專利名稱：物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高精度獲得被測物體三維姿態(tài)信息的方法。
背景技術：
傳統(tǒng)精密測量結構體姿態(tài)通常使用角位移傳感器、傾角儀等，其最重要的優(yōu)點 是精度高，國內外都有一定的應用。但這些傳感器的使用有許多限制條件 一是對 被測對象有要求，如材料、結構、剛性等；二是對被測環(huán)境有要求，如溫度、濕度、 風速、空氣成分等；三是對被測對象有影響，必然會改變甚至破壞被測對象結構， 進而影響測量結果；四是傳感器自身整合程度不高，對不同的測量參數(shù)需使用不同 類型的傳感器；此外，還存在安裝、成本、可靠性、重復性等多方面的限制條件。 這些限制條件往往導致測量困難甚至不可測。
姿態(tài)的精密測量在軍事以及民用等很多領域都有重大意義，比方說，在軍事領 域，軍用飛機由于載彈量變化等因素會引起機翼和吊架變形，影響導彈的初始對準 姿態(tài)。大型艦船(或潛艇)由于波浪沖擊、日夜溫差、負載變化、長期老化或戰(zhàn)斗 損傷等因素產(chǎn)生船體變形，進而導致艦載觀測系統(tǒng)的性能下降，艦載武器裝備姿態(tài) 對準精度降低，尤為嚴重的是導致海難的發(fā)生。采用三軸陀螺儀或傳感器測量姿態(tài) 的方法，由于價格昂貴或工作環(huán)境惡劣等原因很難實用。
利用光測方法測量平臺的三維姿態(tài)，是一種原理上可行、經(jīng)濟上實惠的手段。 然而，由于基準平臺與待測結構之間坐標系對準困難，測量精度要求很高，傳統(tǒng)光 測手段不能解決這種高精度的絕對姿態(tài)測量問題。
實際工程中，平臺位置和姿態(tài)精密測量的需求大量存在。以經(jīng)緯儀為例，經(jīng)緯
3儀的測量精度一般要求達到角秒量級，但是由于經(jīng)緯儀基座的不平等導致的系統(tǒng)誤 差就遠遠超過角秒量級。當前采用水平儀、傾角儀等接觸式傳感器測量的模式，需
要將經(jīng)緯儀平臺手動調節(jié)到要求姿態(tài)，費時費力,往往需要幾個小時甚至幾天時間； 而且這只是初始調整， 一旦經(jīng)緯儀開始工作，平臺就開始晃動，此時經(jīng)緯儀姿態(tài)隨 之變動，傳統(tǒng)的方法無法實時測量。進一步來說，對于需要愈加迫切的機動式經(jīng)緯 儀而言，要求快速機動布置、野外作業(yè)、高精度測量，傳統(tǒng)的方法更難以實現(xiàn)這些 要求。最近國外研制的接觸式傳感器測量平臺姿態(tài)的設備，需要在經(jīng)緯儀平臺上布 置幾十個傳感器，安裝復雜不說，造價幾乎比經(jīng)緯儀本身還要貴，實用價值和推廣 價值都不高。
近年來，以計算機技術和數(shù)字圖像處理技術為核心的信息技術得到飛速發(fā)展， 數(shù)字攝像裝置制造工藝水平大幅度提高，這些科技進步使得利用攝像測量方法實施 對物體(大型結構體)姿態(tài)的測量成為可能。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有姿態(tài)測量技術中存在的缺陷，提出一 種物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法，它將攝像測量運用于對被測物體姿態(tài)的測量 中，系統(tǒng)數(shù)字化程度高，可滿足軍事和民用領域中對姿態(tài)進行高精度、非接觸、實 時測量的需要，從而大大提高物體三維姿態(tài)測量水平。
本發(fā)明的技術方案是，所述物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法的實施步驟為
a.在待測物體上設置至少三個互不重合的合作標志，在待測物體外設置交會 測量站且每個合作標志由一組交會測量站測量;所述每組交會測量站由兩臺攝像裝 置組成且該兩臺攝像裝置與相應的被測合作標志不在一條直線上;各交會測量站固 連成平臺；b.準確標定各組交會測量站中每只攝像裝置的參數(shù)，這些參數(shù)包括攝像機的 焦距、鏡頭像差系數(shù)等參數(shù)，并準確標定各組交會測量站之間相對位置姿態(tài)；
