专利名称：大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法及基准装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及摄影测量技术，尤其是一种大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法
及基准装置。
背景技术：
随着现代工业的迅速发展，需要对大型物件进行精密三维测量，由于大型物件的 测量范围大、精度要求高、现场动态测量，致使基于三坐标测量机(C匪)的测量技术无法满 足，因此产生了现场数字摄影测量技术。 目前国内外关于数字摄影测量的研究主要集中在一些关键技术上，包括摄像机 内、外方位参数的现场自标定技术及解算方法；测量网络的精度评定技术及方法；实现系 统测量自动化的图像匹配技术等。其中，数字摄影测量精度评定的研究包括以下两个方面 (1)将摄影测量环节中的误差因素进行独立分析，如相机标定、站位夹角、测点中心定位等 因素分别对摄影测量精度的影响，尚未建立完善的摄影测量空间误差模型；(2)采用定长 标尺在摄影测量现场检测评定系统的测量精度。由于数字摄影测量系统复杂并且具有可柔 性，尤其是现场大尺寸测量的数字摄影测量系统由于受相机性能、被测物、测量网络布局、 测量软件性能等多种因素影响，造成误差来源复杂，各种误差因素相互关联，定长标尺的尺 寸及所放置的位置不同会直接影响对摄影测量精度的评价结果。由于现有技术无法有效解 决数字摄影测量系统中的精度评价问题，因此无法通过分析摄影测量系统中的误差来源提 高摄影测量系统在大尺寸工业摄影测量中的测量精度，从而制约了摄影测量技术在大尺寸 工业测量中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法及基准装 置，通过空间误差场分析摄影测量系统中的误差来源，进一步提高摄影测量系统在大尺寸 工业摄影测量中的测量精度。
本发明提供了一种大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法，包括 采用位置跟踪器从基准装置中获取到反射靶点的第一三维坐标信息，所述第一三
维坐标信息形成空间基准场； 采用摄影测量系统从所述基准装置中获取到反射靶点的第二三维空间坐标信息， 所述第二三维空间坐标信息形成空间测量场； 通过所述空间基准场和所述空间测量场获取用于评价所述摄影测量系统精度的 空间误差场。 本发明还提供了一种基准装置，能够实现上述技术方案中的大尺寸工业摄影测量
系统的精度评价方法，包括框架和固定在所述框架上的多根测杆；所述框架和测杆上设
置有多个反射靶点和用于获取所述反射靶点的第一三维坐标信息的位置跟踪器。 本发明提供的大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法及基准装置，通过将高精度的位置跟踪器获取到的空间基准场作为摄影测量系统获取到的空间误差场的基准，根据 空间基准场和空间测量场获取到空间误差场，通过空间误差场分析摄影测量系统中的误差 来源，进一步提高摄影测量系统在大尺寸工业摄影测量中的测量精度。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。 图1为本发明大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法一个实施例的流程示意 图； 图2为本发明大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法又一个实施例的流程示 意图； 图3为图2所示实施例中摄影测量系统的空间示意图；
