专利名称：探测仪器的校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含有照相机的探测仪器的校准方法、实施该方法的装置以及通过运用该方法进行校准的探测仪器。
背景技术：
探测通常包括对点——例如地形中的反射物(三面反射物)或目标——的角度和位置的确定，这些角度和位置可通过诸如经纬仪或准距仪的探测仪器进行测量。空间位置可用适当的坐标系中的坐标进行定义。例如，点的位置可用其笛卡尔坐标来确定，其中， 笛卡尔坐标是相对于具有相互垂直的三个轴的笛卡尔坐标系定义的。但对于位置测量，球坐标更为适用。如图1所示，一个点的位置可以由其距正交坐标系原点的距离d、该坐标系水平轴的其中一条与连接坐标系原点及该点在水平面上投影的直线之间的角度α、与该水平面垂直的坐标系轴与连接该坐标系原点及该点的直线之间的垂直角θ，来在球坐标中定义。如现有技术所公知，笛卡尔坐标可转换为球坐标，反之亦然。探测仪器——例如经纬仪、 准距仪，也被称作视距仪或全站仪——中采用了球坐标。如图1中示意性示出的那样，公知的经纬仪或准距仪包含望远镜1和倾斜轴4，望远镜1可绕垂直轴2旋转，垂直轴2固定在经纬仪或准距仪的基座元件3上，倾斜轴4随望远镜1绕垂直轴2的转动而被旋转。绕垂直轴2转动的角度和绕倾斜轴倾斜的角度可从相应的水平盘5和竖盘6读出。在理想的经纬仪或准距仪中，倾斜轴4垂直于垂直轴2，且两轴相交于一点。另外， 望远镜1的视准线7，亦称视准轴或视轴，垂直于倾斜轴4并穿过倾斜轴4与垂直轴2的交点。为了测量点的位置，理想地对经纬仪或准距仪进行定向，使得垂直轴2绝对竖直，即使其指向重力的方向。于是，通过垂直于垂直轴2的平面、垂直轴2、作为倾斜轴4和垂直轴2 的交点的原点来定义球坐标系。通过水平盘5可确定坐标系的一个轴，其相对于基座元件 3固定。为了测量上述角度α和θ，通过绕垂直轴2旋转望远镜1以及绕倾斜轴4倾斜望远镜1，使望远镜1的视轴7指向待测点。这样，角度α可从水平盘读出，角度θ可从竖盘 6读出。获知了该点距该仪器的距离，可容易地得出笛卡尔坐标。然而，上述理想经纬仪或准距仪的条件实际上不能满足。更确切地说，测量的准确度可能因不同类型的误差而降低。第一误差涉及垂直轴2的方向。垂直轴2应该与地面绝对垂直，也就是说，其应该指向重力的方向，但实际上可能并非如此。这一误差并不是由于仪器本身所造成，因此只能通过对探测仪器适当地进行定向来避免。可能存在第二误差，即视准线误差或视准误差(collimation error)，其为视轴7和倾斜轴4之间的角度、与直角的偏差(见图2A)。第三误差为所谓倾斜轴误差(见图2B)，其为倾斜轴和垂直轴之间的夹角与直角的偏差。最后，可能存在所谓高度指标误差(height-index error)、，其为视轴和垂直轴之间的真实角度与从竖盘上读出的相应角度的偏差(见图2C)。最后的三种误差由于探测仪器的公差所造成。为了能够提供正确的测量，需要对探测仪器进行校准，即需要建立起水平盘和竖盘上读出的角度与对相应的真实角度之间的关系。所谓电视经纬仪(video-theodolites)或电视准距仪(video-tacheometers)与传统经纬仪或准距仪的不同之处在于其包含一照相机，该照相机能够例如替代整个望远镜或只是望远镜的目镜部分。如图3中示意性示出的那样，照相机8包含光学系统9和图像传感器10。光学系统9在图像传感器10上形成一个场景中的一个点的图像。因此，使待测量的点在图像传感器10的特定位置上成像。为了从点的图像在图像传感器上的位置来确定从探测仪器到该点的方向，该方向由实际的垂直和水平角度确定，需要知道图像传感器上的位置与相应的空间方向之间的关系。理想照相机的光轴应当垂直于图像传感器的平面，且光学系统应当没有像差 (aberration)或失真(distortion)。此外，光轴应当平行于照相机的参照轴。然而，实际的照相机并不具备这些理想特性。因此，校准——或者说空间方向与这些方向在图像传感器上所对应的图像位置之间的映射关系——是必需的。在探测仪器具有照相机的情况下，例如在电视经纬仪或电视准距仪中，至少两种校准看起来是必要的，即对于仪器轴的校准以及对于照相机的校准。^t Y. D. Huang ^ "Calibration of the Wild P32 Camera using the Camera-ON-Theodolite method，，(Photogrammetric Record, 16 (91), 1998) 一文中，Huang 将布置在不同距离的一个或至多两个参照点进行连接到一台仪器，该仪器为由严格意义上的探测仪器与照相机组成的系统。用待校准的照相机在不同的仪器方向上——也就是说， 要设置在该仪器上的水平和垂直角度的不同组合——来观测这些参照点。由于Huang使用了经纬仪，所述两点之间的距离或这些点与所述仪器之间的距离必须已知。Himng的方法的另一个缺点是仍未考虑仪器误差，例如垂直轴误差和侧向视准误差(lateral collimation error)。但是，校准误差随这些仪器误差的大小而增大，这降低了仪器的整体准确度。因此，本发明的目标之一是为具有照相机的探测仪器——特别是电视经纬仪或电视测距仪一的校准提供一种易于实现且仅需少量关于该探测仪器的信息的方法，以及实现该方法的装置。
