CN114659523A - 一种大范围高精度姿态测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种大范围高精度姿态测量方法，包括：获取姿态测量请求指令；根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数；利用更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像；采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心；对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。本公开还提供了一种大范围高精度姿态测量装置、电子设备、存储介质及计算机程序产品。
Description
技术领域
本公开涉及光学测量相关技术领域，具体涉及一种大范围高精度姿态测量方法、装置、电子设备、存储介质及程序产品。
背景技术
随着航空航天、汽车船舶、轨道交通等制造业飞速朝高效智能化方向发展，天文等大科学工程的积极推进与建造升级，卫星安装测量、空间站组装对接测量、飞机零部件装配测量、大型船舶与潜艇的装配对接、基于机器人进行原位精密制孔与测量精密加工等都对姿态测量要求越来越高，大尺寸范围内高精密姿态测量技术已成为重要研究方向。
然而，目前现有技术中缺乏六自由度测量手段，少数先进制造领域现有的六自由度测量仪器全部依赖进口，该设备售价极为高昂，总线/接口、实时性等性能功能存在一定局限，严重影响装备研制的自主可控能力，严重制约了国内制造业的高质量发展。此外，现有技术中对基于激光跟踪的姿态测量技术研究还不够成熟，存在倾角传感器测量范围有限、响应速率较低等问题。因此，针对激光跟踪测量***的大范围高精度姿态测量方法研究具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本公开实施例提供的一种大范围高精度姿态测量方法、装置、电子设备、存储介质及程序产品，该方法基于高分辨率高速采集相机、电动变焦镜头与六自由度合作靶标的单目视觉姿态测量方法，能够实现复杂场景下大范围高精度姿态测量。
本公开的第一个方面提供了一种大范围高精度姿态测量方法，包括：获取姿态测量请求指令；根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，参数包括高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数与畸变系数；获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数；其中，六自由度合作靶标安装于待测物上；利用更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像；采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心；对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。
进一步地，获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数，包括：获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，其中，空间坐标信息至少包括六自由度合作靶标的水平方向坐标值；根据水平方向坐标值调整电动变焦镜头至对应的预置位；根据预置位及InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。
进一步地，InnerArray矩阵根据以下步骤得到：根据激光跟踪仪的最大测量距离L、六自由度合作靶标的表面LED直径大小、高分辨率高速采集相机的像元尺寸，选取电动变焦镜头的倍率；其中，L为实数；按照预置间隔将最大测量距离L设置为M档，调整电动变焦镜头的焦距及调焦位置，使高分辨率高速采集相机在该M档中每一档测量距离均清晰成像，并记录每一档测量距离对应的镜头参数状态；其中，M大于等于L；基于M档及M档中每一档测量距离对应的镜头参数状态，标记电动变焦镜头的预置位为1、2、3、...、M；采用张正友标定法，在每个预置位下拍摄多张不同角度的标定板图像；利用迭代法迭代计算每个预置位下每张标定板图像的标定误差，并每次迭代后剔除每个预置位下多张不同角度的标定板图像中标定误差大于3倍平均误差的标定板图像，直至剩下的标定板图像的标定误差低于第一阈值或连续n次不同角度的标定板图像的标定误差差值低于第二阈值，得到所有的预置位对应的矩阵集合，该矩阵集合为InnerArray矩阵；其中，n大于等于5。
进一步地，采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心，包括：依次采用二值化、图像滤波、边缘提取、局部畸变矫正及加权灰度质心提取待测物图像的LED特征点质心。
进一步地，该方法还包括：将LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算得到的测量结果输出至终端设备进行显示。
进一步地，对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成待测物的测量，包括：采用softPOSIT算法对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成待测物相对于相机坐标系的姿态测量，并根据激光跟踪仪与相机坐标系间的转换关系，解得待测物在激光跟踪仪坐标系下的姿态信息。
