CN101561269B - 近景摄影测量的特征线自动匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近景摄影测量的特征线自动匹配方法，以便于物体表面上起关键作用的轮廓边与型面控制线等曲线的非接触测量。该方法无需采用图像曲线重采样技术和优化算法寻找不同视角相片上表示同名曲线上某点的最佳像素点，直接解决同名曲线在不同视角相片上组成点的匹配问题，既避免耗时的非线性优化方程求解过程，又避免图像曲线重采样过程的精度损失，提升了曲线匹配的精度与效率。

Description

近景摄影测量的特征线自动匹配方法
技术领域
本发明涉及三维测量技术，尤其是一种近景摄影测量的特征线自动匹配方法。
背景技术
三维测量技术是逆向工程、工业检测、质量控制等领域的关键支撑技术，传统的接触式测量如三坐标测量机，其测量精度高(可达1微米左右)，但一般对环境要求很高，需要专门的测量室和专用测量台，测量范围有限，测量效率低，不适合具有复杂自由曲面物体或大型产品的测量。
数字近景摄影测量继承了传统摄影测量的严密理论与方法，具有相当高的精度与可靠性，且硬件设施简单(除了数字摄像机外无需任何精密仪器)、测量方法灵活，便于现场非接触测量，广泛应用于逆向工程、板金成形分析、机械制造、物体碰撞特性、建筑等领域的检测中。
基于标记点目标的三维摄影测量技术已经成熟，例如中国发明专利申请CN1888820中揭露了一种摄影测量中特征采样方法，其包括以下步骤：对需要三维模型重构的零件进行三维实体造型特征分析；根据零件的基本特征情况确定采样的定位面；根据零件的基本特征情况确定零件定位面的运动路径；用二维工业CT技术对零件定位面及运动路径所在截面进行断层测量，从而得到二维截面轮廓线和二维运动路径；根据截面轮廓线及路径，实现对零件三维模型的重构。该方法可以获得较高的采样精度、不必采集大量的数据即可得到零件基本特征信息，减少了采样数据，大大提高了处理速度。但基于曲线目标的三维摄影测量技术尚有不便之处，现有技术的流程如下：
1.识别不同视角拍摄的相片上的同名曲线像素点，并用非均匀B样条拟合像素点得到同名曲线在各相片上的曲线；
2.需要用图像曲线重采样技术，得到各相片上曲线的离散像素点；
3.在各相片上，表示同名曲线的像素点个数通常不相等，故需要用优化算法寻找各相片上表征同名曲线上某点的最佳像素点，实现同名曲线上点的匹配；
4.最终用基于标记点目标的三维摄影测量技术计算同名曲线上点的坐标。
若能直接匹配同名曲线在各自相片上用非均匀B样条拟合得到的曲线，无需上述第2步与第3步，将避免耗时的非线性优化方程求解过程，并避免图像曲线重采样过程的精度损失，提升曲线匹配的精度与效率。
发明内容
本发明的目的是提供一近景摄影测量的特征线自动匹配方法，可以直接快速匹配同名曲线在不同视角自相片上用非均匀B样条拟合得到的曲线，测定物体上特征曲线的位置、形状、大小乃至运动。
本发明的技术方案是：
一种近景摄影测量的特征线自动匹配方法，包括以下步骤
a.在被测物体表面绘制或粘贴标记线；
b.采用编码标记点标识被测物体标记线的起止点；
c.用数码相机，拍摄不同视角被测物体的数字图像；采用光束平差法精确计算编码标记点中心及各次拍摄时的相机位置与姿态；
d.相机在不同视角拍摄被测物体的数字图像间的同名点应满足极线约束；P1和P2为标识被测物体标记线的起止点的编码标记点，编码标记点P1和P2在视角左像平面上的投影点分别记为P1L与P2L，在视角右像 平面上的投影点分别记为P1R与P2R，标记线上的某点在视角左像平面上投影点和在视角右像平面上投影点为该点在两幅不同视角拍摄图像中的同名点PmarkiL和PmarkiR，视角左像平面上的极点为eL和视角右像平面上的极点为eR，标记线匹配过程如下：
①计算平面P1P1LeL和平面P2P2LeL，以及视角左像平面的交点eL；
②计算平面P1P1ReR和平面P2P2ReR，以及视角右像平面的交点eR；
③按指定步长将直线P1P2离散为点集{P1，Pin1，Pin2，...，Pini，...，P2}，{Pin1，Pin2，...，Pini，...}对应标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}。