图4为本发明基准装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 在大尺寸工业摄影测量过程中，影响现场大尺寸工业摄影测量的误差因素繁多、 分布规律复杂，包括摄影测量系统自身的误差因素、现场测量方案及测量布局的误差因素、 环境及照明的误差因素等。 图1为本发明大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法一个实施例的流程示意 图，如图1所示，本发明实施例包括如下步骤 步骤101、采用位置跟踪器从基准装置中获取到靶点的第一三维坐标信息，其中， 第一三维坐标信息形成空间基准场； 步骤102、采用摄影测量系统从所述基准装置中获取到靶点的第二三维空间坐标 信息，其中，第二三维空间坐标信息形成空间测量场； 步骤103、通过空间基准场和空间测量场获取用于评价摄影测量系统精度的空间 误差场。 本发明实施例中的位置跟踪器为具有高测量精度的测量仪器，具体可以为激光跟 踪仪，激光跟踪仪仅为本发明实施例的一个示例，并不构成对本发明实施例的限制，只要能 够根据基准装置中的反射靶点获取到高测量精度的三维空间坐标信息的跟踪器均为本发 明实施例所述的位置跟踪器。 本发明实施例提供的大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法，通过将高精度的 位置跟踪器获取到的空间基准场作为摄影测量系统获取到的空间误差场的基准，通过空间 基准场和空间测量场获取到空间误差场，通过空间误差场分析摄影测量系统中的误差来
4源，进一步提高摄影测量系统在大尺寸工业摄影测量中的测量精度。 图2为本发明大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法又一个实施例的流程示 意图，图3为图2所示实施例中摄影测量系统的空间示意图；如图2所示，本发明实施例包 括如下步骤 步骤201、激光跟踪仪的耙球获取设置在基准装置上的多个反射耙点在激光跟踪 仪所在的第一世界坐标系下的第一三维坐标信息，其中，第一三维坐标信息形成空间基准 场； 步骤202、摄影测量系统中的图像采集器获取设置在基准装置上的多个反射靶点 在该摄影测量系统所在的第二世界坐标系下的第二三维坐标信息，其中，第二三维空间坐 标信息形成空间测量场； 步骤203、将第一世界坐标系下的空间基准场与第二世界坐标系下的空间测量场 转换到同一个世界坐标系下； 步骤204、在该同一个坐标系下通过空间基准场与空间测量场获取到用于评价摄 影测量系统精度的空间误差场； 步骤205、通过空间误差场对摄影测量系统进行误差修正。 在上述步骤201中，设激光跟踪仪所在的第一世界坐标系为(&，Y"Z》，激光跟踪 仪的靶球用于跟踪每一个反射靶点的中心的三维坐标，由于激光跟踪仪自身定义了一个世 界坐标系，本发明实施例仅为描述方便将激光跟踪仪自身定义的世界坐标系命名为第一世 界坐标系，假设基准装置上共设置了 n(n为正整数)个反射靶点，则n个反射靶点的中心在
第一世界坐标系中为(Xl，yi，Zl).....(xn， yn， z》，则该n个三维坐标形成反射靶点在第一
世界坐标系下的第一三维坐标信息，并且该第一三维坐标信息即形成了空间基准场。
上述步骤202中，设摄影测量系统所在的第二世界坐标系为(&，Y2，Z》，摄影测量 系统中的图像采集器用于获取每一个反射靶点的中心的三维坐标位置，由于在摄影测量系 统中定义了一个世界坐标系，本发明实施例仅为描述方便将摄影测量系统中定义的世界坐 标系命名为第二世界坐标系，与上述步骤201相对应，基准装置上设置的n个反射靶点的中
心在第二世界坐标系中为(x' 》.....(x' n，y' n，Z' n)，则该n个三维坐标
形成反射靶点在第二世界坐标系下的第二三维坐标信息，并且该第二三维坐标信息即形成 了空间测量场。 上述步骤203中，由于激光跟踪仪所在的第一世界坐标系与摄影测量系统所在的 第二世界坐标系不相同，因此需要将n个反射靶点分别在第一世界坐标系下得到的第一三 维坐标信息(Oq， yi， Zl).....(xn， yn， zn))和第二世界坐标系下得到的第二三维坐标信息
((X' i，y' pZ'》.....(X'n，y'n，Z'n))统一到同 一个世界坐标系下；具体地，为计