进一步地，请求指令为连续帧动态姿态测量指令时，在完成上一帧对应的待测物图像测量完成后，该方法还包括：将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数设置为上一帧待测物图像姿态解算后的测量值；获取当前时刻六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，并根据当前时刻对应的空间坐标信息判断是否进行电动变焦镜头的档位调整；若否，将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数及畸变系数与上一帧待测物图像姿态解算时的内参参数及畸变系数保持一致；并进行当前时刻的图像采集、图像处理及空间姿态解算，完成当前时刻对待测物的测量。
本公开的第二个方面提供了一种大范围高精度姿态测量装置，包括：指令获取模块，用于获取姿态测量请求指令；参数初始化模块，用于根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，该参数包括高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数与畸变系数；参数更新模块，用于获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数；其中，六自由度合作靶标安装于待测物上；图像采集模块，用于利用更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像；特征提取模块，用于采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心；姿态解算模块，用于对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。
本公开的第三个方面提供了一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开的第一个方面提供的大范围高精度姿态测量方法。
本公开的第四个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现本公开的第一个方面提供的大范围高精度姿态测量方法。
本公开的第五个方面提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本公开的第一个方面提供的大范围高精度姿态测量方法。
本公开提供的一种大范围高精度姿态测量方法、装置、电子设备、存储介质及程序产品，该方法基于变焦镜头与六自由度合作靶标的单目视觉姿态测量原理，能够实现复杂场景下大范围高精度姿态测量，姿态角测量范围覆盖方位角/俯仰角±45°、滚动角0°～360°。另外，本方法可以针对大范围内不同的测量半径需求灵活配置镜头焦距范围与六自由度合作靶标大小，以满足测量需求。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的测量***的结构示意图；
图2A～2B分别示意性示出了根据本公开一实施例的六自由度合作靶标的主视图及侧视图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的大范围高精度姿态测量方法的流程图；
图4示意性示出了根据本公开一实施例的高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的标定流程图；
图5示意性示出了根据本公开一实施例的大范围高精度姿态测量装置的方框图；
图6示意性示出了根据本公开一实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行***使用或者结合指令执行***使用。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的测量***的结构示意图，该测量***用以实现如图2所示的大范围高精度姿态测量方法。
如图1所示，该测量***100包括：激光跟踪测量***主机10、六自由度合作靶标20及终端设备30。
具体地，激光跟踪测量***主机10内部集成单目视觉测量模块101及空间坐标测量模块102。其中，单目视觉测量模块101包括高分辨率高速采集相机、电动变焦镜头、嵌入式图像处理板、镜头控制板及供电模块。电动变焦镜头前安装窄带滤光片，仅允许红外LED所在波段的光通过，初步过滤环境与杂光干扰。空间坐标测量模块102用以解算空间坐标信息，然后将结果输入至嵌入式图像处理板解析工作距离信息，在通过镜头控制板控制电动变焦镜头运动，实现大范围姿态测量。嵌入式图像处理板定时触发高分辨率高速采集相机进行图像采集，然后做图像处理与姿态解算后，最终将姿态解算信息输出到终端设备30进行显示。
具体地，如图2A所示，六自由度合作靶标20安装于被测物表面，六自由度合作靶标20表面安装有立体分布的多个红外LED发光点201，多个LED发光点集构建出被测物空间坐标系，用于完成被测物姿态解算。六自由度合作靶标20内部安装LED供电模块；六自由度合作靶标中心安装角锥棱镜，用于完成被测物空间坐标解算与跟踪与空间坐标解算。
如图2A及2B所示，六自由度合作靶标20上设置的多个红外LED发光点201的分布规则为至少为4个非共面发光点，为保证测量精度，可取10～20个中心对称式分布发光点；另外，为保证测量俯仰角α/方位角β角度测量范围内发光点成像互相不干涉，两个相邻的非共面发光点宽度差w与高度差h满足：h＜w·tan(max(α，β))。
