CN209877942U - 像距测量仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种像距测量仪,像距测量仪包括机身，所述机身中设置有镜头以及与所述镜头相对应的图像传感器，所述机身中还设置有激光测距仪，从该像距测量仪出射的、由所述激光测距仪产生的激光束与所述镜头的主光轴同轴。本申请运用多站多类数据融合处理的思路，将数字图像与测距值进行整体求解，通过激光测距仪的高精度测距值来为图像测量提供尺度基准及尺度约束，从而提高最终的测量精度。

Description

像距测量仪

技术领域

本申请涉及一种像距测量仪。

背景技术

近景工业摄影测量是采用摄像机通过在不同的位置和方位获取同一物体的2幅以上的数字图像，经计算机图像特征提取、定位、匹配等处理及相关数学计算后得到的待测物体精确三维位置。具有非接触、远程、快速等优点，在汽车、飞机以及大型天线的加工检测中都有着广泛的应用。比较成熟的***有德国AICON 3D公司的DPA***、美国GSI公司的VSTAR***、德国GOM公司的TRITOP***、挪威MetroNor公司的SOLO***。

数字近景工业摄影测量***测量前，一般在被测物体表面粘贴或者投射测量标志，利用这些测量标志来对被测物体上的待测位置进行有效识别和精确定位，通过多站位不同角度的拍照，利用“三角形交会”原理，每一个待测点至少要被两条摄影光束相交才可解，如果有三条以上的摄影光线交会待测点，其精度显然要提高，而且可靠性也会相应提高。

“三角形交会”法测量精度受交会角的影响相当大，交会角为90°时测量精度最好，交会角越小或者越大其精度也越低。同时，由于数字近景工业摄影测量***的测量标志一般为圆形回光反射标志，如果相机拍照时的入射角太大，一方面会造成标志点的影像太暗而影响像点中心定位，从而降低***的测量精度；另一方面，会使得圆形标志经过相机镜头成像后为椭圆，并在椭圆图像中心与圆形标志中心之间形成较大的偏心差，从而降低***的测量精度。因此，数字近景工业摄影测量***在测量时入射角不要太大。为了在交会角质量和标志入射角质量间“平衡”，使得两者均可接受，通常可以使相机间的交会角成90°。在实际测量中，为了提高标志的成像质量，相机间的交会角往往小于90°，这样会造成相机与被测物体的夹角往往经常小90°，这会造成沿相机拍摄方向上测量的精度较低。

同时，现有数字近景工业摄影测量***完全采用图像交会来进行空间定位，没有尺度基准，通常采用一根标准杆来进行尺度基准的确定，在实际测量中，被测物体尺寸往往远超标准杆的尺寸，采用小的尺度基准来确定的大的空间尺寸，这样无法达到较高精度。

发明内容

本申请的目的是：针对上述技术问题，本申请提出一种像距测量仪，以提高摄影测量的精度。

为了达到上述目的，本申请的技术方案是：

一种像距测量仪,包括机身，所述机身中设置有镜头以及与所述镜头相对应的图像传感器，所述机身中还设置有激光测距仪，从该像距测量仪出射的、由所述激光测距仪产生的激光束与所述镜头的主光轴同轴。

所述机身中还设置有激光偏转镜，所述激光测距仪发出的激光束经所述激光偏转镜偏转处理后而得到与所述镜头的主光轴同轴的激光出射光束。

于所述机身中的所述激光偏转镜可在第一位置和第二位置之间调节；

当所述激光偏转镜处于所述镜头和所述图像传感器之间的所述第一位置时，所述激光测距仪发射的激光束经所述激光偏转镜偏转处理后而得到与所述镜头的主光轴同轴的激光出射光束；