算方便，可以将第一世界坐标系下的第一三维坐标信息通过世界坐标系转换转换到第二世 界坐标系下；当然，也可以将第二世界坐标系下的第二三维坐标信息通过世界坐标系转换 转换到第一世界坐标系；本发明实施例以将第一世界坐标系下的第一三维空间坐标信息通 过世界坐标系转换转换到第二世界坐标系下为例进行说明，第一世界坐标系下的第一三维 空间坐标信息通过世界坐标系转换后，得到第一三维空间坐标信息在第二世界坐标系下的
第三三维空间坐标信息为(x〃 "y〃 pz〃》.....(x〃 n，y〃 n，z〃 n)。由于本领域普通
技术人员能够根据世界坐标系转换方法将不同的世界坐标系下的三维坐标统一到同一个
5世界坐标系下，因此在这里不再赘述。 上述步骤204中，通过上述步骤203后，由于第二三维坐标信息((x' 15
Z'》.....(X'n，y'n，Z'n))与第三三维空间坐标信息为(X〃 "y〃 pZ〃》.....(X 〃 n，
y〃 n，z〃 n)已经统一在了同一个世界坐标系下，因此通过该第二三维坐标信息((x' p
y' !，Z'》.....(X'n，y'n，Z'n))与第三三维空间坐标信息(X〃"y〃！，Z〃》即可
获取到空间误差场。 上述步骤205中，通过步骤204中获取到的空间误差场建立空间误差场模型，然 后根据空间误差场模型对摄影测量系统进行误差补偿。具体地，如图3所示，在一摄影测 量系统中，存在两个相互对称的摄像站Sl、摄像站S2，且摄像站Sl和摄像站S2对大尺寸 被测物进行交向拍摄，通过摄影测量坐标系S1-XYZ建立第二世界坐标系，则第二世界坐标 系的原点为Sl，并且S101和S202分别为摄像站Sl和摄像站S2的光轴且都在平面S1-XZ 内，并且摄像站Sl和摄像站S2的两光轴夹角为2a ，像站Sl和摄像站S2之间的基线长 度为b。以反射靶点在第二世界坐标系中形成的空间测量点(x' 》为例进行
说明，该反射靶点由激光跟踪仪在第一世界坐标系下形成的空间基准坐标为Oq， yi， Zl)， 将该空间基准坐标(Xl， yi， Zl)通过世界坐标系转换后在第二世界坐标系下形成的坐标值 为(x〃 i，z〃》，由于激光跟踪仪的测量精度很高，因此反射靶点的坐标值(x〃 p
y〃 i，z〃》的精度也很高，在摄影测量系统中，由于空间测量点(x' py' 》是通 过第二世界坐标系和像点坐标系的变换关系获取得到的，即该空间测量点(x' py' p z'》是通过摄像站Sl和摄像站S2分别拍摄图像后得到的像点pl、像点p2通过第二世 界坐标系和像点坐标系的变换后得到，由于本领域技术人员能够进行世界坐标系与像点 坐标系的相互转换，在此不再赘述。相应地，激光跟踪仪获取到的空间基准坐标Oq， yi， Zl)在第二世界坐标系下的坐标值(x〃 i，y〃 pz"》在摄像站Sl和摄像站S2所拍摄的 图像中根据第二世界坐标系与像点坐标系的变化也会存在基准像点POI和基准像点p02， 并且由于激光跟踪仪具有较高的测量精度，将基准像点pOl和基准像点p02作为空间测 量点(x' pz'》在摄像站S1和摄像站S2的像面上的参考坐标，即通过基准像
点p01可以得到摄像站Sl的像面误差(Axl、 Ayl)，通过基准像点p02得到摄像站S2的 像面误差(Ax2、 Ay2)，基线误差Ab和摄像机夹角误差A a是在摄影测量过程中存在 的测量误差，则空间测量点(x' pz'》的测量误差可以由上述像面误差(Axl、
Ayl)、像面误差(Ax2、 Ay2)、基线误差Ab、摄像机夹角误差A a确定，并且根据上述像 面误差(Axl、 Ayl)、 (Ax2、 Ay2)、基线误差Ab、摄像机夹角误差A a可以确定如下参
<formula>formula see original document page 6</formula>M￥ = V附u +附12
上述参数进一步可以确定如下参数M7 = V^7^J ，由于上述仅为一个反射靶点所形成
的空间测量误差，则当空间测量点为n个反射靶点时，则本发明实施例中的空间误差场模 型为^^=1^]>/皿,2+^2+^^,2 。进一步地，通过该空间误差场模型可以分析摄影测
w ,=1