需说明的是，图2A及2B仅为多个红外LED发光点201的一种分布方式，红外LED发光点分为三层，个数为6-4-4排列，中心对称式分布在靶标表面。靶标内部安装多个LED供电模块，对LED分组供电。六自由度合作靶标20的表面中心安装角锥棱镜，反射激光跟踪测量***主机发射的激光，用于跟踪与空间坐标解算。
具体地，终端设备30可以为工作站、台式机、笔记本等设备，其与激光跟踪测量***主机10有线或无线电连接，用以显示激光跟踪测量***主机10解算出的测量结果。
需说明的是，上述实施例提供的测量***仅为示例性的说明，其并不构成本公开实施例的限定。
图3示意性示出了根据本公开实施例的大范围高精度姿态测量方法的流程图。如图3所示，该方法可以应用于如图1所示的测量***，具体包括：步骤S301～S306。
在操作S301，获取姿态测量请求指令。
本公开的实施例中，通过单目视觉测量模块101接收来自于终端设备30的姿态测量请求指令，该请求指令用以触发测量***对六自由度合作靶标20进行图像采集，其中，该请求指令中携带预设信息用以初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数。
在操作S302，根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，该参数包括高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数及畸变系数。
本公开的实施例中，根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数，该参数包括高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数及畸变系数。其中，位姿关系参数具体为旋转矩阵R与平移矩阵T；高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数，具体如焦距分别在x轴和y轴上与像元尺寸的比值fx和fy、径向畸变系数及切向畸变系数等。
在操作S303，获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。
本公开的实施例中，获取当前时刻六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，如图1所示，该空间坐标信息至少包括当前时刻激光跟踪仪坐标系原点与六自由度合作靶标坐标系原点的距离l，其中，激光跟踪仪坐标系原点与六自由度合作靶标坐标系原点的最大距离为该测量***的最大测量距离L，l≤L，l、L均为实数。需说明的是，最大测量距离L可以取值为100m、150m、200m或更大距离等，本公开的实施例对此不做限定。
根据本公开的实施例，获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息及InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数，具体包括：获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，其中，空间坐标信息至少包括六自由度合作靶标的水平方向坐标值；根据水平方向坐标值调整电动变焦镜头至对应的预置位；根据预置位及InnerArray矩阵，更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。
具体地，获取当前时刻六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的距离l，根据该距离l调整电动变焦镜头至对应的预置位，然后根据预置位与InnerArray矩阵的对应关系，选取InnerArray矩阵相应行的矩阵信息更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。具体地，距离l与InnerArray矩阵及预置位之间存在预置映射关系，该预置映射关系通过如图4所示的标定流程得到，后续做详细的介绍。
在操作S304，利用更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像。
本公开的实施例中，嵌入式图像处理板定时触发高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标20进行图像采集，具体根据步骤S303中更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标20进行图像采集，得到当前时刻的待测物图像，并回传至嵌入式图像处理板。具体地，定时触发是为了保证空间坐标信息与空间姿态信息的同步，采样间隔不大于0.05s，采集频率为几十赫兹。
在操作S305，采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心。
本公开的实施例中，依次采用二值化、图像滤波、边缘提取、局部畸变矫正及加权灰度质心提取待测物图像的LED特征点质心，其中，局部畸变矫正中，畸变系数为InnerArray矩阵中对应的畸变系数。需说明的是，本公开的实施例对特征具体提取过程不做限定。
