CN108180829B - 一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，解决现有测量方法必须在测量目标上设置合作标志点、测量步骤繁复、测量过程慢、测量仪器复杂、设备昂贵的问题。该方法包括以下步骤：1)在具有平行线特征的目标前架设相机；2)相机对目标进行成像；3)相机所成图像传输给计算机，对目标的平行线轮廓或平行线标志进行图像提取；4)建立坐标系，物空间直线L₁和L₂所成图像为直线L₁′和L₂′；5)计算得A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂；6)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入计算式，得到平行线特征的目标空间指向在相机坐标系OXYZ中的表述。

Description

一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法。

背景技术

在精密测量、精密仪器装配、工程测量中，经常涉及到对空间直线向量的测量，如建筑工程中钢梁的安装方向误差测量、精密仪器装配中条状结构件装配误差检测(如运动导轨)等，对这类具有直线特征目标空间的指向检测，通常在直线上设置两个标志点，采用空间坐标测量仪器测量，如三坐标测量仪、激光跟踪仪、全站仪(如发明：一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法，申请公布号CN 105424024 A)、双经纬仪交会等测量***，***对两个标志点的三维坐标进行测量，再换算成直线向量指向信息。

对于以上***，三坐标测量仪检测范围小，被测目标必须限制在测量臂活动范围之内，被测目标的尺寸有局限性；激光跟踪仪利用干涉测距的原理实现目标三维坐标测量，必须在标志点上架设反射靶标，激光跟踪仪发出的激光必须出射到反射靶标上，并反射回激光跟踪仪，靶标从激光跟踪仪移动到标志点的过程当中，必须保证靶标的自准直状态，如果反射靶标偏离了激光光轴就会出错，而且不能断光再续，必须重新再来，此过程中，反射靶标架设、光学调整的步骤复杂，测量过程慢；全站仪对直线上两个标志点的方位、俯仰角度和距离值进行测量，从而得到标志点的三维坐标；双经纬仪交会测量***根据单台经纬仪对标志点的方位、俯仰角度值以及双经纬仪之间的位置、姿态关系，通过三角交会原理，计算出标志点的三维坐标，在使用前必须进行双经纬仪位置和姿态的标定，以上测量方法都必须在直线上设置合作标志点，测量步骤繁复，测量过程慢、测量仪器复杂，设备昂贵。

发明内容

本发明的目的是解决现有测量方法必须在测量目标上设置合作标志点，测量步骤繁复、测量过程慢、测量仪器复杂、设备昂贵的问题，提供一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，该方法满足多种应用需求对目标空间指向测量的快速性、便捷性要求，针对具有平行线轮廓或边界特征的目标，利用单相机对目标进行拍照，对目标边缘轮廓或标志线进行图像提取，通过算法，即可实现目标空间指向向量在相机三维坐标系中的数学描述。

本发明的技术方案是：

一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，包括以下步骤：

1)在具有平行线特征的目标前架设相机，目标为单个或多个；

2)相机对目标进行成像；

3)相机所成图像传输给计算机，对目标的平行线轮廓或平行线标志进行图像提取，目标长度方向直线分别设为L₁和L₂，L₁和L₂平行；

4)建立坐标系：以相机光心为坐标原点O，探测器设置在距坐标原点后方f′的光轴上，沿成像镜头光轴方向为Z轴，沿探测器横边为X轴，竖边为Y轴，在光轴上距坐标原点前方f′处设置图像平面，图像平面与探测器平面平行，图像平面上建立二维图像坐标oxy，x平行于X轴，y平行于Y轴，o点为光轴与图像平面的交点，物点、像点和光心满足共线关系，f′为镜头焦距，物空间直线L₁和L₂所成图像为直线L₁′和L₂′；

5)在图像平面坐标oxy中，直线L₁′和L₂′的平面方程表达式分别为：

A₁x+B₁y+D₁＝0 (1)

A₂x+B₂y+D₂＝0 (2)

将直线L₁′和L₂′的不同x、y数值代入式(1)和(2)，计算得A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂；

6)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(8)，得到平行线特征的目标空间指向在相机坐标系OXYZ中的表述：

进一步地，还包括步骤7)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(9)和式(10)，得到目标空间指向在坐标系OXYZ中方位角和俯仰角形式的表述，以相机坐标系OXY平面内为方位零位，方位角符号定义为绕Y轴逆时针旋转为正，则方位角表述为：

俯仰角符号定义为在OXZ平面内为0，向下为正，向上为负，俯仰角表述为：

进一步地，步骤6)或步骤7)在计算机中离线处理或在线处理。

本发明的优点为：

1.本发明无需在目标上设置合作标志点，无需昂贵的三维坐标测量仪器，测量***架设方便、测量步骤简单。

2.本发明只需在目标前架设相机，配备普通计算机即可测量，测量设备简单、便宜，架设方便；在测量过程中，进行目标图像采集和目标图像边缘提取，图像直线方程解算，参数代入即可完成测量，测量步骤便捷，计算过程为加减乘除四则运算、开方运算和三角函数运算，计算简单。