量系统的误差因素、误差分布规律，具体地，分析像面误差(Axl、 Ayl)、像面误差(Ax2、 Ay2)、基线误差Ab、摄像机夹角误差A a对空间误差场模型的影B向，由于像面误差 (Axl、 Ayl)、像面误差(Ax2、 Ay2)与环境及照明有关，基线误差Ab、摄像机夹角误差 A a与摄影测量系统的现场测量方案及测量布局有关，因此通过改善测量现场的光照条 件，以及摄影测量系统的现场测量方案及测量布局，对摄影测量系统进行误差补偿，进一步 提高在摄影测量系统中在大尺寸摄影测量中的测量精度。 本发明实施例中的空间误差场模型^yz = 11 ^MZ,2 + A^2 + MZ,2仅为本发明实
w ,=1
施例的一个示例，该种空间误差场模型并不构成对本发明实施例的限制，只要通过本发明 实施例中的空间误差场对摄影测量系统进行误差评估以及进一步通过空间误差场模型进 行误差修正的误差场，均为本发明实施例所述的技术方案。 本发明实施例提供的大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法，通过将高精度的 位置跟踪器获取到的空间基准场作为摄影测量系统获取到的空间误差场的基准，通过空间 基准场和空间测量场获取到空间误差场，并根据空间误差场对摄影测量系统进行误差修 正，从而提高了摄影测量系统的测量精度。 图4为本发明基准装置的一个实施例的结构示意图，如图4所示，本发明实施例能 够实现上述图1或者图2所示实施例的方法流程，具体包括框架41和固定在框架41上的 多根测杆42，其中，框架41和测杆42上设置有多个反射靶点43和用于获取反射靶点的第 一三维坐标信息的位置跟踪器44。 本发明实施例提供的基准装置，通过设置位置跟踪器44获取到高精度的空间基 准场，并将空间基准场作为摄影测量系统获取到的空间测量场的基准，通过空间基准场和 空间测量场获取到空间误差场，根据空间误差场分析摄影测量系统中的误差来源，从而提 高摄影测量系统在大尺寸工业摄影测量中的测量精度。 进一步地，在上述图4所示实施例的基础上，反射耙点包括设置在框架41上的第 一反射靶点431和设置在测杆42的端部的第二反射靶点432。 进一步地，多个测杆包括具有第一长度的第一测杆、具有第二长度的第二测杆、 具有第三长度的第三测杆，其中，第一测杆、第二测杆、第三测杆使得第二反射靶点432形 成具有深度信息的空间基准场和空间测量场。 为了加工本发明实施例的方便，较佳地，第一测杆的长度为50厘米，第二测杆的 长度为100厘米，第三测杆的长度为150厘米。 为了实现大尺寸的现场测量，较佳地，框架41的第一长度可以为4米，第二长度可 以为2.5米。
进一步地，位置跟踪器具体可以为激光跟踪仪的靶球，其中，耙球通过轴套设置在 多根测杆的端部。 利用图4所示实施例获取摄影测量系统的误差场模型的具体过程如下首先，激 光跟踪仪通过设置在测杆端部的靶球获取到基准装置上的反射靶点的空间坐标信息，形成 空间基准场；然后，摄影测量系统中的图像采集器获取到基准装置上的反射靶点的空间坐 标信息，形成空间测量场；由于激光跟踪仪所在的世界坐标系与摄影测量系统所在的世界 坐标系不相同，因此将激光跟踪仪获取到的空间基准场通过世界坐标系转换转换成摄影测 量系统所在的世界坐标系下，将空间基准场与空间测量场统一在同一个世界坐标系下，然 后，根据空间基准场与空间测量场获取空间误差场模型的参数及空间误差场分布，通过全 面地分析在摄影测量过程中产生误差的误差源及误差源的性质、分布规律，确定误差源对 空间误差场的作用以及误差源对空间误差的传递关系，从而建立起较为完善的空间误差场 模型，通过对空间误差场模型进行计算机仿真与大量的实验验证，对数字摄影测量系统进 行误差补偿，从而有效地提高现场大尺寸数字摄影测量的测量精度。 最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精 神和范围。
权利要求
