CN109612391B - 基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，利用单台高速相机在带有毫米刻度的导轨相机架上进行平移，模拟双台相机双目测量原理，对水田平地机平地铲以及机身上的点进行点的三维重建，测出控制点在高速相机坐标系下的点的坐标，利用双目测量原理公式实现高速相机坐标系到世界坐标系下的转换，从而得出平地机上任意控制点的世界坐标，为平地机多体动力学位姿分析提供基础。本发明成本低、操作便利、实现高精度的空间物理点三维坐标的测量，属于工程测量技术领域。

Description

基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量 方法

技术领域

本发明涉及一种空间三维坐标测量方法，尤其是基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，属于工程测量技术领域。

背景技术

随着机器视觉技术在农业工程领域的出现以及广泛的应用，在机器结构的世界坐标系测量时可以采用摄像机进行点的测量(张振杰，2018年)，机器视觉利用两幅或者更多的二维图像来获取物体三维可见表面的几何形状，此方法就是三维重构技术，其中最重要的就是摄像机模型与对极几何约束建立(杨景豪，2016年)。事实上，在机器结构中，刚体中控制点的三维坐标变换也可以视作线性变换。在刚体空间点研究中，机器视觉技术往往需要使用多台相机获取多幅图像，或单台相机进行移动测量，最后采用图像分析软件对数据进行处理(Cappetti N，2016年)，此方法需要耗费大量成本与人力。

因此，需要提出一种基于单台相机的测试方法，设计一种带刻度的导轨装置，方便相机的安装与测量，同时，需要提出一种简化算法，用以计算相机坐标系与空间三维坐标系的转换关系，来解决操作不便、价格昂贵等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，该方法操作便利，采用单台高速相机即可模拟双台相机双目测量原理，实现高精度的空间物理点三维坐标的测量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，双目测量装置包括带刻度导轨的相机架，单台高速相机在导轨上平移，模拟双台相机双目测量原理，高速相机上设置相机坐标系，得到控制点的相机坐标；部分控制点Pn位于平地机的平地铲上，平地铲上设置局部坐标系，测得Pn点的局部坐标，从而求得局部坐标系到相机坐标系的转化关系；部分控制点Qn位于平地机的机身上，机身上设置全局坐标系，测得Qn点的全局坐标，从而求得全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系；根据局部坐标系到相机坐标系的转化关系、全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系、控制点在相机坐标系下的坐标，求出任意控制点在局部坐标系和全局坐标系下的坐标。

作为一种优选，对于机身上难以测得全局坐标的点Qn’以及平地铲上难以测得局部坐标的点Pn’,但是Pn’和Qn’点的相机坐标容易求得，根据求得的局部坐标系到相机坐标系的转化关系、求得的全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系、测量的控制点在相机坐标系下的坐标，求出Pn’的局部坐标和Qn’点的全局坐标。

作为一种优选，根据测得的控制点的全局坐标，以及Pn和Pn’点的局部坐标，求出局部坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求出平地机上任意控制点的全局坐标。

作为一种优选，双目测量装置包括导轨、滑块、架体；导轨安装在架体上，滑块沿着导轨平移，导轨上标有毫米级刻度，高速相机安装在滑块上；高速相机的中心轴线与导轨垂直，从而形成双目平行的效果，高速相机选定的两个位置之间的距离为T。

作为一种优选，根据双目测量原理，相机坐标系建立在左侧高速相机的光心处，右侧高速相机用左侧高速相机平移来等效，单台高速相机实现双目测量，具体包括：相机坐标系的原点O_CL在光心处，Z_L轴沿光轴指向景深背侧，X_L轴指向右侧且与导轨方向平行，右手定则确定Y_L轴，得到O_CLX_LY_LZ_L；将原点沿X_L轴进行平移，得到右侧高速相机坐标系O_CRX_RY_RZ_R。

作为一种优选，根据像素坐标转换得到控制点的相机坐标，具体包括：

物理点P是空间待测物体上的控制点，P^L指P点表示在左侧高速相机坐标系下的坐标，左侧高速相机的成像平面与相机坐标系平行，P_L、P_R是P在像平面上的成像点，于是:

P_LP_R||O_CLO_CR

其中，用

表示对两点取模(长度)，则上述公式推导为:

式中，T是指两台相机光心的水平距离，P_L ^L是指P在左相机像平面的成像点，P_L在O_CLX_LY_LZ_L坐标系下的坐标，P_R ^R是指P在右相机像平面的成像点，P_R在O_CLX_LY_LZ_L坐标系下的坐标；

由公式(1)求出任意物理点在左侧高速相机坐标系下的坐标。

作为一种优选，左右侧高速相机的像素距离由高速相机配套软件TEMA进行处理，具体包括：TEMA软件用来读取物理点的像素坐标，从而获取点在左右侧高速相机成像平面的像素距离

因此公式(1)计算得到每一个物理点在左侧高速相机坐标系下的坐标。

作为一种优选，水田平地机作为测试平台，静止时，视作平地机的机身固定不动，具体包括：在机身上建立全局坐标系XwYwZw，在平地铲的质心处建立局部坐标系X_BY_BZ_B，其中Pn点为局部坐标系下的容易用尺子测得局部坐标的控制点，个数为n，其中n≥3；；Pn’点是指局部坐标系中直接用尺子难以测得局部坐标的点，这里Pn与Pn’统称为P点；同理有，Qn点为全局坐标系下的容易用尺子测得全局坐标的控制点，Qn’点是指全局坐标系中直接用尺子难以测得全局坐标的点，这里Qn和Qn’点统称为Q点；以下分别用B、W、C来表示局部坐标系、全局坐标系、左侧相机坐标系，B、W中的点均用C测得；用P^W表示P点在W坐标系下的坐标，则P’^B表示P’点在B坐标系下的坐标，R_B ^W表示由坐标系B到W的旋转矩阵，T_B/C表示B坐标系原点在C坐标系下的坐标，这里的目的是求得P^W、P’^B、R_B ^W、T_B/C。

作为一种优选，根据坐标转换公式得出B与W、B与C坐标系转换结果具体包括：

由坐标转换关系可得：

由(2)(3)可得到：

又有：

T_B/W＝T_B/C+T_C/W＝T_B/C-T_W/C (7)

将(6)(7)带入(5)中可得：

由(3)带入(8)可得：

若上述转换矩阵R与平移矩阵T用一个矩阵表示，引入齐次坐标，此时P、R均为齐次形式，P为4×1矩阵，R为4×4矩阵，则有：

从而可得：

作为一种优选，根据公式(13)，求出左侧高速相机坐标系与局部坐标系、左侧高速相机坐标系与全局坐标系，结合相机坐标系下各物理点的坐标，最终全部换算到全局坐标系下；具体包括：求出Pn、Pn’，Qn、Qn’任意点的全局坐标，其中Pn’、Qn’点的左侧高速相机坐标是容易获取的。

本发明利用单台高速相机在带有毫米刻度的导轨相机架上进行平移，模拟双台相机双目测量原理，对水田平地机平地铲以及机身上的点进行点的三维重建，测出控制点在高速相机坐标系下的点的坐标，利用双目测量原理公式实现高速相机坐标系到世界坐标系下的转换，从而得出平地机上任意控制点的世界坐标，为平地机多体动力学位姿分析提供基础。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明采用单台高速相机，并设计制作出与之相配套的导轨式相机架，滑块能沿着导轨滑动并卡紧高速相机，直接显示刻度也有助于直接读取左右侧高速相机距离，避免了多台相机成本高、操作不便，或者单台相机移动过程中的精度不够、误差较大等问题。

2.本发明在传统双目相机测量原理上进行了进一步地升华，更加直观地推导相机坐标与像素坐标之间的转化关系；通过齐次坐标变换矩阵的求解简化相机坐标系与全局、局部坐标系之间的转换关系，从而实现更加方便的坐标求解。

3.本发明以水田平地机作为实验平台，当水田平地机不运作时可以将机身视为固定，从而平地铲等结构视为简单运动副、运动构件，从而简化部分结构，更加清晰明了。平地铲上建立局部坐标系，机身上建立全局坐标系，***推导相机坐标系与全局、局部坐标系之间的关系，从而实现对于多体***中能用相机获取相机坐标、但是无法获取相应全局或者局部坐标的物理点，可以实现全局坐标的测量，为接下来的多体动力学分析提供基础。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是高速相机安装在相机架上的结构示意图。