发明内容
本发明的第一实施例提供了一种用于校准探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴被旋转，其中，采用了与校准点、校准点在不同面上被捕获的在图像传感器上的图像相关联的数据，对于每一所述校准点的数据包含距离数据，其表示每一所述校准点与探测仪器之间的距离，对于每一所述校准点的每一图像的数据包含图像位置数据和方位数据，图像位置数据表示每一所述校准点的图像在所述图像传感器上的位置，方位数据表示倾斜轴绕垂直轴转动的水平角度以及照相机绕倾斜轴倾斜的垂直角度，其中，在每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的图像位置和方位数据的基础上，对探测仪器进行校准，同时，考虑了照相机的至少一项光学特性，以及垂直轴和倾斜轴的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴及倾斜轴三者之一的方位中的至少一种方位。
此外，本发明的第二实施例提供了一种用于校准探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴转动，其中，在图像传感器的不同位置以及从两面生成校准点的图像，且其中，对每一所述校准点确定距离数据并对所述校准点的每一图像确定位置数据和方位数据，所述距离数据表示各个校准点和探测仪器之间的距离，所述位置数据表示校准点的图像在图像传感器上的位置，所述方位数据表示倾斜轴绕垂直轴转动的水平角度以及照相机绕倾斜轴倾斜的垂直角度。在每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的位置数据和方位数据的基础上，对探测仪器进行校准，同时，考虑照相机的至少一项光学特性以及垂直轴和倾斜轴的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴及倾斜轴三者之一的方位中的至少一种方位。根据本发明的这些方法适用于任何配备有照相机的探测仪器，尤其是电视经纬仪和电视准距仪。所述探测仪器包含基座元件，当仪器在使用时，其相对于被测点处于固定的位置上，特别是，基座元件相对于地面位置固定。举例而言，基座元件可装载在三脚架或三角架部件上。该探测仪斯还包含具有图像传感器的照相机。照相机可能还包含光学系统或至少一个透镜以使被测点在图像传感器上成像。光学系统优选为对距该探测仪器一段距离的目标点进行完全成像，但照相机也可以仅对探测仪器的其他光学器件所生成的校准点图像进行成像。照相机的光学特性可特别指照相机的成像特性。光学特性可包括照相机光学器件的特性，例如透镜或照相机物镜的焦距、图像传感器相对于透镜或物镜的位置和方位、透镜或照相机物镜的图像误差。图像传感器可为光检测元件的任何至少两维的布置，其能以至少两维的分辨率来检测光。光检测元件的布置可为任意的。该元件优选布置为至少近似为矩形的矩阵或蜂巢形式。在现有技术中公知，图像传感器特别地可包含CMOS单元或CCD单元以作为光检测元件，尤其是CMOS阵列或CXD阵列。探测仪器还可包含图像获取单元，其与图像传感器相连并由图像传感器所提供的信号生成图像。图像可以用本领域技术人员所知的任何适当形式提供。对从图像传感器获取的、表示该图像的图像数据优选被压缩。照相机能够绕探测仪器的垂直轴旋转，在使用探测仪器时该垂直轴为垂直方向， 否则可具有任意方向。照相机还可绕倾斜轴被倾斜，当照相机绕垂直轴转动时该倾斜轴被旋转。特别地，照相机可被装载在可绕垂直轴旋转的照准仪(alidade)上。除可能的倾斜轴误差外，倾斜轴优选为垂直于垂直轴。探测仪器还可包含所谓的水平盘，其用于标明在与垂直轴垂直的平面内倾斜轴相对于预先确定的方向的角位置，垂直轴、该平面以及该预先确定的方向相对于基座元件固定。此外，探测仪器还可包含所谓的竖盘，其可用于确定在垂直于倾斜轴的平面内照相机绕倾斜轴转动的角位置。在该垂直于倾斜轴的平面内，该角位置可依据任何预先确定的方向定义。该预先确定的方向优选为对应于当仪器在使用时的顶点(zenith)，即与垂直轴共轴。 