CN113091607A - 一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法 - Google Patents

一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法 Download PDF

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赵祚喜
朱裕昌
谢超世
邱志
张壮壮
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黄渊
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Abstract

本发明涉及一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，架设手机三脚架并夹紧智能手机，合适位置布置长度已知的辅助测量棒；打开智能手机的相机拍摄测量图像并获取图像中辅助测量棒两端像素坐标；根据相似三角形原理，由智能手机相机的焦距、辅助测量棒的真实长度与测量图像中的辅助测量棒的长度计算空间点的深度，深度位于手机相机坐标系z轴方向；获取测量图像中待测空间点的像素坐标，根据相似三角形原理，由待测空间点的像素坐标、智能手机相机的焦距、深度计算空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值。采用一台智能手机完成测量，免去相机标定，设备复杂程度低，测量成本低，测量原理及步骤简单，属于视觉测量技术领域。

Description

一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法
技术领域
本发明涉及视觉测量技术，具体涉及一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法。
背景技术
空间点三维坐标测量是一项非常重要的技术，该技术广泛应用于生产制造、工程测量等行业，采用的测量方式包括三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、视觉测量等，其中视觉测量方式可分为双目视觉测量和单目视觉测量。
双目测量空间点三维坐标可良好地测量空间点深度信息，但是设备的复杂程度高、测量视场小，并且必须进行相机的标定获取两台相机间的位置姿态关系。单目测量视场大，设备少易操作，但是难以良好地还原空间点深度信息。另外，单目视觉测量方法往往需要设置复杂的合作标靶辅助测量，从而导致测量方法难以广泛使用。
现阶段，智能手机具有强大的图像采集能力，镜头畸变小，但却鲜有当作图像采集设备用于视觉测量。常见的视觉测量在测量时均需要对图像采集设备进行标定，获取其内、外参数用于后续的测量，而智能手机所采集的图像包含详细的图像信息，例如焦距，为智能手机用于视觉测量时免标定奠定了基础。
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：提供一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，只需使用单台智能手机并且无需标定即可完成空间点三维坐标测量。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，包括如下步骤：步骤一：架设手机三脚架并夹紧智能手机，合适位置布置长度已知的辅助测量棒；步骤二：打开智能手机的相机拍摄测量图像并获取测量图像中辅助测量棒两端的像素坐标；步骤三：根据相似三角形原理，由智能手机相机的焦距、辅助测量棒的真实长度与测量图像中的辅助测量棒的长度计算空间点的深度，深度位于手机相机坐标系z轴方向；步骤四：获取测量图像中待测空间点的像素坐标，根据相似三角形原理，由待测空间点的像素坐标、智能手机相机的焦距、步骤三所求的深度计算空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值。
作为一种优选，步骤一中，合适位置的选取满足：辅助测量棒与待测空间点处于同一测量平面；通过水平仪调整手机三脚架使得智能手机的相机成像平面与测量平面平行。
作为一种优选，步骤一中，辅助测量棒的布置方式为粘贴、悬挂或竖立。
作为一种优选，步骤一中，辅助测量棒为长度已知的直棒。辅助测量棒包括但不限于木棒、金属棒等。
作为一种优选，步骤二中，测量图像包括完整的辅助测量棒和待测空间点。
作为一种优选，开展步骤三之前，智能手机打开所拍摄的测量图像，查看测量图像的详细信息，获取拍摄时的焦距f与图像分辨率，其中图像分辨率中两边边长的一半即为主点坐标。
作为一种优选，步骤三中，相似三角形原理计算公式如下：
Figure BDA0002983692550000021
其中，limg为拍摄的测量图像中辅助测量棒的长度；Lrea为辅助测量棒在空间中实际的长度；f为拍摄测量图像时的手机相机焦距，通过查看测量图像详细信息获得；Z为测量平面到手机相机光心的距离，即待测空间点的深度或待测空间点在手机相机坐标系下的Z轴方向的坐标值；
上述相似三角形原理中，辅助测量棒在测量图像中的长度计算公式如下：
Figure BDA0002983692550000022
其中，Spixel为单个正方形像素的边长，(u1,v1)、(u2,v2)为辅助测量棒两个端点在测量图像中的像素坐标；
则待测空间点的深度计算公式如下：
Figure BDA0002983692550000023
作为一种优选，步骤四中，根据相似三角形原理计算待测空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值，计算公式如下：
Figure BDA0002983692550000024
Figure BDA0002983692550000031
其中，X、Y为待测空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值；(u,v)为待测空间点的像素坐标；(u0,v0)为主点坐标。