当所述激光偏转镜处于所述第二位置时，从所述镜头进入的环境光线不经过所述激光偏转镜而直接射向所述图像传感器。

当所述激光偏转镜处于所述第一位置时，所述激光偏转镜将所述激光测距仪产生的激光束进行90°偏转。

所述镜头的主光轴与所述图像传感器的像平面垂直。

定义所述镜头的光学中心定义为像距仪的仪器中心，则所述激光测距仪所测得的目标距离为所述仪器中心至目标的距离。

所述机身中设置有用于将所述激光偏转镜在所述第一位置和第二位置之间调节的重复定位装置。

本申请的优势在于：

本申请设计的像距仪，在加工制造的过程中，严格要求激光测距仪的出射光线与镜头的主光轴同轴，同时，镜头的主光轴与图像传感器的像平面垂直。通过在加工制造以及后期校准补偿的方法实现上述几何关系。因此，在像距测量仪单站拍照的过程中，同时对单个点进行测距，可以提高此点在像距仪拍摄方向的精度。同时，采用像距仪自身的高精度激光测距值，提供了图像解算时的距离基准及距离约束，替代了现有的技术采用的短基准杆，增大了大尺寸距离约束的范围，进一步提高了精度。

附图说明

图1为本申请实施例这种像距测量仪

的结构示意图。

其中：1-机身，2-镜头，3-图像传感器，4-激光测距仪，5-激光偏转镜。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。

然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。

此外，本文中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说，易于理解与本文提供的实施例有关的方法的步骤或操作顺序还可以改变。因此，附图和实施例中的任何顺序仅仅用于说明用途，并不暗示要求按照一定的顺序，除非明确说明要求按照某一顺序。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

图1示出了本申请这种像距测量仪(即图像和距离的测量仪)的一个具体实施例，该像距测量仪包括传统工业摄影测量设备所具有的机身1，机身1中设置有镜头2以及与镜头相对应的图像传感器3。

本实施例的关键改进在于：上述机身1中还设置有一激光测距仪4，从该像距测量仪出射的、由前述激光测距仪4产生的激光束与镜头2的主光轴同轴。

考虑到镜头2的主光轴应当与图像传感器3的像平面垂直，从而获得最优的图像拍摄质量。如果使直接由激光测距仪4发生的激光束与镜头2的主光轴同轴布置，那么至少会存在以下两个问题之一：

问题一：若激光测距仪4布置在镜头2和图像传感器3之间，会因激光测距仪4的遮挡，而导致图像传感器3不能接收从镜头2处进入的光线，无法完成图像拍摄。

问题二：若图像传感器3布置在镜头2和激光测距仪4之间，会因图像传感器3的遮挡，而导致激光测距仪4发射的激光束无法从镜头出射出，从而不能完成对目标体的测距。

如果上述激光测距仪4或图像传感器3在机身1中的安装位置可调，那么就可以通过调节激光测距仪4或图像传感器3的位置，而使得拍摄时激光测距仪4不会遮挡从镜头2进入的光线，测距时图像传感器3不会遮挡激光测距仪4发射的激光束。

不过，因激光测距仪4和图像传感器3的体型都比较大，若要保证激光测距仪4或图像传感器3在机身1中的安装位置可调，必然会将机身1的体型设置的非常大，其缺点明显。

针对上述问题，本实施例采用了一种简便有效的解决方法：在机身1中还设置有一激光偏转镜5，激光测距仪4发出的激光束(原始激光束)经激光偏转镜5偏转处理后而得到与镜头2的主光轴同轴的激光出射光束。于机身1中的上述激光偏转镜5可在第一位置和第二位置之间调节并且前述第一位置位于镜头1和所述图像传感器3之间。机身1中设置有用于将激光偏转镜5在第一位置和第二位置之间调节的重复定位装置。

当激光偏转镜5处于镜头1和图像传感器3之间的上述第一位置时，激光测距仪4发射的激光束经激光偏转镜5偏转处理后而得到与镜头2的主光轴同轴的激光出射光束。即激光偏转镜5发出的原始激光束并不直接与镜头2的主光轴同轴，而是经过激光偏转镜5的偏转处理后而得到与镜头2的主光轴同轴的激光出射光束。

更具体地，如图1所示，当激光偏转镜5处于上述第一位置时，激光偏转镜5将激光测距仪4产生的激光束进行90°偏转。也就是说，激光偏转镜5发出的原始激光束与镜头2的主光轴垂直。