所述水平角和垂直角可用来唯一地确定照相机相对于基座元件的方位。上述根据本发明的方法用于校准这样一种探测仪器。校准可能具体意味着确定目标点相对于固定于基座元件的坐标系的方向(被称为点的方向)与目标点的图像在图像传感器上的位置以及捕获包含目标点图像的图像时所用的测量得到的水平和垂直角度之间的关系。根据第二实施例的方法与根据第一实施例的方法的不同之处在于第二方法包括校准所用数据的获取。因此，根据第一实施例的方法可用任何所提供的数据完成，该数据为例如在存储介质上的数据或通过与实现该方法的装置的连接来提供的数据。采用至少两个校准点进行校准，这两个校准点也可视为或称作参照点。另外，对每个校准点在图像传感器上至少生成一个图像，优选生成该校准点的几个图像。为达此目的，在校准点和探测仪器相对固定的位置上，照相机可绕垂直轴被旋转和/或绕倾斜轴被倾斜。根据第一实施例的(以及根据第二实施例的)方法采用了对每个校准点的、表示校准点与探测仪器之间距离的数据并采用了对每一校准点的每一图像的图像位置数据和方位数据。位置数据表示，当校准点通过处于由相应的方位数据定义的方位的探测仪器的光学系统在图像传感器上成像时，校准点在图像传感器上的图像位置。所述位置数据可通过例如对CCD阵列中在校准点图像位置上的像素进行识别给出，方位数据具体表示相应的水平和垂直角度，其可通过使用合适的测量装置——例如水平盘或竖盘或将照相机设置在相应的方位——获得。在探测仪器的两面上生成数据。不必通过将仪器从第一面引至第二面来获得同一校准点的两个图像。诸如经纬仪或准距仪的探测仪器的两面的使用已为本领域所公知。如果目标点能在照相机的第一面看到，当照相机旋转200gon即180°并通过绕倾斜轴的倾斜来反转照相机时，也就是说在第二面上，也能看到同一点，除非出现轴误差过大等情形。采用这些数据——在下文也称为校准数据——来校准探测仪器。该校准至少考虑倾斜轴相对于垂直轴的相对方位，具体而言也就是倾斜轴误差，且同时考虑照相机的至少一个光学特性。照相机的光学特性可以为照相机的由用于成像的光学系统决定的任何特性，特别是该光学系统和图像传感器之间的相对位置。此外，所述校准同时考虑这些误差源和特性，S卩，校准在至少两个步骤中实现，其中，进行仅考虑误差源之一或仅考虑照相机光学特性之一的各自独立的校准。由于采用了在探测仪器两面上所获得的数据，且同时将潜在的轴误差以及照相机的光学特性包括在内，可实现非常精确、快速的探测仪器校准。此外，仅需要极少的其他仪器或照相机数据，或者不需要。本发明的第三实施例提供了一种数据处理系统，该数据处理系统包含处理器、存储器以及接口，当处理器执行用于实现本发明方法的计算机程序时，在存储器中存有该程序。该接口用于读取与本方法中所用校准点以及校准点图像相关联的数据。特别地，本发明第一实施例的方法可由数据处理系统实现。数据处理系统可为分立装置，其仅在探测仪器被校准时需要连接到探测仪器。然而，探测仪器本身可包含用于根据预先确定的任务处理测量得到的量的数据处理系统，其具有存储器，在存储器中存有上文提到的计算机程序。这一处理器还可用于运行该计算机程序。处理器可为特殊的微处理器、数字信号处理器、工作站或个人计算机中所用的处理器，视数据处理系统的类型而定。能够读取数据的任何装置均可用作接口。在最简单的实例中，接口可为用于录入所需数据的键盘或用于读取可替换的数据载体的读取装置。读取装置可为例如CD-ROM驱动器、DVD-ROM驱动器、软盘驱动器或闪存ROM装置(例如USB棒或存储器卡)的读取器。 但接口适用于探测仪器与数据处理系统之间通过电缆或无线连接——例如蓝牙、无线局域网或光接口——的数据连接更有益。在另一实施例中，该接口还适用于向探测仪器输出命令。 本发明的另一实施例提供了计算机程序，该程序包含程序代码，当计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行根据本发明第一实施例的方法。
本发明的又一实施例提供了计算机程序产品，该计算机程序产品包含存储在计算机可读取的存储介质上的程序代码，当所述程序产品在计算机上运行时，该程序代码用于执行根据本发明第一实施例的方法。存储介质具体可以为诸如软盘或硬盘的磁存储介质、 磁-光盘或诸如CD、DVD的光存储介质，也可使用诸如闪存芯片的永久性存储器。该计算机具体地可通过上文提到的数据处理系统具体实现。