C.設置基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系，并利用陀螺儀和傾 角儀完成基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像機坐標系的對準；
d. 各交會測量站對相應的合作標志進行攝像測量，然后匯集各交會測量站的 測量圖像，并利用亞像素圖像定位技術進行圖像處理定位所得圖像中合作標志點的 位置，從而獲得每個標志點在攝像裝置坐標系中的位置；
e. 把合作標志在攝像裝置坐標系中的位置轉換為在基準坐標系中的坐標，從 而三點確定一個平面,如此便最終得到被測物體在基準坐標系中的高精度三維姿態(tài) 信息。
以下對本發(fā)明做出進一步說明。 參見圖1，本發(fā)明方法為
a. 在待測物體(P)上設置至少三個互不重合的合作標志(T)，在待測物體(P) 外設置交會測量站(L)且每個合作標志(T)由一組交會測量站(L)測量；所述 每組交會測量站(L)由兩臺(數(shù)碼)攝像裝置(C)組成且該兩臺攝像裝置(C) 與相應的被測合作標志(T)不在一條直線上；各交會測量站(L)固連成平臺(F);
b. 利用標定塊(M)準確標定各組交會測量站(L)中每只攝像裝置(C)的參 數(shù)，這些參數(shù)包括攝像機光心、光軸、焦距和像差系數(shù)等參數(shù)，并準確標定各組交 會測量站(L)之間相對位置姿態(tài)；如圖2所示為攝影測量學中的坐標系變換原理 圖，其中的基準坐標系、攝像機坐標系和圖像坐標系皆采用右手準則來定義。圖中
o 、化、o分別為基準坐標系(&,L,"、攝像機坐標系(^^^)和圖像坐標系(義,:r)
的原點，坐標系(、，L，0是基準坐標系平移至點化時的坐標系，軸z:是軸z,在平面^、內的投影，"為其與；的夾角，被稱為旁向傾角，^為其與^的夾角，被稱
為航向傾角，軸^為軸 在平面Z7內的投影，其與義軸的夾角為k，被稱為圖像旋角。
利用幾何知識可以得到基準坐標系與攝像機坐標系之間的變換關系如下
、& 。3 —
=及凡
3lr32 r33 —
式l
其中，7 = ^,", 1是基準坐標系原點在攝像機坐標系中的坐標，矩陣R是坐
標旋轉矩陣，其中各項為
rn = cos/ccosp
。2 = sin a: cos ft + cos a: skip sin 6
。3 = sin a: sin必一 cos a: ship cos w
r21 二 —sin a: cos p
r22 =cos/rcos& —sin^sinpsinfi;
r23 = cos/r sinfi) + sin/rsinpcos6>
~ = sinp
r32 = 一cospsinw
r33 = cos p cos必
圖像坐標系與攝像機坐標系的變換關系如下
式2<formula>formula see original document page 6</formula>
綜上，可以建立基準坐標系和圖像坐標系之間的變換關系(也被稱為共線方
程)如下
式3<formula>formula see original document page 6</formula>
但在實際中由于光心、光軸不是物理上的實體，這些參數(shù)在攝像機使用前需 要在基準坐標系中進行高精度標定，且實際中攝像機鏡頭是存在像差的，考慮實際像差時式3變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 7</formula>
在應用中，當物距是焦距的成千上萬倍時，攝像系統(tǒng)一點微小的誤差都將被 放大成千上萬倍，所以對攝像機的光心、光軸、焦距和像差系數(shù)等參數(shù)的高精度標 定是至關重要的。
實際應用中利用圖1中所示的各面網(wǎng)格點坐標已知的標定塊M來標定攝像 機，在標定塊上選取不共面的H^6個點，每個點產(chǎn)生如式4所示的兩個方程，共 ll個參數(shù)需要標定，因此2">11，再利用Weng's標定法可以高精度求解攝像機參