在操作S306，对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。
本公开的实施例中，通过嵌入式图像处理板采用softPOSIT算法对特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成待测物相对于相机坐标系的姿态测量，并根据激光跟踪仪与相机坐标系间的转换关系，解得待测物在激光跟踪仪坐标系下的姿态信息。
具体地，姿态角解算过程以被测物绕激光跟踪仪坐标系OL-XLYLZL的定轴俯仰轴XL-方位轴YL-滚动轴ZL顺序定义，俯仰角记为α，方位角记为β，滚动角记为γ，则旋转矩阵R可以表示为：
其中，Rz(γ)、Ry(β)、Rx(α)分别表示z轴方向、y轴方向及x轴方向上的旋转矩阵；r11～r33均表示旋转矩阵R的元素，则可得姿态角可以表示为：
本公开的实施例中，经过畸变矫正的单个LED特征点像素坐标记做(u，v)，在相机坐标系下的坐标记为(XC，YC，f)，在靶标坐标系坐标记为(XT，YT，ZT)，根据相机成像模型可得：
其中，s为缩放因子，f为焦距，平移矩阵t＝[tx，ty，tz]T。
本公开的实施例中，将六自由度合作靶标20上的多个红外LED发光点201的数量记为N，N个红外LED发光点201对应在靶标坐标系下齐次坐标点集记为TP＝[Tp1，Tp2，…，TpN]，其中，Tpi＝[XT，i，YT，i，ZT，i，1]T，i∈[1，N]，TP已知，其中，Tpi表示第i个红外LED发光点201在靶标坐标系下的齐次坐标向量，坐标精度由精密加工方式保证。LED在相机坐标系下坐标由LED特征点像素坐标计算可知，因此将相机坐标系下齐次坐标点集可记为CP＝[Cp1，Cp2…CpN]，其中，Cpi＝[XC，i，YC，i，f，1]T，i∈[1，N]，Cpi表示第i个红外LED发光点201在相机坐标下的齐次坐标向量，因此求解后靶标坐标系相对于相机坐标系下的转换关系满足：
其中，
表示3×3的旋转矩阵；
表示3×1的平移矩阵；0T为1×3的向量，其各元素均为0。
根据激光跟踪仪与相机坐标系间的旋转矩阵
可知待测物在激光跟踪仪坐标系下旋转矩阵R可表示为：
根据上式求解可得当前时刻采集的图像中待测物的姿态关系参数，即旋转矩阵R，进而完成对待测物的姿态测量。
由于工作过程中LED特征点可能存在遮挡、误识别等原因，导致检测到的特征点个数少于N，并且TP与CP元素对应关系未知。基于此，采用SoftPOSIT算法，可以同时解算位姿关系与元素匹配问题，并且在初始位姿状态较好时具有收敛能力强、迭代次数少的优点。
根据本公开的实施例，实时采集的六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的距离l与InnerArray矩阵存在的预置映射关系，该预置映射关系通过如图4所示的标定流程得到，具体包括：步骤S401～S405。
在操作S401，根据激光跟踪仪10的最大测量距离L、六自由度合作靶标20的表面LED直径大小D、高分辨率高速采集相机的像元尺寸d，选取电动变焦镜头的倍率。为保证LED发光点成像的像素直径不小于设计阈值lp，则电动变焦镜头最大焦距fmax满足以下关系：
在操作S402，按照预置间隔将测量距离L设置为M档，调整电动变焦镜头的焦距及调焦位置，使高分辨率高速采集相机在该M档中每一档测量距离均清晰成像，并记录每一档测量距离对应的镜头参数状态；其中，M≥L。
本公开的实施例中，该预置间隔与最大测量距离L有关，以保证每个成像距离范围下均清晰成像。举例而言，当最大测量距离L较大时，预置间隔可设置的相对较大一点，例如当最大测量距离L为100m时，预置间隔可以设置为1m，此时对应的档位M为100；当最大测量距离L较小时，预置间隔可设置的相对较小一点，例如当最大测量距离L为20m时，预置间隔可以设置为0.25m，此时对应的档位M为50。需说明的是，L取值100m或20m与其对应的预置间隔1m或0.25m仅为示例性的说明，其并不构成本公开实施例的限定。
沿用上述实施例，将最大测量距离100m按照间隔1m设置的档位M为100，则每一档对应的测量范围分别为0～1m、1m～2m、2m～3m、...、99m～100m，即100档中第1档对应的测量范围为0～1m，第2档对应的测量范围为1m～2m，第3档对应的测量范围为2～3m，依此类推下去，第100档对应的测量范围为99m～100m。对于第1档～第100档的测量范围，分别调整镜头焦距、调焦位置，使相机在该测量距离内的每一档均成像清晰并标记镜头参数状态。
需说明的是，若发现预置间隔为1m时设置档位存在成像不清晰的现象，即近距离工作时，电动变焦镜头景深较小，可适当减小预置间隔大小，以增加电动变焦镜头的档位M。
在操作S403，基于M档及M档中每一档测量距离对应的镜头参数状态，标记电动变焦镜头的预置位为1、2、3、...、M。
本公开的实施例，根据步骤S402中的档位设置及对应的镜头焦距、调焦位置，使相机在该工作距离内成像清晰并标记镜头预置位为1、2、3、...、M。沿用上述实施例，对于测量距离L为100m，档位为100，则将第1档测量范围0～1m对应的镜头预置位标记为1，第2档测量范围1～2m对应的镜头预置位标记为2，第3档测量范围2～3m对应的镜头预置位标记为3，以此类推下去，第100档测量范围99～100m对应的镜头预置位标记为100。
在操作S404，采用张正友标定法，在每个预置位下拍摄多张不同角度的标定板图像。
本公开的实施例中，采用张正友标定法，在每个预置位下拍摄多张不同角度的标定板图像可以是在每个预置位下拍摄20～50张不同角度标定板图片。沿用上述实施例，若每个预置位下拍摄50张不同角度标定板图片，将100个预置位中每个预置位下拍摄的50张图片设为一组，共100组。