具体而言，计算机程序或计算机程序产品可包含程序代码，该程序代码用于读取与校准点和校准点在图像传感器上的图像相关联的数据，对每一所述校准点，该数据包含表示所述校准点与探测仪器之间距离的距离数据，对校准点的每一图像，该数据包含图像位置数据和方位数据，图像位置数据表示校准点的图像在所述图像传感器上的位置，方位数据表示倾斜轴绕垂直轴转动的水平角度以及照相机绕倾斜轴倾斜的垂直角度，其中，在每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的图像位置和方位数据的基础上，对探测仪器进行校准，同时考虑照相机的至少一个光学特性，以及垂直轴和倾斜轴的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴及倾斜轴三者之一的方位中的至少一个方位。数据可从任何写入了该数据的存储介质或存储器中读出。可采用几种方式实现校准。根据本发明的优选实施例，采用一种模型来计算校准点的图像在图像传感器上的位置，该模型包含可调节的模型参数并使用与校准点的每一图像有关的距离数据和方位数据，为进行校准，使用距离数据、位置数据和方位数据来对至少校准点的方向和模型参数进行估计，以使该模型适合于该位置数据。校准点的方向即为校准点相对于仪器所位于的方向。由于校准点到探测仪器的距离已知，校准点的方向足以完全确定校准点相对于探测仪器的位置，也就是至少相对于所述基座元件的位置。该方向可用校准点在固定于基座元件的坐标系中的球坐标的两个角度表示，第三球坐标为校准点与探测仪器之间的距离。这种类型的校准能考虑仪器的不同特性，这些特性可能对校准点在图像传感器上的图像位置产生影响，并使得能够计算适用的程度(quality of fit)。校准的质量很大程度上取决于用于该校准的模型。模型对仪器的特性越具有代表性，也就越适用于校准所用的校准数据。可通过任何适当的估计方法估计校准点的方向和模型参数。然而，优选采用极大似然估计法对校准点的方位和模型参数进行估计。特别地，可进行最小平方适配，其使图像传感器上校准点图像的测量位置与根据模型计算得出的校准点图像位置之间的偏差最小。 这些类型的估计均能相当迅速地进行。照相机的成像特性可能取决于被成像点的距离和/或照相机的聚焦状态(focus state)，例如，照相机物镜或照相机物镜中至少一个透镜相对于图像传感器的位置。在这种情况下为了得到精确的校准，优选为至少一个模型参数取决于校准点距探测仪器的距离或捕获校准点图像时照相机的聚焦状态。模型参数可能以平滑的方式取决于该距离或照相机的聚焦状态，或者，可将可能距离的范围或物镜和/或透镜位置的范围分为数量预先确定的多个子范围。那么，该参数对每个子范围可取不同的值。在特别优选的实施例中，所述模型包含一种变换和一种照相机模型，该变换将坐标由固定于基座元件的仪器坐标系中的坐标变换为固定于照相机的照相机坐标系中，该照相机模型将校准点的位置映射到照相机坐标系中图像传感器上的位置。该变换具有可调节的变换参数，且该照相机模型具有可调节的照相机参数。为进行校准，估计出校准点在仪器坐标系中的坐标、变换参数以及照相机参数，使得通过所述模型计算得出的校准点图像的位置符合校准点图像的测量位置。这种类型的模型使得仪器特性(尤其是仪器轴和照相机的装载)与照相机特性(尤其是照相机的光学特性)在概念上清晰地分离。借助如本实施例的方法可确定轴误差的大小。这些可用于改进探测仪器的构造、加工和机械再调节。特别地，至少一个照相机模型参数可取决于上一段中所介绍的距离和/或照相机的聚焦状态。所述变换优选为包括至少一个与倾斜轴误差有关的参数。优选为在考虑竖盘指标误差和视准误差中至少一个的情况下进行校准。在本文中，视准误差为倾斜轴和由照相机模型所提供的成像轴、视轴以及照相机轴三者之一之间的角度与直角(即90°或IOOgon) 之间的偏差。竖盘指标误差为当照相机在垂直于倾斜轴的平面内指向预先确定的方向—— 优选为顶点——时竖盘上的垂直角的读数与实际垂直角之间的偏差。所述变换优选为包含表示视准误差与竖盘指标误差二者之一的至少一个参数。当使用包含变换和照相机模型的模型时，由于可通过合适的旋转矩阵来并入对变换的相应影响，故可容易地考虑这些误差。此外，所述校准优选为包含对照相机相对于倾斜轴和固定于基座元件的仪器坐标系二者之一的方位的估计。照相机的方位具体可涉及由照相机的机械元件确定的轴(例如由透镜支撑器确定的轴)的方位。在这种情况下，所述变换优选为包含至少一个表示照相机相对于倾斜轴和固定于基座单元的仪器坐标系二者之一的方位的参数。因此能够考虑到由于照相机定位错误引起的误差。对于根据本发明的方法，通常可采用任意的照相机模型，但优选该照相机模型包含投影中心，并且优选该方法中至少一个模型参数涉及该投影中心的定位，根据该照相机模型，来自目标点的在图像传感器上成像的所有光线在投影中心相交。投影中心的位置可相对于基座元件表达，特别是相对于固定于基座元件的仪器坐标系。尤其四在这种情况下， 当照相机的视场相当有限时，优选用针孔模型作为照相机模型，其能得到相当简单但准确度仍然足够的模型方程式。