>丄&數(shù)。
c. 設置基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系并利用陀螺儀和傾角 儀完成所述基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系的對準。
對準即是建立各坐標系之間的變換關系，建立坐標旋轉矩陣。如圖2所示坐 標系變換原理圖，在攝像機標定好以后，攝像機光軸的變化即可通過陀螺儀和傾角 儀測量攝像機的w，p，K角獲得，因此也就可以得到坐標旋轉矩陣R，可見完成基準 坐標系、攝像機坐標系和平臺坐標系的對準是最終得到平臺標志點在基準坐標系中 的位置至關重要的一步。
d. 各交會測量站(L)對相應的合作標志(T)進行攝像測量，然后匯集各交 會測量站的測量圖像，并利用亞像素圖像定位技術進行圖像處理定位所得圖像中合 作標志點的位置，從而獲得每個標志點在攝像裝置坐標系中的位置；
e. 把合作標志(T)在攝像裝置坐標系中的位置轉換為在基準坐標系中的坐標， 從而三點確定一個平面,如此便最終得到被測物體在基準坐標系中的高精度三維姿態(tài)信息。
本發(fā)明所述亞像素圖像定位技術可以是以下已有亞像素定位技術之一
1、 使用自適應模板相關濾波法制作參數(shù)可以調整的模板，對每個粗定位點， 首先確定應選模板的參數(shù)，選擇最合適的模板，用所選模板對粗定位點及其鄰域點 進行相關運算，用所得相關系數(shù)擬合曲面，確定最大相關位置；
2、 自適應閾值重心法對于有些目標，可以通過多種圖像處理的方法提取具 有一定面積的目標區(qū)域，并考慮到目標的灰度分布特征，釆用灰度重心法，在目標 區(qū)域內以灰度為權值求出目標區(qū)域的灰度重心作為目標位置，同時采用帶自適應閾 值的高斯分布模板對特征目標進行跟蹤定位。
3、 灰度圖擬合法對于有些目標，還可直接根據(jù)目標圖像的特征，選用合適 的解析曲面，對灰度圖進行曲面擬合，再求出解析曲面的極值位置，從而實現(xiàn)目標 的亞像素精度定位。
由以上可知，本發(fā)明為一種物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法，系統(tǒng)數(shù)字化 程度高，可滿足軍事和民用領域中對物體(特別是大型結構體)三維姿態(tài)進行高精 度、非接觸、實時測量的需要。


圖l本發(fā)明測量方法的原理示意圖，其中L為一組交會站，C為交會站中像 機，F(xiàn)為交會站固連平臺，O為坐標系對準裝置，M為標定塊，P為被測平臺，T 為被測平臺上合作標志；
圖2坐標系變換原理圖3為合作標志的樣式舉例，其中(a)為圓形，(b)為十字絲，(c)為對頂角。
具體實施例方式
參見圖l，圖2，本發(fā)明方法用于檢測公路路面平整度，其步驟為
a. 在待測物體(P)上設置至少三個互不重合的合作標志(T)，在待測物體(P) 外設置交會測量站(L)且每個合作標志(T)由一組交會測量站(L)測量；所述 每組交會測量站(L)由兩臺數(shù)字攝像裝置(C)組成且該兩臺攝像裝置(C)與相
應的被測合作標志(T)不在一條直線上；各交會測量站(L)固連成平臺(F);
b. 利用標定塊(M)準確標定各組交會測量站(L)中每只攝像裝置(C)的參 數(shù)，并準確標定各組交會測量站(L)之間相對位置姿態(tài)；
c. 設置基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系并利用陀螺儀和傾角
儀完成所述基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系的對準；
d. 各交會測量站(L)對相應的合作標志(T)進行照像測量，然后匯集各交 會測量站的測量圖像，并利用亞像素圖像定位技術進行圖像處理定位所得圖像中合 作標志點的位置，從而獲得每個標志點在攝像裝置坐標系中的位置；