作为一种优选，忽略智能手机相机畸变，主点坐标看作测量图像的中心点，测量图像分辨率的一半即为主点坐标。
作为一种优选，步骤一中，辅助测量棒为拍摄场景中长度已知的线条。
本发明的原理是：首先，构建智能手机相机的成像平面、辅助测量棒与待测空间点所处平面之间的平行关系；其次，基于成像平面与辅助测量棒所处平面的平行关系，借助实际长度已知的辅助测量棒，由相似三角形原理求解待测空间点的深度(即待测空间点在手机相机坐标系下的Z轴方向的坐标值)；最后，基于待测空间点的深度，借助待测空间点在测量图像中的像素坐标、拍摄测量图像时的焦距及主点坐标等信息，由相似三角形原理求解待测空间点在手机相机坐标系下的X、Y轴方向的坐标值。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明仅采用单台智能手机实现空间点三维坐标测量，设备复杂程度低，降低了测量成本。辅助测量棒形式几乎不限，亦可是测量场景中的线条，避免了复杂的合作目标，增加了测量的灵活性。
2.本发明操作简单，实现了免相机标定的测量，减少测量的操作步骤。测量时仅需查看所拍摄图像的详细信息获取焦距和分辨率信息即可免去标定操作。
3.本发明测量原理简单，仅通过两次相似三角形原理即可求解待测空间点的三维坐标。
附图说明
图1为一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法的流程图。
图2为本发明空间点深度(在手机相机坐标系下Z轴方向的坐标)测量原理示意图。
图3为本发明的空间点在手机相机坐标系下X、Y轴方向坐标测量原理示意图。
图4为本发明实施例场景示意图。
其中，1为手机相机坐标系，2为成像平面，3为测量平面，4为光轴，5为辅助测量棒，6为待测空间点，7为待测空间点在成像平面上的成像点，8为主点，9为智能手机，10为手机三脚架，11为纸箱。
图中，A、C为辅助测量棒端点，B为光轴与测量平面的交点，a、c为辅助测量棒端点A、C对应的成像点，b为主点，O为相机坐标系原点，XC、YC、ZC分别为相机坐标系的X、Y、Z轴，f为焦距，Z为相机坐标系原点与测量平面的距离。
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单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，架设智能手机，布置辅助测量棒。
本步骤中，选用的智能手机为魅蓝note6，单个正方形像素的边长为Spixel＝1.4×10-3mm，智能手机通过手机三角架架设并且夹紧，根据手机三脚架上的水平仪调整手机三脚架使智能手机的相机成像平面与测量平面平行。本实施例中，6个待测空间点均位于同一个纸箱平面上，辅助测量棒则选取任一与待测空间点处于同一平面的纸箱边缘，辅助测量棒的实际长度为Lrea＝95mm，示意图如图4所示。
步骤二，拍摄测量图像，获取辅助测量棒两端像素坐标。
本步骤中，打开智能手机的相机，待自动对焦完成后点击拍摄按钮完成拍摄，由Photoshop打开拍摄的测量图像，并且放大图像后获取辅助测量棒的两端像素坐标，分别为(u1,v1)＝(1878,1362)、(u2,v2)＝(1899,2201)。
步骤三，根据相似三角形原理计算待测空间点深度。
本步骤中，计算空间点深度之前，需要在智能手机中打开测量图像并且查看其详细信息，获得拍摄时的焦距为f＝3.94mm、图像分辨率为4032×3024，则理论的主点坐标为(u0,v0)＝(2016,1512)。基于步骤一、二、三中所获得的参数，根据如下公式计算获得空间点的深度Z＝318.56mm，实际深度为322mm，计算的原理示意图如图2。
Figure BDA0002983692550000051
步骤四，根据相似三角形原理计算待测空间点坐标。
本步骤中，先通过Photoshop打开测量图像，放大图像后获取6个待测空间点的像素坐标如表1所示。
Figure BDA0002983692550000052
表1待测空间点像素坐标(单位：pixel)
如图3原理所示，根据相似三角形原理，由待测空间点像素坐标、智能手机相机的焦距f＝3.94mm、步骤三所求的深度Z＝318.56mm通过如下两条公式求得待测空间点在手机相机坐标系X、Y轴方向的坐标值。
Figure BDA0002983692550000053
Figure BDA0002983692550000054
所求得的待测空间点在手机相机坐标系下的坐标测量值(第2列)与真实值(第3列)对比如下表2。
Figure BDA0002983692550000055
表2待测空间点三维坐标测量值与真实值对比(单位：mm)
根据表2中的本发明的测量值与真实值结果，计算X、Y、Z轴三个方向的坐标测量绝对误差，结果如表3所示。由表3的绝对误差计算结果可知，X、Y、Z轴三个方向的测量平均绝对误差分别为1.27mm、9.18mm、3.44mm，最大测量绝对误差不超过20mm，测量精度符合要求。
Figure BDA0002983692550000061
表3本发明三维坐标测量绝对误差(单位：mm)
综合上述，本发明实施例中通过智能手机、手机三脚架、纸盒即完成本发明的测量，并且免去了相机标定的步骤，测量的操作步骤少，无需使用专业软件与仪器，测量精度高。总得来说，本发明通过构造成像平面、辅助测量棒与待测空间点所处的平面之间的平行关系，并且借助长度已知的辅助测量棒先求解待测空间点的深度信息，而后借助空间点的深度信息求解空间点剩余坐标轴方向(X、Y轴)的坐标值。本发明由智能手机作为图像采集设备完成测量，充分利用了智能手机强大的拍摄能力，同时免去了繁琐的相机标定，直接利用图像详细信息中的焦距与分辨率(主点坐标)，采用形式不限的辅助测量棒，避免了过于复杂的合作目标。同时，本发明具有简单的测量原理，主要求解原理为相似三角形原理。
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 (10)