为了获得良好的校准准确度，所述模型优选为包含至少三个模型参数，这些参数表示投影中心的位置。因此，可以相当准确地对在相对于仪器轴的任意位置上的具有照相机的仪器进行校准。此外，为了表示照相机的某些光学特性特别是成像特性，在本发明的一个实施例中，照相机模型包含表示模型的像平面到投影中心之间距离的参数。特别地，在针孔照相机模型中，该参数可反映照相机常数。像平面优选为由图像传感器确定。为了使具有长焦距的照相机也能获得精确的校准，至少照相机常数可取决于该距离和/或照相机的聚焦状态。投影中心关于像平面的位置很大程度上由照相机光学系统的光学特性确定，因此，对于本发明来说，该位置表示照相机的光学特性。特别地，其可能与照相机光学系统的焦距有关。因此，可容易地对不同类型的光学系统建模，而不需要关于照相机或照相机光学系统的其它数据。
为了获得高准确度的校准，照相机模型优选为包含表示图像中的失真的模型参数。这些失真可能由于例如照相机光学器件的瑕疵造成。为了确定与照相机光学特性有关的模型参数，与至少两个不同的校准点相关联的距离数据优选为互不相同。因此，将各个校准点定位在距探测仪器不同的距离处。这些点距探测仪器的距离差别越大，该方法的准确度越高，因此校准的准确度也就越高。此外，为了能够以良好的准确度确定表示倾斜轴误差的模型参数，优选使用至少一个校准点的至少两个图像，且所述至少一个校准点具有相当大的高度，也就是说接近顶点ο此外，为了获得高的校准准确度，校准点图像的数量优选为多于可调节模型参数的数量，特别优选为多出很多的情况。如果对至少一个校准点的每个图像，对图像位置数据和/或方位数据进行多于一次的确定，校准的准确度还可进一步提高。图像位置数据优选为包含明确表示在图像传感器上的位置的数据。例如，这些数据可由在各自的位置上的光检测元件的识别码给出。该识别码，例如像素或光检测元件的地址，在必要时可被用于进行位置计算。然而，该模型还可直接提供该识别码。但是，在另一个实施例中，优选为获取由图像传感器捕获的图像——该被捕获的图像包含至少一个校准点的图像——并通过在多个图像中搜寻该校准点的图像来确定所述至少一个校准点在图像传感器上的所述图像的位置。因此，本实施例可以由照相机拍摄的图像自动地确定校准点的图像的实际位置。通过任何适合的已知的目标识别方法，可在图像传感器捕获的图像中识别校准点的图像。例如，两个图像可用照相机的相同方位来拍摄，一个图像包含校准点的图像，而另一个图像只显示背景。接着，这两个图像彼此相减，故在结果的差值图像中只留下作为签名的校准点，该签名可通过阈值标准来检测。如果表示校准点的目标的形状是已知的，则还可采用模板。变换模板的位置以使模板与图像中校准点的图像相匹配，这可通过现有技术中已知的例如相关性方法来完成。因此，优选为将一个表示校准点的模板用于搜寻该校准点的图像。校准点的距离数据可通过几种方法获得。如果仪器用预先确定的校准点校准，这些点的距离可以预先确定，并且作为已知数据提供或者被包含在特别为使用这些校准点编写的计算机程序中。为了达到这个目的，可以提供预先确定仪器在被校准时所处的位置。特别地，当用实际校准点校准电视经纬仪时，优选为用光电距离测定来确定至少一个校准点到探测仪器的距离。光电距离测定也就是光电距离测量，可进行相当精确的距离测量。此外，可在生成校准点的图像时进行测量。例如，可采用两种已知的方法，例如，采用脉冲激光束通过相差或飞行时间来确定距离。作为另一个选择，可将校准点提供在距探测仪器已知的距离处。校准点可用真实物体的形式提供，例如，如反射物(三面反射物)的协作目标或野外中的物体。但是，校准点不一定为真实物体的点。根据本发明第二实施例的方法的一个优选实施例，将至少一个物体点成像为虚校准点，将该虚校准点成像到图像传感器。该物体点可以为任何真实物体或真实物体的点，例如，光源或被照亮的十字准线(cross-hair)或狭缝(slit)。本实施例使得还能采用距离探测仪器的有效距离相当大的校准点进行校准。
在本方法特别优选的实施例中，通过准直仪(collimator)和能在准直仪物镜(特别是准直仪透镜)与准直仪物镜焦点之间移动的标记(mark)来产生虚校准点。通常可使用多于一个的准直仪，特别是在获得不同高度的校准点时。另一个选择是在一个准直仪中使用至少两个标记的布置以同时产生相同数量的虚校准点。准直仪的特点在于能发射平行的光线，并将在光学无穷远处的点投射到有限距离上。在准直仪的焦点处提供标记，例如十字准线、狭缝或其他形状的光阑(stop)，以在无穷远处产生该标记的像。该标记可通过适当的驱动器械装置在准直仪中移动，该机械装置可由人工操作或借助电动机操作。优选采用可延伸的准直仪，其具有包含准直仪物镜的物镜部分以及包含照明装置的照明部分，物镜部分和照明部分可彼此相对于对方移动。