在操作S405，利用迭代法迭代计算每个预置位下每张标定板图像的标定误差，并每次迭代后剔除每个预置位下多张不同角度的标定板图像中标定误差大于3倍平均误差(该平均误差表示每次迭代时所有标定板图像的标定误差的平均值)的标定板图像，直至剩下的标定板图像的标定误差低于第一阈值或连续n次不同角度的标定板图像的标定误差差值低于第二阈值，得到所有的预置位对应的矩阵集合，该矩阵集合为InnerArray矩阵。
本公开的实施例中，分别对每一组图片进行标定。在每一组内，利用迭代法迭代计算每张标定板图像的标定误差，每次迭代后剔除S404中获取的50张不同角度的标定板图像中标定误差大于3倍平均误差的标定板图像，多次迭代后直至剩下的标定板图像的标定误差低于第一阈值或连续n次不同角度的标定板图像的标定误差差值低于第二阈值，得到所有的预置位对应的矩阵集合，该矩阵集合为InnerArray矩阵。具体地，第一阈值可以为0.005个像素等，第二阈值可以为1×10-4，当剩下的标定板图像的标定误差低于0.005个像素或连续5次不同角度的标定板图像的标定误差差值低于1×10-4，则说明迭代趋于稳定，最终获得精确高分辨率高速采集相机-电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。
优选地，步骤S404中标定板选用多个不同尺寸高精度棋盘格标定板，尽量使标定板占据相机视场3/4以上，但不超出视场范围。标定最终结果为各预置位的内参参数与畸变系数的集合，即InnerArray矩阵可以表示为：
Ij＝[fx，j fy，j u0，j v0，j k1，j k2，j k3，j p1，j p2，j]
其中，I1、I2、...、IM分别表示第一预置位、第二预置位、...、第M预置位对应的InnerArray子矩阵；Ij表示第j个预置位对应的InnerArray子矩阵，j∈[1，M]；fx，j表示焦距与x轴像元尺寸的比值；fy，j表示焦距与y轴像元尺寸的比值，即，
fj表示第j预置位处的焦距，dx与dy分别表示相机在x轴与y轴上的像元尺寸；(u0，j，v0，j)为相机坐标系原点的像素坐标；k1，j、k2，j、k3，j分别表示电动变焦镜头在j预置位的径向畸变系数；p1，j、p2，j分别表示电动变焦镜头在j预置位的切向畸变系数。
本公开的实施例中，通过高分辨率高速采集相机-电动变焦镜头的标定过程，可以得到每个预置位下对应的InnerArray子矩阵I1、I2、...、IM，然后构成InnerArray矩阵，InnerArray矩阵表征每个预置位与其对应的内参参数及畸变系数的映射关系。在实际成像过程中，可通过实时获取的空间坐标信息更新电动变焦镜头至对应的预置位，然后根据该预置位与InnerArray矩阵的对应关系，选取InnerArray矩阵中相应行的矩阵信息更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数，参数更新后高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集。该标定过程解决了现有电动变焦镜头大多为开环控制结构、运动位置难以控制及产品参数难以拟合等问题。
本公开的实施例中，为给出一个较好的初始位姿状态，本公开的实施例中每次姿态解算的初始位姿关系为上一帧解算结果。首次测量的初始位姿状态中的平移矩阵为六自由度合作靶标的空间坐标测量值，旋转矩阵设置在步骤S301初始化过程中迭代完成，给定一初值R＝Rz(γ)Ry(β)Rx(α)，(α，β，γ∈(0°，5°))，并将六自由度合作靶标20从相应状态转动至所需的初始状态，同时运行SoftPOSIT算法收敛到合适的初始位姿状态。
根据本公开的实施例，当该请求指令为连续帧动态姿态测量指令时，在完成上一帧对应的待测物图像测量完成后，即对应步骤S301～S306，该方法还包括：
在操作S501，将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数设置为上一帧待测物图像姿态解算后的测量值。
本公开的实施例中，在进行连续动态姿态测量的过程中，在进行当前帧姿态测量时将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数设置为上一帧待测物图像姿态解算后的测量值，即将当前帧位姿关系参数中的旋转矩阵R’与平移矩阵T’设置为上一帧待测物图像姿态解算后得到的旋转矩阵R与平移矩阵T。
在操作S502，获取当前时刻六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，并根据当前时刻对应的空间坐标信息判断是否进行电动变焦镜头的档位调整。
本公开的实施例中，获取当前时刻六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，记当前帧下六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的距离为l’，根据该距离l’与上一帧对应的距离l判断是否进行电动变焦镜头档位调整，即当当前帧的距离l’与上一帧对应的距离l处于同一档位对应的测量范围内时，则代表电动变焦镜头不需要档位调整；否则，代表需进行档位调整。