当激光偏转镜5从第一位置移除而处于上述第二位置时，从镜头2进入的环境光线不会经过激光偏转镜5，而直接射向图像传感器3。

不过，如果将激光偏转镜5设置的足够小，从而不影响镜头2的入射光在图像传感器3上的成像质量，这种情况下激光偏转镜5可以固定在一个位置不动。

镜头2的主光轴与图像传感器3的像平面垂直，以获得最佳的拍摄质量。

定义镜头2的光学中心定义为像距仪的仪器中心，则激光测距仪4所测得的目标距离为仪器中心至目标的距离。

采用本实施例这种像距测量仪进行像距测量时，依次以下步骤：

1)首先将像距测量仪布置在第一测量站位，在该第一测量站位，将从像距测量仪出射的、由激光测距仪4产生的激光束先后对准被测物体上的多个(越多越好)目标点，从而分别测量出被测物体上多个目标点的距离值；并且，在该第一测量站位，还要将像距测量仪的镜头2从不同角度指向被测物体，以对被测物体先后拍摄多张照片，并保证所拍摄的照片中包含被测物体上至少一个目标点的照片。如此，获得了被测物体上多个目标点与第一测量站位的距离值以及在第一测量站位拍摄的被测物体上多个目标点的图像。

上文所说的对被测物体上各个目标点距离值“先后测量”，并不是指在测量一个目标点距离值之后紧接着测量下个目标点的距离值直至所有目标点距离值连续测量完毕。同样，上文所说的对被测物体上各个目标点“先后拍摄”，也并不是指在拍摄一个目标点之后紧接着拍摄下个目标点直至所有目标点连续拍摄完成。而是指各目标点的距离测量及图形拍摄依次进行，不可能同时间点进行。上述个目标点距离的测量及图像的拍摄，可以相互穿插进行，也可以在测量所有目标点距离值之后，再对目标点进行拍摄。

具体在本实施例中，我们先对第一个目标点进行测距，像距测量仪固定不动，紧接着对该第一个目标点进行拍照。然后对第二个目标点进行测距，像距测量仪固定不动，紧接着对该第二个目标点进行拍照。如此操作的好处在于，像距测量仪对同一个目标点进行测距和拍摄时的位置和角度完全一致，保证了后序对被测物体模型的计算精度。

如果不对被测物体上的目标点进行处理，而直接将像距测量仪的激光束射向被测物体的目标点(即被测物体本身的位置点)，可能存在射向目标点的激光束只能少量地或者完全不能反射至像距测量仪，导致测距质量和精度差。故而本实施例先在被测物体上目标点的位置布置球形的激光测距标识体，然后利用像距测量仪测量激光测距标识体的距离值，所测得的激光测距标识体的距离值视为对应目标点的距离值激光测距标识体具有很好的激光反射能力，能够将其接收的激光束大量反射至像距测量仪，以准确测出距离值。

同理，如果不对被测物体上的目标点进行处理，而直接对被测物体的目标点(即被测物体本身的位置点)进行拍照，难以保证拍摄图像的质量，且很难辨识出图像中目标点的位置。故而本实施例先在被测物体上目标点的位置布置球形的摄影标识体，然后利用像距测量仪拍摄摄影标识体，所拍摄的摄影标识体的图像视为对应目标点的图像。

2)将像距测量仪转移至下一测量站位(即将像距测量仪移动至下一测量位置)，重复上述步骤1)。

3)重复上述步骤2)若干次，从而在多个测量站位分别测量出被测物体上各个目标点的距离值，在多个测量站位分别对被测物体上各个目标点拍照。从而获得了被测物体上各个目标点与各个测量站位的距离值以及在各个测量站位拍摄的被测物体上各个目标点的图像。

4)多站测量完成后，将所有单站拍摄的图像以及与所测得的距离值一起进行整体计算，具体如下：

像素坐标系o_p-uv和像平面坐标系o-xy用于表示像点在像平面上的位置，像素坐标系o_p-uv建立在图像平面上，以图像左上角o_p为坐标原点，像素为坐标单位，每一个像素点坐标(u,v)表示该像素点在图像上的行数和列数；为了建立物体空间三维坐标与图像空间二维坐标间的透视投影关系，需要将像素坐标转换为以mm单位表示的像平面坐标系o-xy，以光学镜头的主光轴与图像传感器的像平面的交点o为原点，x轴、y轴分别和图像像素坐标系的u轴、v轴平行；像平面坐标系和像素坐标系之间的转化关系如下：