标记可以装载在照明部分之中，故照明部分相对于物镜部分的移动可用于在不同的虚距离产生标记的虚像。优选为可以以微米的准确度读出移动量。优选为基于目标点与用于产生目标点虚像的成像光学器件之间的距离、探测仪器与成像光学器件之间的距离、成像光学器件的成像特性来获取虚校准点的距离。特别对于准直仪的情况，由相对于焦点的移动量以及物镜的焦距，人们可以确定直立虚像的像距，该像表示虚校准点。该虚像可用待校准的探测仪器观测。由从仪器垂直轴到准直仪物镜或准直仪透镜的主平面或主焦平面的距离以及像距，可以计算出仪器和准直仪生成的虚校准点之间的最终的虚距离。因此可以用准直仪在2，000米或更远的虚距离处生成虚校准点，反之，不使用准直仪的情况下在如此远的距离生成校准点相当困难。具体而言，很难在野外寻找如此远的没有视线障碍的距离。此外，还避免了可能损害远距离校准测量的其他因素，例如，空气湍流等大气现象。另外，为了获得大小差不多相同的像，对于不同的距离可能需要不同大小的校准点目标。因此，由于其占据很小的空间且可基本上自动地工作，借助准直仪的校准特别适用于制造后的仪器的校准。最后，由于照相机的图像传感器——例如通常由像素组成的探测器矩阵阵列——常常易受周围的光的影响，而本方法使校准不依赖于环境条件。根据本发明的数据处理系统优选为包含输出接口和计算机程序，输出接口用于将命令输出到准直仪的驱动器以在准直仪物镜和准直仪焦点之间移动准直仪的标记，计算机程序包含移动该标记以在不同距离生成虚校准点的指令。具体而言，程序运行时，该指令可生成向驱动器发送的控制命令。根据本发明的计算机程序和计算机程序产品优选为包含可生成控制命令的程序代码，该控制命令被发送到准直仪的驱动器，该准直仪具有可由驱动器移动的标记。本发明的另一实施例提供了用于校准探测仪器的系统，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，照相机可绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并可绕倾斜轴旋转，倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴旋转，该系统包含准直仪、可在准直仪物镜和准直仪物镜焦点之间移动的标记、用于移动该标记的驱动器、根据权利要求19 或权利要求19及20的数据处理系统、与准直仪驱动器连接以按照数据处理系统生成的控制命令移动该标记的输出接口。该系统可用于实现根据本发明的方法。驱动器优选为包含步进电动机，故准直仪中标记的位置可被精确设置。或者，可以使用包含位置传感器的定位装置，该传感器的信号用于控制驱动器的电动机以将标记移动到预先确定的位置。校准点的数量和每一校准点图像的数量可优选为根据下列标准选择所用所有校准点图像的总量应当大于用于校准的模型参数的数量。为了得到良好的准确度，图像的数量应当比参数的数量多得多。如上所述，至少两个校准点应当设置在距探测仪器不同距离处。特别地，为了使图像传感器偏离轴线(off-axis)的点也得到校准，优选为在图像传感器的不同位置生成至少一个校准点的多个图像。它们优选为在图像传感器的至少一个预先确定的区域内均勻分布。可以用不同的方式得到图像点的预先确定的分布。根据本发明的优选实施例，对于至少一个校准点，预先确定图像传感器的图像的位置，通过将照相机绕垂直轴旋转和绕倾斜轴倾斜中的至少一种、直到校准点在图像传感器的预先确定的位置上成像，从而使照相机指向校准点，读出这样所得到的方位数据，并优选存储该数据。照相机优选为可用闭环控制进行再定位。根据本发明的数据处理系统还优选包含用于向探测仪器发送控制信号的接口，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，照相机可绕相对于探测仪器基座元件固定的垂直轴转动并可绕倾斜轴转动，倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴旋转，该探测仪器还包含用于绕垂直轴旋转照相机和绕倾斜轴倾斜照相机的驱动器， 该驱动器可由控制命令控制；该计算机程序还包含用于生成校准点的图像以及在图像传感器上预先确定位置的计算机代码。根据本发明的计算机程序和计算机程序产品优选为包含通过向探测仪器发布控制命令来生成校准点的图像和在图像传感器上预先确定的位置的程序代码。程序代码能够发布控制命令，该控制命令经由合适的接口输出到探测仪器。控制命令通过驱动器使得照相机进行再定位。一旦再定位已经完成，捕获另一个图像，并例如， 将其发送到数据处理系统，该系统确定校准点图像的位置及其与预先确定的位置之间的偏差并发布进一步的控制命令。