚ↓［ｐ］）按像素方式映射到已捕捉的精密网格定位幕的图像中；（三）根据已知的精密网格真实宽度及光斑中心像素坐标（Ｘ↓［ｐ］，Ｚ↓［ｐ］）在某一个网格中的位置，对该网格采取计算机图形计算方法即可计算出光斑中心的真实坐标（Ｘ↓［ｒ］，Ｚ↓［ｒ］）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金正浩，苏加林，苑润保，王德库，王科峰，范宝山，徐岩彬，孟中，李克绵，李俊富，姜盛吉，徐小武，
申请(专利权)人：中水东北勘测设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：82