附图说明

图1为本发明测量***结构图；

图2为本发明坐标系定义与物像关系图；

图3为本发明双平行线成像示意图；

图4为本发明平行线物、像、光心几何关系图；

图5为本发明可行性验证试验数据测量误差曲线图。

附图说明：1-目标，2-相机，3-计算机。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明是一种普适性测量方法，具体为具有平行线特征的目标空间三维指向的测量，如具有平行边缘的钢梁、枕木、立方体结构件空间指向的测量等。

一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，包括以下步骤：

1)在具有平行线特征的目标前架设相机，目标为单个或多个；

2)相机对目标进行成像；

3)相机所成图像传输给计算机，对目标的平行线轮廓或平行线标志进行图像提取，目标长度方向直线分别设为L₁和L₂，L₁和L₂平行；

4)建立坐标系：以相机光心为坐标原点O，探测器设置在距坐标原点后方f′的光轴上，沿成像镜头光轴方向为Z轴，沿探测器横边为X轴，竖边为Y轴，在光轴上距坐标原点前方f′处设置图像平面，图像平面与探测器平面平行，图像平面上建立二维图像坐标oxy，x平行于X轴，y平行于Y轴，o点为光轴与图像平面的交点，物点、像点和光心满足共线关系，f′为镜头焦距，物空间直线L₁和L₂所成图像为直线L₁′和L₂′；

5)在图像平面坐标oxy中，直线L₁′和L₂′的平面方程表达式分别为：

A₁x+B₁y+D₁＝0 (1)

A₂x+B₂y+D₂＝0 (2)

将直线L₁′和L₂′的不同x、y数值代入式(1)和(2)，计算得A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂；

6)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(8)，得到平行线特征的目标空间指向在相机坐标系OXYZ中的表述：

7)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(9)和式(10)，得到目标空间指向在坐标系OXYZ中方位角和俯仰角形式的表述，以相机坐标系OXY平面内为方位零位，方位角符号定义为绕Y轴逆时针旋转为正，则方位角表述为：

俯仰角符号定义为在OXZ平面内为0，向下为正，向上为负，俯仰角表述为：

上述步骤6)或步骤7)在计算机中离线处理或在线处理。

本发明所采用的技术方案和测量原理是：

如图1所示，在被测目标1前架设相机2，架设位置保证相机能够对目标成一定大小的清晰图像，对相机的架设位置无特殊要求，目标长度方向边缘轮廓直线分别设为L₁和L₂，L₁和L₂平行，相机所成图像经计算机3处理后，即可得到平行线指向在相机坐标系中的表述。

如图2所示，建立相机坐标系OXYZ，以相机光心为坐标原点O，在光轴上距坐标原点后方f′处为探测器位置(f′为镜头焦距)，沿成像镜头光轴方向为Z轴，沿探测器横边为X轴，竖边为Y轴，OXYZ符合右手坐标系，物体通过镜头在探测器上成倒像，但通常，相机电子学处理时，为保证观测图像符合人眼***面，图像平面与探测器平面平行，以符合探测器平面和图像平面的翻转关系，图像平面上建立二维图像坐标oxy，x平行于X轴，y平行于Y轴，o点为光轴与图像平面的交点，在以上坐标系定义下，物点、像点和光心满足如图2中所示的共线关系。

对物空间的两条或多条平行线，此处以两条平行线进行说明，多条平行性原理类似，由相机成像原理可知，图像平面上像直线是两个平面的交线，一个平面是物空间中直线、光心O所成平面，另一平面是图像平面，具体如图3所示，物空间直线L₁和L₂所成图像为L₁′和L₂′，L₁、L₁′、O共面，L₂、L₂′、O共面，物像几何关系概括为：平面L₁O和平面L₂O相交，O点在交线上，L₁′在平面L₁O上，L₂′在平面L₂O上。

在图4中，描述了物空间平行线L₁与光心所成平面和L₂与光心所成平面的交线、物直线、像直线之间的几何关系。容易证明：在两个相交平面上，若存在两条直线平行，则这两条直线必平行于两平面的交线，由于L₁和L₂为物空间的平行线，其方向向量相同，设为L₁O和L₂O平面的交线方向向量也为平面L₁O和平面L₁′O为同一平面，平面L₂O和平面L₂′O为同一平面，故通过图像中像直线L₁′和L₂′以及光心O，可求得交线，即可求得平行线L₁和L₂的方向向量

具体数学推导如下：

经过图像处理和目标边缘轮廓提取，在图像坐标系oxy中，L₁′和L₂′的平面方程表达式分别为：

A₁x+B₁y+D₁＝0 (1)