④求平面PinieLeR与视角左像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiL；求平面PinieLeR与视角右像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiR；如此实现Pmarki的匹配，即PmarkL和PmarkiR匹配；
⑤以④步中的方法实现标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的匹配，
⑥采用光束平差法计算标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的坐标，并用非均匀B样条拟合{P1，Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...，P2}，得到标记线数学表达式。
本发明的附加技术方案如下：
优选地，所述的特征线为物体表面上起关键作用的轮廓边与型面控制线等曲线，在被测物体表面绘制或粘贴的标记线表示待测的特征线。
优选地，在步骤b中按指定步长将标记线两端点形成的直线段离散为点集，过该点集中的点得到与标记线两端点所形成的直线垂直的平面集，通过该平面集离散标记线。
优选地，在步骤c中采用单个或多个数码相机，在不同视角拍摄被测物体的数字图像。
本发明的有益效果：本发明不需要采用图像曲线重采样技术和优化算法寻找不同视角相片上表示同名曲线上某点的最佳像素点，直接解决同名曲线在不同视角相片上组成点的匹配问题，既避免耗时的非线性优化方程求解过程，又避免图像曲线重采样过程的精度损失，提升了曲线匹配的精度与效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明近景摄影测量的特征线自动匹配方法具体实施例的示意图。
其中：
1为标记点P1，2为标记点P2，3为与P1P2垂直的平面Plane，4为以P1P2为端点的标记线，5为视角左像平面，6视角右像平面，7为Plane与P1P2的交点Pini，8为标记线与Plane的交点Pmarki，9为Pmarki在视角左像平面上对应点PmarkiL，10为Pmarki在视角右像平面上对应点PmarkiR，11为视角左像平面上的极点eL，12为视角右像平面上的极点eR，13为基线，14为直线段P1P2。
具体实施方式
如图1所示，本发明近景摄影测量的特征线自动匹配方法的具体实施例，包含以下步骤：
1.按CAD建模技术原理，在被测物体表面(包括其轮廓)绘制或粘贴标记线，使其在颜色亮度上明显区别于被测物体本色，以利于图像识别；
2.采用编码标记点(通过图像处理可按标记点的编码信息识别标记点)，标识被测物体标记线的起止点，自动识别标记线；
3.用一个或多个数码相机，在不同视角拍摄被测物体的数字图像；采用光束平差法精确计算编码标记点中心及各次拍摄时的相机位置与姿态；
4.不同视角拍摄被测物体的数字图像间的同名点应满足极线约束；如图所示，P1和P2为编码标记点1和2，编码标记点1和2在视角左像平面5与视角右像平面6上的投影点分别记为P1L与P2L和P1R与P2R，标记线4上某点8(即标记线与平面3的交点Pmarki)在视角左像平面5上投影点9，在视角右像平面6上投影点10，9和10为8在两幅不同视角拍摄图像中的同名点PmarkL和PmarkR，11和12分别为视角左像平面5上的极点eL和视角右像平面6上的极点eR，则标记线匹配过程如下：
①计算平面P1P1LeL和平面P2P2LeL，以及视角左像平面5的交点eL；
②计算平面P1P1ReR和平面P2P2ReR，以及视角右像平面6的交点eR；
③按指定步长将直线P1P2离散为点集{P1，Pin1，Pin2，...，Pini，...，P2}，{Pin1，Pin2，...，Pini，...}对应标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}。
④求平面PinieLeR与视角左像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiL；求平面PinieLeR与视角右像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiR；如此实现Pmarki的匹配(PmarkiL和PmarkiR)
⑤以第四步方法实现标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的匹配，