e. 把合作標志(T)在攝像裝置坐標系中的位置轉換為在基準坐標系中的坐標， 從而三點確定一個平面，如此便最終得到被測物體在基準坐標系中的高精度三維姿 態(tài)信息。
攝像裝置的選擇與安裝數(shù)字攝像裝置速度快、存儲方便，易于實現(xiàn)后處理 的數(shù)字化、自動化，因此采用數(shù)字攝像裝置(攝像機)比模擬攝像裝置更合適。
合作標志P可以是圓形，也可以是對角形，或十字絲等，如圖3所示，或其 它易于識別的形狀。如果用于夜間作業(yè)，合作標志P可采用發(fā)光光源制作。
處理器選擇設計方案在路面平整度參數(shù)的檢測中，可以采用PC計算機或 DSP處理器，作為圖像存儲、數(shù)據(jù)處理設備。由于DSP處理器速度快、操作簡便，因此更適合用在實際裝置中。在攝像裝置選定，可以根據(jù)攝像裝置的接口方案設計
DSP處理器。
本發(fā)明中，交會測量站(L)站數(shù)以及各交會測量站(L)站具體組成組件
和組合方式可根據(jù)實際測量任務進行選擇。交會測量站(L)的標定可采用對
高精度的標定塊或平臺上的合作標志成像進行。
可在被測物體上設置合作標志，利用陀螺儀、傾角儀等少量設備進行初始
坐標對準。
還可設置同步觸發(fā)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)各交會測量站(L)對合作標志或被測目 標(被測物體)的同步實時采圖。
權利要求
1、一種物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法，其特征是，該方法的步驟為a.在待測物體上設置至少三個互不重合的合作標志，在待測物體外設置交會測量站且每個合作標志由一組交會測量站測量；所述每組交會測量站由兩臺攝像裝置組成且該兩臺攝像裝置與相應的被測合作標志不在一條直線上；各交會測量站固連成平臺；b.準確標定各組交會測量站中每只攝像裝置的參數(shù)，并準確標定各組交會測量站之間相對位置姿態(tài)；c.設置基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像裝置坐標系并利用陀螺儀和傾角儀完成所述基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像機坐標系的對準；d.各交會測量站對相應的合作標志進行攝像測量，然后匯集各交會測量站的測量圖像，并利用亞像素圖像定位技術進行圖像處理定位所得圖像中合作標志點的位置，從而獲得每個標志點在攝像裝置坐標系中的位置；e.把合作標志在攝像裝置坐標系中的位置轉換為在基準坐標系中的坐標，從而三點確定一個平面，如此便最終得到被測物體在基準坐標系中的高精度三維姿態(tài)信息。
2、 根據(jù)權利要求1所述物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法，其特征是，設置 同步觸發(fā)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各交會測量站對合作標志或被測目標的同步實時采圖。
全文摘要
一種物體三維姿態(tài)的精密光學測量方法，包括在待測結構上設置合作標志，在待測結構外設置交會測量站；準確標定交會測量站中攝像機參數(shù)各組交會測量站之間相對位置姿態(tài)；實施基準坐標系、被測平臺坐標系及攝像機坐標系等的對準；應用亞像素定位技術定位圖像目標；將各組交會站的測量結果綜合，高精度的給出被測結構的三維姿態(tài)信息。本發(fā)明在發(fā)揮光測圖像技術精度高、非接觸、成本低等優(yōu)勢的同時，解決了位置與姿態(tài)高精度測量的實際問題，有著廣泛的應用前景。
文檔編號G01B11/30GK101539397SQ200910043128
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權日2009年4月17日
發(fā)明者于起峰, 張小虎, 朱肈昆 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學