在操作S503，若否，将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数与上一帧待测物图像姿态解算时的的内参参数与畸变系数保持一致；再根据步骤S304～S306依次进行当前时刻的图像采集、图像处理及空间姿态解算，完成当前帧下对待测物的测量。
在操作S504，若是，根据当前时刻对应的空间坐标信息更新完成电动变焦镜头的档位调整，并依据InnerArray矩阵更新当前时刻高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数；再根据步骤S304～S306依次进行当前时刻的图像采集、图像处理及空间姿态解算，完成当前帧下对待测物的测量。
本公开的实施例中，连续帧动态姿态测量下每一帧时刻对应获取的空间坐标信息中的距离l均在激光跟踪仪最大测量距离L内，以满足实时获取的距离均处于M中各档对应的测量范围内，进而根据InnerArray矩阵可以进行对应的参数调整，以完成每一帧高清图像的采集，便于后续进行图像处理与测量，完成待测物的动态测量。
本公开提供的一种大范围高精度姿态测量方法，该方法通过高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的标定过程生成的InnerArray矩阵，基于实时采集的图像中空间坐标信息及InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数，能够实现复杂场景下大范围高精度姿态测量，姿态角测量范围覆盖方位角/俯仰角±45°、滚动角0°～360°。另外，本方法可以针对大范围内不同的测量半径需求灵活配置镜头焦距范围与六自由度合作靶标大小，以满足测量需求。
需说明的是，上述实施例中的举例而言仅为示例性的说明，其均不构成本公开实施例的限定。
图5示意性示出了根据本公开实施例的大范围高精度姿态测量装置的方框图。
如图5所示，该大范围高精度姿态测量装置500包括：指令获取模块510、参数初始化模块520、参数更新模块530、图像采集模块540、特征提取模块550及姿态解算模块560。该装置500可以用于实现参考图3所描述的大范围高精度姿态测量方法。
指令获取模块510，用于获取姿态测量请求指令。该指令获取模块510例如可以用于执行上文参考图3所描述的S301步骤，在此不再赘述。
参数初始化模块520，用于根据请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，该参数包括高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数与畸变系数。该参数初始化模块520例如可以用于执行上文参考图3所描述的S302步骤，在此不再赘述。
参数更新模块530，用于获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据空间坐标信息与InnerArray矩阵更新高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数；其中，六自由度合作靶标安装于待测物上。该参数更新模块530例如可以用于执行上文参考图3所描述的S303步骤，在此不再赘述。
图像采集模块540，用于利用更新参数后的高分辨率高速采集相机对六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像。该图像采集模块540例如可以用于执行上文参考图3所描述的S304步骤，在此不再赘述。
特征提取模块550，用于采用数字图像处理算法提取待测物图像的LED特征点质心。该特征提取模块550例如可以用于执行上文参考图3所描述的S305步骤，在此不再赘述。
姿态解算模块560，用于对LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。该姿态解算模块560例如可以用于执行上文参考图3所描述的S306步骤，在此不再赘述。
根据本公开的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上装置、基板上的装置、封装上的装置、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
例如，指令获取模块510、参数初始化模块520、参数更新模块530、图像采集模块540、特征提取模块550及姿态解算模块560中的任意多个可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，指令获取模块510、参数初始化模块520、参数更新模块530、图像采集模块540、特征提取模块550及姿态解算模块560中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上装置、基板上的装置、封装上的装置、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，指令获取模块510、参数初始化模块520、参数更新模块530、图像采集模块540、特征提取模块550及姿态解算模块560中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