图3是水田平地机简化模型示意图以及相应坐标系、物理点的示意。

图4是单台高速相机实现双目测量原理的示意图。

图5是左侧相机坐标系与全局坐标系、局部坐标系的测量示意图。

其中，1为左侧位置的高速相机，2为右侧位置的高速相机，3为导轨，4为架体，Camera(前文中简称“C”)为左侧相机坐标系，Body(前文简称“B”)为局部坐标系，World(前文简称“W”)为全局坐标系。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，该方法包括S101-S104四个步骤，具体如下：

S101、制作一个带有导轨的相机架，导轨上清晰地标出毫米级刻度，导轨上设置滑块，滑块上可以安装固定高速相机，放置单台高速相机，选定一个位置测量控制点。向左端平移距离T，即为模拟双目相机测量原理。将相机坐标系建立在左侧位置相机光心处，根据像素坐标转换可以得到控制点的相机坐标。

如图2所示，可见相机架，高速相机先至于右边，然后平移距离T至左侧高速相机位置，相机坐标系定在左侧高速相机光心处。

高速相机选用美国Vision Research公司的Phantom M310型高速相机，它为一款具有定制设计的1280*800CMOS图像传感器的数字化、高性能、高清、高帧率相机。

本实施例中T＝17cm，相机焦距f＝24mm，单个像素尺寸为20um，Pn点和Qn点的n＝8，各选取8个控制点，根据左右侧高速相机得到的两张图片中相应物理点的像素坐标，代入公式(1)可以得到相应左侧高速相机坐标系下坐标。

S102、控制点均设置在平地机上，这里以水田平地机为实验平台，部分控制点Pn位于平地铲上，平地铲上设置局部坐标系，可以测得Pn点的局部坐标，从而求得局部坐标系到相机坐标系的转化关系；平地机的机身上设置全局坐标系，该坐标系下控制点Qn可以测得全局坐标，可以求得全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系。根据这些转化关系以及控制点在相机坐标系下的坐标，可以最终求出在全局坐标系下的坐标。

本实施例的实验对象为1PJ-3.0型水田激光平地机，以1PJ-3.0型水田激光平地机为平台，当平地机不运作时，视机身固定不动，此时在机身上确定全局坐标系，在平地铲上确定局部坐标系。分别在局部坐标系上设立物理点Pn以及全局坐标系上设立物理点Qn，对于这些点，先测得Pn和Qn的各自坐标系下的坐标，根据物理点的相应坐标求得坐标系之间的转化关系如表1所示。

表1相机坐标系到全局坐标系的转化关系

S103、对于平地机的机身上的难以测得其全局坐标的点Qn’以及平地铲上不方便测得局部坐标的点Pn’，但是Pn’和Qn’点的相机坐标容易求得，根据已经求出的相应转化关系，如表2所示，代入公式(13)可以求出这些点的全局坐标。

表2相机坐标系到局部坐标系的转化关系

S104、与此同时，根据测得的控制点的全局坐标，以及Pn和Pn’点的局部坐标，可以求出局部坐标系到全局坐标系的转化关系，则可以求出任意平地机上控制点的全局坐标。

综上所述，本发明采用单台高速相机对待测坐标点进行多方位测量，确保多结果累计择优性，可获得相对来说误差小的结果，从而实现高精度的目的，还可以避免使用多台高速相机或者购买高速相机成本过高的问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：双目测量装置包括带刻度导轨的相机架，单台高速相机在导轨上平移，模拟双台相机双目测量原理，高速相机上设置相机坐标系，得到控制点的相机坐标；部分控制点Pn位于平地机的平地铲上，平地铲上设置局部坐标系，测得Pn点的局部坐标，从而求得局部坐标系到相机坐标系的转化关系；

部分控制点Qn位于平地机的机身上，机身上设置全局坐标系，测得Qn点的全局坐标，从而求得全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系；

根据局部坐标系到相机坐标系的转化关系、全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系、控制点在相机坐标系下的坐标，求出任意控制点在局部坐标系和全局坐标系下的坐标；

对于机身上难以测得全局坐标的点Qn’以及平地铲上难以测得局部坐标的点Pn’,但是Pn’和Qn’点的相机坐标容易求得，根据求得的局部坐标系到相机坐标系的转化关系、求得的全局坐标系到相机坐标系之间的转化关系、测量的控制点在相机坐标系下的坐标，求出Pn’的局部坐标和Qn’点的全局坐标；