因此，只需要非常少的人工操作就能完成自动化校准。在根据本发明第二方面的方法的一个优选实施例中，在图像传感器上以规则的布置生成校准点的至少一个校准点图像。特别地，在采用具有矩形布置的光检测元件的图像传感器的情况下，可用矩形栅格(grid)给出规则布置。可对选择该栅格进行，使得当设置了表示角度组合的位置时，参照点尽量均勻分布在整个图像传感器平面上。当然，也可采用其他的规则布置，例如六角形布置。如果一直在图像传感器上的相同位置进行位置数据的读数，图像传感器的缺陷或瑕疵将妨害校准的可靠性。根据优选实施例，对校准点中至少一个点，形成覆盖图像传感器上预先确定的区域的多个单元(cell)的布置，将各个单元中的随机位置用作校准点图像的位置。图像传感器的预先确定的区域优选为至少包含图像传感器中用于探测任务的区域。多个单元的布置可以通过在这种单元布置所确定的位置上提供单元参照点，例如几何中心，以及单元的尺寸和形状来形成。所述单元通常可以任意布置，但优选为均勻布置。例如，可采用像矩阵一样的单元布置。单元中的随机位置可以通过可生成按预先确定的概率分布而分布的伪随机数的所谓伪随机数产生器来获得。例如，PreSS，H.等人在“Numerical Receipes in C” (Cambridge University Press, 1992, pp. 274-286)中讨论了合适的随机数生成器。采用随机位置可降低有缺陷的光检测元件对校准的影响。在本方法的一个优选实施例中，为每个单元给出了至少两个随机位置，在第一面上，在这些随机位置中的第一个处产生校准点的第一图像，而在第二面上，在随机位置中的第二个处产生校准点的第二图像。因此，对第一和第二面，每个角度组合的随机位置不需要相同且可各自独立地确定。可以首先在第一面上为每个单元、其后在第二面上为每个单元确定随机位置和相应的方位数据，这是本实施例的一个优点。或者，对于至少一个校准点，将照相机指向预先确定的方位，该方位由水平和垂直角增量或水平和垂直角度的预先确定的组合确定，且获得每个方位上校准点的各个图像的图像位置数据。由于不需要闭环控制来控制照相机的方位，本实施例可以快速设置水平和垂直角。旋转或倾斜可以通过将达到的角度或照相机连续再定位之间的角度增量来确定。 特别地，如果将根据本发明的方法用于大量同一类型探测仪器的校准，可对水平和垂直角度进行选择，使得除探测仪器中的公差外，可在图像传感器上获得想要的图像位置分布。可以存储水平和垂直角度的这些组合，并将其用于待校准的每一探测仪器。在优选实施例中，对校准点的至少一个图像，在两个面上获取图像位置数据和相应的方位数据。因此，在对第一面获取数据后，将照相机绕垂直轴旋转200gon或180度并接着倾斜为400gon减去在第一面的测量中设置的垂直角度。这里假设为零的垂直角对应着顶点。在这种情况下，在用于校准的数据中倾斜轴误差会表现得更加明显，因此校准会更加精确和/或迅速。对具有处理图像传感器所获取的图像数据的数据处理单元的探测仪器的校准一旦完成，可将相应的模型数据存储在分立于探测仪器或集成在探测仪器之中的数据处理单元内。另外，数据处理单元中可存储程序，该程序可以在校准所用的模型、所获得的模型参数、所设置的水平和垂直角的基础上进行在图像传感器上成像的目标点方向的计算。因此，本发明的另一方面提供了一种探测仪器，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴能够随着照相机绕垂直轴的转动而绕着垂直轴旋转，该探测仪器采用依照本发明的方法进行校准。特别地，探测仪器可包含用于执行程序的处理器和非易失性存储器，在该存储器中存有校准所得的模型参数值以及采用校准所用模型实现校准的程序代码。因此，本发明的另一方面提供一种探测仪器，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴绕着垂直轴随着照相机绕垂直轴的转动被旋转，其中，目标点通过照相机在图像传感器上的成像可以通过使用工作在固定于照相机的坐标系中的照相机模型以及用于在仪器坐标系和照相机坐标系之间进行坐标变换的变换模型来建模，该仪器还包含数据处理单元，在该单元中存有用照相机和变换模型确定用照相机捕获的目标点的方向的程序代码，其中，用通过照相机模型获得的方向、变换模型以及目标点距仪器坐标系原点的距离来计算仪器坐标系原点到目标点的方向。探测仪器优选为还包含用于测量目标点到仪器坐标系原点之间距离的距离测量装置。仪器坐标系原点优选为倾斜轴和垂直轴的交点或最接近倾斜轴和垂直轴的点，故该仪器可被用作已知的仅具有望远镜的准距仪。特别地，照相机可以在平行于倾斜轴的方向从仪器坐标系原点偏离。