图6示意性示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框图。图6示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图6所示，本实施例中所描述的电子设备600，包括：处理器601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器601例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器601还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器601可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
在RAM 603中，存储有电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理器601、ROM602以及RAM 603通过总线604彼此相连。处理器601通过执行ROM 602和/或RAM 603中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM602和RAM 603以外的一个或多个存储器中。处理器601也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
根据本公开的实施例，电子设备600还可以包括输入/输出(I/O)接口605，输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。电子设备600还可以包括连接至I/O接口605的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
根据本公开的实施例，根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被处理器601执行时，执行本公开实施例的装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的装置、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/装置中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/装置中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的大范围高精度姿态测量方法。
根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 602和/或RAM 603和/或ROM 602和RAM 603以外的一个或多个存储器。
本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机装置中运行时，该程序代码用于使计算机装置实现本公开实施例所提供的大范围高精度姿态测量方法。
在该计算机程序被处理器601执行时执行本公开实施例的装置/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的装置、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分609被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被处理器601执行时，执行本公开实施例的装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的装置、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
需要说明的是，在本公开各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的装置来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，包括：
获取姿态测量请求指令；
根据所述请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，所述参数包括所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数与畸变系数；
获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据所述空间坐标信息与InnerArray矩阵更新所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的所述内参参数与所述畸变系数；其中，所述六自由度合作靶标安装于待测物上；
利用更新参数后的所述高分辨率高速采集相机对所述六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像；
采用数字图像处理算法提取所述待测物图像的LED特征点质心；
对所述LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。
2.根据权利要求1所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，所述获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据所述空间坐标信息与InnerArray矩阵更新所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的所述内参参数与所述畸变系数，包括：
获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，其中，所述空间坐标信息至少包括所述六自由度合作靶标的水平方向坐标值；