根据测得的控制点的全局坐标，以及Pn和Pn’点的局部坐标，求出局部坐标系到全局坐标系的转化关系，从而求出平地机上任意控制点的全局坐标。

2.按照权利要求1所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：双目测量装置包括导轨、滑块、架体；导轨安装在架体上，滑块沿着导轨平移，导轨上标有毫米级刻度，高速相机安装在滑块上；高速相机的中心轴线与导轨垂直，从而形成双目平行的效果，高速相机选定的两个位置之间的距离为T。

3.按照权利要求2所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：根据双目测量原理，相机坐标系建立在左侧高速相机的光心处，右侧高速相机用左侧高速相机平移来等效，单台高速相机实现双目测量，具体包括：

相机坐标系的原点O_CL在光心处，Z_L轴沿光轴指向景深背侧，X_L轴指向右侧且与导轨方向平行，右手定则确定Y_L轴，得到O_CLX_LY_LZ_L；将原点沿X_L轴进行平移，得到右侧高速相机坐标系O_CRX_RY_RZ_R。

4.按照权利要求3所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：根据像素坐标转换得到控制点的相机坐标，具体包括：

物理点P是空间待测物体上的控制点，P^L指P点表示在左侧高速相机坐标系下的坐标，左侧高速相机的成像平面与相机坐标系平行，P_L、P_R是P在像平面上的成像点，于是:

P_LP_R||O_CLO_CR

其中，用

表示对两点取模(长度)，则上述公式推导为:

式中，T是指两台相机光心的水平距离，P_L ^L是指P在左相机像平面的成像点，P_L在O_CLX_LY_LZ_L坐标系下的坐标，P_R ^R是指P在右相机像平面的成像点，P_R在O_CLX_LY_LZ_L坐标系下的坐标；

由公式(1)求出任意物理点在左侧高速相机坐标系下的坐标。

5.按照权利要求4所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：左右侧高速相机的像素距离由高速相机配套软件TEMA进行处理，具体包括：

TEMA软件用来读取物理点的像素坐标，从而获取点在左右侧高速相机成像平面的像素距离

因此公式(1)计算得到每一个物理点在左侧高速相机坐标系下的坐标。

6.按照权利要求5所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：水田平地机作为测试平台，静止时，视作平地机的机身固定不动，具体包括：

在机身上建立全局坐标系XwYwZw，在平地铲的质心处建立局部坐标系X_BY_BZ_B，其中Pn点为局部坐标系下的容易用尺子测得局部坐标的控制点，个数为n；Pn’点是指局部坐标系中直接用尺子难以测得局部坐标的点，这里Pn与Pn’统称为P点；同理有，Qn点为全局坐标系下的容易用尺子测得全局坐标的控制点，Qn’点是指全局坐标系中直接用尺子难以测得全局坐标的点，这里Qn和Qn’点统称为Q点；以下分别用B、W、C来表示局部坐标系、全局坐标系、左侧相机坐标系，B、W中的点均用C测得；用P^W表示P点在W坐标系下的坐标，则P’^B表示P’点在B坐标系下的坐标，R_B ^W表示由坐标系B到W的旋转矩阵，T_B/C表示B坐标系原点在C坐标系下的坐标，这里的目的是求得P^W、P’^B、R_B ^W、T_B/C。

7.按照权利要求6所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：根据坐标转换公式得出B与W、B与C坐标系转换结果，具体包括：

由坐标转换关系可得：

由(2)(3)可得到：

又有：

T_B/W＝T_B/C+T_C/W＝T_B/C-T_W/C (7)

将(6)(7)带入(5)中可得：

由(3)带入(8)可得：

若上述转换矩阵R与平移矩阵T用一个矩阵表示，引入齐次坐标，此时P、R均为齐次形式，P为4×1矩阵，R为4×4矩阵，则有：

从而可得：

8.按照权利要求7所述的基于单台高速相机的双目测量装置对平地机空间坐标测量方法，其特征在于：根据公式(13)，求出左侧高速相机坐标系与局部坐标系、左侧高速相机坐标系与全局坐标系，结合相机坐标系下各物理点的坐标，最终全部换算到全局坐标系下；

具体包括：求出Pn、Pn’，Qn、Qn’任意点的全局坐标，其中Pn’、Qn’点的左侧高速相机坐标是容易获取的。

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