一种大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法，其特征在于，包括采用位置跟踪器从基准装置中获取多个反射靶点的第一三维坐标信息，所述第一三维坐标信息形成空间基准场；采用摄影测量系统从所述基准装置中获取多个反射靶点的第二三维空间坐标信息，所述第二三维空间坐标信息形成空间测量场；通过所述空间基准场和所述空间测量场获取用于评价所述摄影测量系统精度的空间误差场。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置跟踪器为激光跟踪仪的靶球，则 所述采用位置跟踪器从基准装置中获取多个反射靶点的第一三维坐标信息包括所述激光跟踪仪的靶球获取设置在基准装置上的多个反射靶点在所述激光跟踪仪所 在的第一世界坐标系下的第一三维坐标信息。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用摄影测量系统从所述基准装置 中获取多个反射靶点的第二三维空间坐标信息包括所述摄影测量系统中的图像采集器获取设置在所述基准装置上的多个反射靶点在所 述摄影测量系统所在的第二世界坐标系下的第二三维坐标信息。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述空间基准场和所述空间测 量场获取用于评价所述摄影测量系统精度的空间误差场包括将所述第一世界坐标系下的所述空间基准场与所述第二世界坐标系下的所述空间测 量场转换到同一个世界坐标系下；在该同一个世界坐标系下通过所述空间基准场与所述空间测量场获取到用于评价所 述摄影测量系统精度的空间误差场。
5. 根据权利要求1 4任一所述的方法，其特征在于，所述通过所述空间基准场和所述 空间测量场获取空间误差场之后还包括通过所述空间误差场对所述摄影测量系统进行误差修正。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过所述空间误差场对所述摄影测 量系统进行误差修正包括通过所述空间误差场确定空间误差场模型；根据所述空间误差场模型对所述摄影测量系统进行误差补偿。
7. —种能够实现权利要求1 6任一所述方法的基准装置，其特征在于，包括框架和 固定在所述框架上的多根测杆；所述框架和测杆上设置有多个反射靶点和用于获取所述反 射靶点的第一三维坐标信息的位置跟踪器。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反射靶点包括设置在所述框架上的 第一反射靶点和设置在所述测杆的端部的第二反射靶点。
9. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多根测杆包括具有第一长度的第一测杆、具有第二长度的第二测杆、具有第三长度的第三测杆，所述 第一测杆、第二测杆、第三测杆使得所述第二反射靶点形成具有深度信息的空间基准场和 空间测量场。
10. 根据权利要求7 9任一所述的装置，其特征在于，所述位置跟踪器为激光跟踪仪 的靶球，所述靶球通过轴套设置在所述多根测杆的端部。
全文摘要
本发明公开了一种大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法及基准装置，包括采用激光跟踪仪从基准装置中获取到反射靶点的第一三维坐标信息，所述第一三维坐标信息形成空间基准场；采用摄影测量系统从所述基准装置中获取到反射靶点的第二三维空间坐标信息，所述第二三维空间坐标信息形成空间测量场；通过所述空间基准场和所述空间测量场获取空间误差场。本发明提供的大尺寸工业摄影测量系统的精度评价方法及基准装置，根据空间基准场和空间测量场获取到空间误差场，通过空间误差场分析摄影测量系统中的误差来源，进一步提高摄影测量系统在大尺寸工业摄影测量中的测量精度。
文档编号G01B11/00GK101694370SQ20091009267
公开日2010年4月14日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者吕乃光, 杨健, 燕必希, 祝连庆, 董明利, 陈瑞保 申请人:北京信息科技大学;