根据所述水平方向坐标值调整所述电动变焦镜头至对应的预置位；
根据预置位及所述InnerArray矩阵更新所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的内参参数与畸变系数。
3.根据权利要求2所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，所述InnerArray矩阵根据以下步骤得到：
根据所述激光跟踪仪的最大测量距离L、所述六自由度合作靶标的表面LED直径大小及所述高分辨率高速采集相机的像元尺寸，选取所述电动变焦镜头的倍率；其中，L为实数；
按照预置间隔将所述最大测量距离L设置为M档，调整所述电动变焦镜头的焦距及调焦位置，使所述高分辨率高速采集相机在该M档中每一档测量距离均清晰成像，并记录每一档测量距离对应的镜头参数状态；其中，M大于等于L；
基于所述M档及所述M档中每一档测量距离对应的镜头参数状态，标记所述电动变焦镜头的预置位为1、2、3、...、M；
采用张正友标定法，在每个预置位下拍摄多张不同角度的标定板图像；
利用迭代法迭代计算所述每个预置位下每张标定板图像的标定误差，并每次迭代后剔除所述每个预置位下多张不同角度的标定板图像中标定误差大于3倍平均误差的标定板图像，直至剩下的标定板图像的标定误差低于第一阈值或连续n次不同角度的标定板图像的标定误差差值低于第二阈值，得到所有的预置位对应的矩阵集合，该矩阵集合为所述InnerArray矩阵；其中，n大于等于5。
4.根据权利要求1所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，所述采用数字图像处理算法提取所述待测物图像的LED特征点质心，包括：
依次采用二值化、图像滤波、边缘提取、局部畸变矫正及加权灰度质心提取所述待测量图像的LED特征点质心。
5.根据权利要求1所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，该方法还包括：
将所述LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算得到的测量结果输出至终端设备进行显示。
6.根据权利要求1所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，所述对所述LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成待测物的测量，包括：
采用softPOSIT算法对所述LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成待测物相对于相机坐标系的姿态测量，并根据激光跟踪仪与相机坐标系间的转换关系，解得待测物在激光跟踪仪坐标系下的姿态信息。
7.根据权利要求1所述的大范围高精度姿态测量方法，其特征在于，所述请求指令为连续帧动态姿态测量指令时，在完成上一帧对应的待测物图像测量完成后，该方法还包括：
将高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数设置为上一帧待测量图像姿态解算后的测量值；
获取当前时刻所述六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，并根据当前时刻对应的空间坐标信息判断是否进行所述电动变焦镜头的档位调整；
若否，将所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的所述内参参数及所述畸变系数与上一帧待测物图像姿态解算时的内参参数及畸变系数保持一致；并进行当前时刻的图像采集、图像处理及空间姿态解算，完成当前时刻对待测物的测量。
8.一种大范围高精度姿态测量装置，其特征在于，包括：
指令获取模块，用于获取姿态测量请求指令；
参数初始化模块，用于根据所述请求指令中携带的预设信息初始化高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的参数；其中，所述参数包括所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的位姿关系参数、内参参数与畸变系数；
参数更新模块，用于获取六自由度合作靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间坐标信息，根据所述空间坐标信息与InnerArray矩阵更新所述高分辨率高速采集相机与电动变焦镜头的所述内参参数与所述畸变系数；其中，所述六自由度合作靶标安装于待测物上；
图像采集模块，用于利用更新参数后的所述高分辨率高速采集相机对所述六自由度合作靶标进行图像采集，得到待测物图像；
特征提取模块，用于采用数字图像处理算法提取所述待测物图像的LED特征点质心；
姿态解算模块，用于对所述LED特征点质心进行特征点匹配及空间姿态解算，完成对待测物的测量。
9.一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至7中任一项所述的大范围高精度姿态测量方法。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7中任一项所述的大范围高精度姿态测量方法。
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