CN106846406A - 一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，包括以下步骤：1)获得某相机坐标系下编码标志群点云的三维坐标，标志点p＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，…，n，n为标志点总数；2)计算所述点云的重心p_o，以该重心作为点云坐标系的原点；3)计算协方差矩阵的特征值λ₁、λ₂、λ₃，并获得与所述特征值相对应的三个单位特征向量η₁、η₂、η₃，以η₁、η₂、η₃作为点云坐标系的X、Y、Z轴。与现有技术相比，本发明具有可提高大型复杂物件摄影测量实际可操作性等优点。

Description

一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法

技术领域

本发明属于摄影测量领域，尤其是涉及一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法。

背景技术

在摄影测量中，相机的外参数标定是实现点云拼接的重要前提，外参数标定的本质就是标定相机坐标系之间的转换矩阵或相机坐标系与物方坐标系之间的空间转换矩阵。摄影测量中传统相机标定法，根据不同的标定参照物可分为三维靶标定法、二维靶标定法二种。三维靶标定法需要已知靶标上的标志点在靶标坐标系的三维坐标，且加工、维护比较困难。二维靶标定法是三维靶标定法的简化，但也需要知道二维靶面内所有标志点在靶标坐标系的坐标。因此二维靶上标志点分布比较规则或不规则但需要通过其他方式先测得标定板上标志点的位置。如***在“数字近景工业摄影测量理论、方法与应用”(科学出版社，2016)提到的二维标定板，均匀分布9个编码标志和48个定向反光标定点，需要先使用V-STARS/S测量出所有标志点在标定靶坐标系的坐标。在实际测量中，通常需要粘贴大量信息唯一编码标志以实现大量照片的拼接，这两种二维标定靶都不实用。如何准确有效地描述位置关系随机、复杂的编码标志群内标志点云的位置关系，需要建立一种点云三维坐标系。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高大型复杂物件摄影测量实际可操作性的用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，包括以下步骤：

1)获得某相机坐标系下编码标志群点云的三维坐标，标志点p＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，…，n，n为标志点总数；

2)计算所述点云的重心p_o，以该重心作为点云坐标系的原点；

3)计算协方差矩阵的特征值λ₁、λ₂、λ₃，并获得与所述特征值相对应的三个单位特征向量η₁、η₂、η₃，以η₁、η₂、η₃作为点云坐标系的X、Y、Z轴。

所述点云的重心p_o的计算公式为：

对于同一编码标志群，在不同相机坐标系获得的特征值顺序相同时，依次取三个特征值对应的特征向量为坐标系的X、Y、Z轴。

对于同一编码标志群，当利用不同相机坐标系前后两次获得的特征值顺序不同时，将两次获得的特征值顺序调整一致并相应调整对应的单位特征向量的顺序和方向后依次作为坐标系的X、Y、Z轴。

对于同一编码标志群，在不同相机坐标系下建立的点云坐标系为全局世界坐标系下的同一坐标系。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在实际测量过程中往往需要灵活粘贴定位编码标志，通过本发明方法建立的三维点云坐标系，可以有效表达编码标志组上标志点云在局部世界坐标系下的位置关系，从而大大提高了对大型复杂物件摄影测量的实际可操作性。

2、本发明方法建立的三维点云坐标系为局部世界坐标系，它能准确表达位置关系随机、复杂的点云在该坐标系下的位置关系，从而方便地建立起换站前、换站后相机坐标系与局部世界坐标系的相互变换关系。

附图说明

图1为本发明点云三维坐标系与换站前、换站后相机坐标系的相对关系示意图；

图中：1为相机观测到的编码标志群点云；2为本发明建立的点云坐标系；3为换站前0号机位相机坐标系；4为换站后1号机位相机坐标系；

图2为本发明的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，0号相机和1号相机有重叠的拍照，同时拍到了一群编码标志，可以从0号相机坐标系的角度建立该编码标志点云三维坐标系，也可以从1号相机坐标系角度建立该坐标系。点云坐标系在0号相机坐标系和1号相机坐标系下位置是不同的，但在全局世界坐标系的位置是唯一确定的。如图2所示，下面分别从0号相机坐标下和1号相机坐标下建立点云的三维坐标系：