⑥采用光束平差法计算标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的坐标，并用非均匀B样条拟合{P1，Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...，P2}，得到标记线数学表达式。
本发明与现有以曲线为目标的三维摄影测量技术不同，本发明直接匹配同名曲线在不同视角相片上像素点拟合而得的二维曲线，即通过编码标记点解得不同视角两相片的极点得到基线，而过基线的平面与不同视角两相片上的二维曲线交点即为同名点，故，无需采用图像曲线重采样技术得到各相片上曲线的离散像素点，同时也无需采用优化算法寻找不同视角相片上表示同名曲线上某 点的最佳像素点(解决不同视角相片上表示同名曲线的像素点个数通常不相等所导致的曲线匹配技术难题)。
因此，本发明避免耗时的非线性优化方程求解过程，并避免图像曲线重采样过程的精度损失，提升了曲线匹配的精度与效率。
在上述实施例中，优选地，所述的特征线为物体表面上起关键作用的轮廓边与型面控制线等曲线，在被测物体表面绘制或粘贴的标记线表示待测的特征线。优选地，在步骤b中按指定步长将标记线两端点形成的直线段离散为点集，过该点集中的点得到与标记线两端点所形成的直线垂直的平面集，通过该平面集离散标记线并实施权利要求1所述的标记线匹配。优选地，在步骤c中采用单个或多个数码相机，在不同视角拍摄被测物体的数字图像。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种近景摄影测量的特征线自动匹配方法，包括以下步骤：
a.在被测物体表面绘制或粘贴标记线；
b.采用编码标记点标识被测物体标记线的起止点；
c.用数码相机，拍摄不同视角被测物体的数字图像；采用光束平差法精确计算编码标记点中心及各次拍摄时的相机位置与姿态；
d.相机在不同视角拍摄被测物体的数字图像间的同名点应满足极线约束；P1和P2为标识被测物体标记线的起止点的编码标记点，编码标记点P1和P2在视角左像平面上的投影点分别记为P1L与P2L，在视角右像平面上的投影点分别记为P1R与P2R，标记线上的某点在视角左像平面上投影点和在视角右像平面上投影点为该点在两幅不同视角拍摄图像中的同名点PmarkiL和PmarkiR，视角左像平面上的极点为eL和视角右像平面上的极点为eR，标记线匹配过程如下：
①计算平面P1P1LeL和平面P2P2LeL，以及视角左像平面的交点eL；
②计算平面P1P1ReR和平面P2P2ReR，以及视角右像平面的交点eR；
③按指定步长将直线P1P2离散为点集{P1，Pin1，Pin2，...，Pini，...，P2}，{Pin1，Pin2，...，Pini，...}对应标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}；
④求平面PinieLeR与视角左像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiL；求平面PinieLeR与视角右像平面上用非均匀B样条拟合得到的标记线的交点PmarkiR；如此实现Pmarki的匹配，即PmarkiL和PmarkiR；
⑤以④步中的方法实现标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的匹配；
⑥采用光束平差法计算标记线的离散点集{Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...}的坐标，并用非均匀B样条拟合{P1，Pmark1，Pmark2，...，Pmarki，...，P2}，得到标记线数学表达式。
2.根据权利要求1所述的近景摄影测量的特征线自动匹配方法，其特征在于：所述的特征线为物体表面上起关键作用的轮廓边与型面控制线，在被测物体表面绘制或粘贴的标记线表示待测的特征线。
3.根据权利要求1所述的近景摄影测量的特征线自动匹配方法，其特征在于：在步骤b中，按指定步长将标记线两端点形成的直线段离散为点集，过该点集中的点得到与标记线两端点所形成的直线垂直的平面集，通过该平面集离散标记线。
4.根据权利要求1或2所述的近景摄影测量的特征线自动匹配方法，其特征在于：在步骤c中采用多个数码相机，在不同视角拍摄被测物体表面上的编码标记点与标记线的数字图像。
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