1.一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：架设手机三脚架并夹紧智能手机，合适位置布置长度已知的辅助测量棒；
步骤二：打开智能手机的相机拍摄测量图像并获取测量图像中辅助测量棒两端的像素坐标；
步骤三：根据相似三角形原理，由智能手机相机的焦距、辅助测量棒的真实长度与测量图像中的辅助测量棒的长度计算空间点的深度，深度位于手机相机坐标系z轴方向；
步骤四：获取测量图像中待测空间点的像素坐标，根据相似三角形原理，由待测空间点的像素坐标、智能手机相机的焦距、步骤三所求的深度计算空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值。
2.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤一中，合适位置的选取满足：辅助测量棒与待测空间点处于同一测量平面；通过水平仪调整手机三脚架使得智能手机的相机成像平面与测量平面平行。
3.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤一中，辅助测量棒的布置方式为粘贴、悬挂或竖立。
4.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤一中，辅助测量棒为长度已知的直棒。
5.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤二中，测量图像包括完整的辅助测量棒和待测空间点。
6.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：开展步骤三之前，智能手机打开所拍摄的测量图像，查看测量图像的详细信息，获取拍摄时的焦距f与图像分辨率，其中图像分辨率中两边边长的一半即为主点坐标。
7.按照权利要求6所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤三中，相似三角形原理计算公式如下：
Figure FDA0002983692540000021
其中，limg为拍摄的测量图像中辅助测量棒的长度；Lrea为辅助测量棒在空间中实际的长度；f为拍摄测量图像时的手机相机焦距，通过查看测量图像详细信息获得；Z为测量平面到手机相机光心的距离，即待测空间点的深度或待测空间点在手机相机坐标系下的Z轴方向的坐标值；
上述相似三角形原理中，辅助测量棒在测量图像中的长度计算公式如下：
Figure FDA0002983692540000022
其中，Spixel为单个正方形像素的边长，(u1,v1)、(u2,v2)为辅助测量棒两个端点在测量图像中的像素坐标；
则待测空间点的深度计算公式如下：
Figure FDA0002983692540000023
8.按照权利要求7所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤四中，根据相似三角形原理计算待测空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值，计算公式如下：
Figure FDA0002983692540000024
Figure FDA0002983692540000025
其中，X、Y为待测空间点在手机相机坐标系下x、y轴方向的坐标值；(u,v)为待测空间点的像素坐标；(u0,v0)为主点坐标。
9.按照权利要求8所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：忽略智能手机相机畸变，主点坐标看作测量图像的中心点，测量图像分辨率的一半即为主点坐标。
10.按照权利要求1所述的一种单台智能手机免标定的空间点坐标测量方法，其特征在于：步骤一中，辅助测量棒为拍摄场景中长度已知的线条。
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