式(1)中，dx和dy为每一个像素分别在行向和列向上的物理尺寸；u₀和v₀为像主点在像素坐标系下的坐标。

像空间坐标系S-xyz用于表示像点在像方空间的位置，其固定在光学镜头和图像传感器上，以光学镜头投影中心S和图像传感器为基础；像空间坐标系S-xyz的原点为光学镜头的投影中心S，z轴和光学镜头的主光轴重合，垂直于像平面,x轴、y轴分别和所述像平面坐标系的x轴和y轴平行，So为光学镜头的有效焦距f。

物方坐标系O-XYZ，也称为全局坐标系，用于描述被测目标在物方空间的位置。

设物方点P在物方坐标系下的坐标(X,Y,Z)，在像空间坐标系下的坐标为(X′,Y′,Z′)，其对应的像点p在像空间坐标系中的坐标为(x,y,-f)，投影中心S在物方坐标系下的坐标(X_S,Y_S,Z_S)；根据物方点、投影中心、像点的三点共线条件，得到物方坐标系与像空间坐标系的转化关系以及物方点坐标与像点坐标的关系:

式(2)中，R为像空间坐标系向物方坐标系转化的的旋转矩阵，旋转矩阵的表达可以用绕三个坐标轴的旋转角(ε_x,ε_y,ε_z)来表示,一般也写成R＝R_x·R_y·R_z。

设定旋转的正方向为右手螺旋方向，即从该轴正半轴向原点看是逆时针方向，R为正交矩阵，R^-1＝R^T；λ为比例因子。

由于相机的实际成像中，像点在像平面上相对其理论位置存在偏差(Δx,Δy)；将上式(2)展开并消去比例因子，同时，顾及像点***误差的影响，可以得到共线方程式：

常用的像点***误差模型可以为10参数模型，除了像主点偏差(x₀,y₀)和相机有效焦距f外，还包括镜头形状加工误差引起的径向畸变(k₁、k₂、k₃)、镜头组光心装配误差引起的偏心畸变(p₁、p₂)、以及像素的长宽尺度比例因子以及像平面x轴和y轴不正交引起的像平面畸变(b₁、b₁)；采用10参数模型，像点的***误差如下:

式(4)中，

本实施例运用多站多类数据融合处理的思路，将数字图像与测距值进行整体求解，通过激光测距仪的高精度测距值来为图像测量提供尺度基准及尺度约束，从而提高最终的测量精度。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (7)

1.一种像距测量仪，包括机身（1），所述机身（1）中设置有镜头（2）以及与所述镜头相对应的图像传感器（3），其特征在于，所述机身（1）中还设置有激光测距仪（4），从该像距测量仪出射的、由所述激光测距仪（4）产生的激光束与所述镜头（2）的主光轴同轴。

2.根据权利要求1所述的像距测量仪，其特征在于，所述机身（1）中还设置有激光偏转镜（5），所述激光测距仪（4）发出的激光束经所述激光偏转镜（5）偏转处理后而得到与所述镜头（2）的主光轴同轴的激光出射光束。

3.根据权利要求2所述的像距测量仪，其特征在于，于所述机身（1）中的所述激光偏转镜（5）可在第一位置和第二位置之间调节；

当所述激光偏转镜（5）处于所述镜头（2）和所述图像传感器（3）之间的所述第一位置时，所述激光测距仪（4）发射的激光束经所述激光偏转镜（5）偏转处理后而得到与所述镜头（2）的主光轴同轴的激光出射光束；

当所述激光偏转镜（5）处于所述第二位置时，从所述镜头（2）进入的环境光线不经过所述激光偏转镜（5）而直接射向所述图像传感器（3）。

4.根据权利要求3所述的像距测量仪，其特征在于，当所述激光偏转镜（5）处于所述第一位置时，所述激光偏转镜（5）将所述激光测距仪（4）产生的激光束进行90°偏转。

5.根据权利要求1所述的像距测量仪，其特征在于，所述镜头（2）的主光轴与所述图像传感器（3）的像平面垂直。

6.根据权利要求1所述的像距测量仪，其特征在于，定义所述镜头（2）的光学中心定义为像距仪的仪器中心，则所述激光测距仪（4）所测得的目标距离为所述仪器中心至目标的距离。

7.根据权利要求3所述的像距测量仪，其特征在于，所述机身（1）中设置有用于将所述激光偏转镜（5）在所述第一位置和第二位置之间调节的重复定位装置。