1、从0号相机坐标下建立点云的三维坐标系

1)先求得0号相机坐标系下编码标志群中点云的三维坐标为P₀＝(x_0i，y_0i，z_0i)，i＝0，1，…，n；

2)求得该点云重心的三维坐标作为该点云坐标系的原点；

3)求得该点云坐标的协方差矩阵求得cov0的三个特征值λ₁，λ₂，λ₃对应的三个单位特征向量η₁，η₂，η₃依次作为该点云三维坐标系的X、Y、Z轴。

2、从1号相机坐标下建立点云的三维坐标系

1)先求得1号相机坐标系下编码标志群点云的三维坐标为P₁＝(x_1i，y_1i，z_1i)，i＝0，1，…，n；

2)求得该点云重心的三维坐标作为该点云坐标系的原点；

3)求得该点云坐标的协方差矩阵求得cov1的三个特征值顺序若也为λ₁，λ₂，λ₃则对应的特征向量ξ₁，ξ₂，ξ₃作为该点云三维坐标系的X、Y、Z轴，即当前后二次求得的特征值顺序刚好相同时，则依次取对应的特征向量为X、Y、Z轴即可)。若求得的三个特征值顺序为λ₂，λ₁，λ₃，对应单位特征向量ζ₁，ζ₂，ζ₃，应调整cov0或cov1特征值顺序使得同为λ₁，λ₂，λ₃或者λ₂，λ₁，λ₃，并相应调整特征值所对应单位特征向量的顺序和方向作为该点云三维坐标系的X、Y、Z轴，当前后两次求得特征值顺序不同时，不仅要调整二次的特征值顺序保持一致，再取对应特征向量作为XYZ轴即可，这时可能需要把第一次求得特征值顺序调整为第二次求得的特征值顺序，也可能是反之，在调整特征值顺序的同时，应同时调整对应的特征向量顺序，并且特征向量可能还应反号。

3、以上两次建立的点云三维坐标系为全局世界坐标系下的同一坐标系。

本发明建立的点云坐标系可应用于一种双目摄影测量方法中，该双目摄影测量方法用于标定换站前、换站后相机坐标系转换关系的小型编码标志是灵活粘贴在被测物上或周边的，编码标志之间的相对位置不定，实质构成一个编码标志点之间的相互位置关系不确定的整体三维标定靶。本发明方法建立的三维点云坐标系能准确表达位置关系随机、复杂的点云在该坐标系下的位置关系，从而建立起换站前、换站后相机坐标系与局部世界坐标系的相互变换关系。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得某相机坐标系下编码标志群点云的三维坐标，标志点p＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，…，n，n为标志点总数；

2)计算所述点云的重心p_o，以该重心作为点云坐标系的原点；

3)计算协方差矩阵的特征值λ₁、λ₂、λ₃，并获得与所述特征值相对应的三个单位特征向量η₁、η₂、η₃，以η₁、η₂、η₃作为点云坐标系的X、Y、Z轴。

2.根据权利要求1所述的用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，其特征在于，所述点云的重心p_o的计算公式为：

$p_o=(x_o,y_o,z_o)=\frac{1}{n}({\Σ}_0^n{x}_i,{\Σ}_0^n{y}_i,{\Σ}_0^n{z}_i).$

3.根据权利要求1所述的用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，其特征在于，对于同一编码标志群，在不同相机坐标系获得的特征值顺序相同时，依次取三个特征值对应的特征向量为坐标系的X、Y、Z轴。

4.根据权利要求1所述的用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，其特征在于，对于同一编码标志群，当利用不同相机坐标系前后两次获得的特征值顺序不同时，将两次获得的特征值顺序调整一致并相应调整对应的单位特征向量的顺序和方向后依次作为坐标系的X、Y、Z轴。

5.根据权利要求1所述的用于物体三维坐标测量的点云坐标系构建方法，其特征在于，对于同一编码标志群，在不同相机坐标系下建立的点云坐标系为全局世界坐标系下的同一坐标系。