A₂x+B₂y+D₂＝0 (2)

则其在相机坐标系下的空间直线方程分别为：

求解直线L₁与光心确定的平面，建立平面束方程，有A₁X+B₁Y+D₁+L(Z-f')＝0，代入光心坐标(0,0,0)，解得则该平面方程为：

同理，直线L₂与光心确定的平面方程为：

则平面交线方程为：

根据式(7)，求得交线方向向量为：

这也是L₁和L₂直线方向向量的表达式，至此，已求解出具有平行线特征的目标空间指向在相机坐标系中的表述。

在光学测量中，向量通常表述为方位角和俯仰角，以相机坐标系OXY平面内为方位零位，则方位角可表述为：

方位角符号定义为绕Y轴逆时针旋转为正；

俯仰角可表述为：

俯仰角符号定义为在OXZ平面内为0，向下为正，向上为负；式(9)和式(10)即为平行线指向的方位角和俯仰角表述。

为验证本发明的可行性，搭建了原理验证平台，设计和加工了铝合金横梁，长度方向4条棱线互相平行，将横梁固定在多齿分度台上。多齿分度台转角测量精度可达到0.1″，可作为角度真值，多齿分度台按5°间隔进行旋转，按照本发明实施步骤，在验证平台前架设相机，对应多齿分度台每次角度位置，对目标指向方向向量进行测量，记为转台角度记为以首次测量时多齿分度台的角度值和目标指向方向向量为零位基准，以相对误差来验证本发明测量方法的正确性，只要不出现粗大误差，则说明本发明测量方法有效。

第i次目标指向方向向量与目标零位指向向量的夹角按式(11)进行计算：

多齿分度台的真值按式(12)进行计算：

比较测量值ω_i与真值χ_i，二者之差作为误差：

Δ_i＝ω_i-χ_i (12)

测量结果如表1所示，

表1试验数据

序号	ω<sub>i</sub>(°)	χ<sub>i</sub>(°)	Δ<sub>i</sub>(°)
				1	5.0012	5	0.0012
2	10.0018	10	0.0018
				3	15.0027	15	0.0027
4	20.0019	20	0.0019
				5	25.0039	25	0.0039
6	30.0082	30	0.0082
				7	35.0120	35	0.0120
8	40.0231	40	0.0231
				9	45.0192	45	0.0192
10	50.0252	50	0.0252
				11	55.0202	55	0.0202
12	60.0234	60	0.0234
				13	65.0252	65	0.0252
14	70.0175	70	0.0175
				15	75.0233	75	0.0233
16	80.0302	80	0.0302
				17	85.0295	85	0.0295
18	90.0258	90	0.0258

测量误差曲线如图5所示，从图中可以看出，在0～90°范围内，本发明方法测量误差在0.03°以内，无粗大误差或错误数据，说明本发明方法可行。

Claims (3)

1.一种对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在具有平行线特征的目标前架设相机，目标为单个或多个；

2)相机对目标进行成像；

3)相机所成图像传输给计算机，对目标的平行线轮廓或平行线标志进行图像提取，目标长度方向直线分别设为L₁和L₂，L₁和L₂平行；

4)建立坐标系：以相机光心为坐标原点O，探测器设置在距坐标原点后方f′的光轴上，沿成像镜头光轴方向为Z轴，沿探测器横边为X轴，竖边为Y轴，在光轴上距坐标原点前方f′处设置图像平面，图像平面与探测器平面平行，图像平面上建立二维图像坐标oxy，x平行于X轴，y平行于Y轴，o点为光轴与图像平面的交点，物点、像点和光心满足共线关系，f′为镜头焦距，物空间直线L₁和L₂所成图像为直线L₁′和L₂′；

5)在图像平面坐标oxy中，直线L₁′和L₂′的平面方程表达式分别为：

A₁x+B₁y+D₁＝0 (1)

A₂x+B₂y+D₂＝0 (2)

将直线L₁′和L₂′的不同x、y数值代入式(1)和(2)，计算得A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂；

6)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(8)，得到平行线特征的目标空间指向在相机坐标系OXYZ中的表述：

2.根据权利要求1所述的对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，其特征在于：还包括步骤7)将得到的A₁、B₁、D₁、A₂、B₂、D₂以及镜头焦距值f′代入式(9)和式(10)，得到目标空间指向在坐标系OXYZ中方位角和俯仰角形式的表述，以相机坐标系OXY平面内为方位零位，方位角符号定义为绕Y轴逆时针旋转为正，则方位角表述为：

俯仰角符号定义为在OXZ平面内为0，向下为正，向上为负，俯仰角表述为：

3.根据权利要求2所述的对具有平行线特征的目标空间指向测量方法，其特征在于：步骤6)或步骤7)在计算机中离线处理或在线处理。