此外，提供用于探测仪器的计算机程序，探测仪器包含数据处理系统、基座元件以及具有图像传感器的照相机，该照相机绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并绕倾斜轴旋转，倾斜轴绕垂直轴随着照相机绕垂直轴的转动而被旋转，其中，目标点通过照相机在图像传感器上的成像可通过工作在固定于照相机的坐标系下的照相机模型以及用于在仪器坐标系和照相机坐标系之间变换坐标的变换模型来建模，该计算机程序包含程序代码， 该程序代码用于采用照相机和变换模型来确定照相机所捕获的目标点的方向，其中，在数据处理系统执行该程序时，用通过照相机模型、变换模型以及目标点距仪器坐标系原点的距离所获取的方向来计算从仪器坐标系原点到目标点的方向。本发明的另一个方面提供一种探测仪器，该探测仪器具有带有图像传感器的照相机，其中，目标点通过照相机在图像传感器上的成像可以通过使用具有投影中心的照相机模型来建模。该探测仪器还包含基于图像传感器所捕获的图像来显示图像的显示器以及用于控制该显示器以显示表示视轴的标记的控制单元，该视轴由投影中心和倾斜轴与垂直轴的交点或距离倾斜轴与垂直轴最近的点来确定。视轴的这一摄影测量定义具有这样的优点，即十字准线由摄影测量视轴与图像平面即图像传感器平面的交点所确定，竖盘指标误差和侧向视准误差为与距离无关的常数。因此可容易地在测量数据的处理中考虑进这些误差。
下面参照附图用举例的方式详细阐释本发明的典型实施例，在附图中图1示出了具有相应坐标系和目标点的准距仪的原理性透视图；图2A示出了图1中准距仪的顶视图，该仪器具有视准误差；图2B示出了图1中准距仪的前视图，该仪器具有倾斜轴误差；图2C示出了图1中准距仪的侧视图，该仪器具有垂直高度指标误差；图3示出了电视准距仪的简化后的透视图；图4示出了本发明所用的电视准距仪的前视图；图5示出了图4中电视准距仪的望远镜单元的侧视图；图6示出了图4中电视准距仪的原理框图；图7示意性地示出了具有数据处理系统和可延伸的准直仪的图4中的电视侧距仪；图8示出了图7中准直仪的示意性剖视图；图9示出了针孔照相机模型；图10示出了在以本发明第一典型优选实施例的方法用于校准的模型中，所用像平面和轴的布置以及坐标系的透视图；图11示出了图10中布置的顶视图；图12示出了图11中布置的侧视图；图13以流程图形式示出了校准方法的概观；图14示出了在图13中方法的Sl部分中，生成校准点图像的流程图；图15示出了更详细的流程图，其阐释了图14所示方法的步骤S7中点的图像的生成；图16示出了虚像点的虚距离的计算；图17示出了图4到6中电视准距仪的第一图像传感器的部分以及覆盖该图像传感器部分的单元的布置；图18示出了采用根据本发明第二优选典型实施例来校准图4到6的电视准距仪的机构；图19示出了相对于仪器中心的方向的计算；图20示出了图1中电视准距仪的显示器以及在显示器上显示的指示摄影测量视轴的标记的原理视图；图21示出了用于阐释根据本发明另一典型实施例的方法的原理图；图22示出了另一电视准距仪的望远镜单元的示意性的侧面剖面视图，该电视准距仪能用图13到15的方法校准；图23原理性地示出了又一种准距仪的设计；图M为两种坐标系和主要旋转的透视图；图25示出了在包含水平轴的水平面中的主要关系；以及图沈示出了在包含垂直轴的垂直面中的主要关系。
具体实施例方式可通过本发明的方法的第一典型优选实施例进行校准的电视准距仪11在图4到 6中以简化的形式示意性地示出。照准仪12被布置在用作电视准距仪11的支撑的三脚架14的基座元件13之上。 照准仪12可绕垂直轴15旋转，如果电视测距仪11相对于地面被恰当定向，则垂直轴15被定向为垂直于地面。照准仪12载有望远镜单元16，望远镜单元16包含外壳17、具有广阔视场的寻像照相机(finder camera) 18、望远照相机19。望远镜单元16可绕倾斜轴20旋转，倾斜轴20在倾斜轴误差范围内垂直于垂直轴15。因此，倾斜轴14随着照相机18和19 之一的转动而绕垂直轴15旋转。控制面板21可拆卸地装载在照准仪12上。照准仪12可藉由手柄86拿起。设置旋转和倾斜驱动器22和23分别用于绕垂直轴15旋转照准仪12和绕倾斜轴 20倾斜望远镜单元16。为了测量绕垂直轴15的旋转角度即水平角度，为水平角度传感头25提供有刻度的水平盘对，水平盘M与垂直轴15同轴。传感头25装在照准仪12上，可感知照准仪12 相对于基座元件13的角位置并由此感知望远镜单元16、照相机18和19相对于基座元件 13的角位置。为了测量绕倾斜轴20的旋转的角度即测量倾斜，即垂直角度，相应地将有刻度的竖盘沈装载在倾斜轴20上，且与倾斜轴20同轴。用于垂直角的传感头27同样装在照准仪12上，其可检测望远镜单元16的角位置。电视准距仪11还包含布置在照准仪中的光学铅锤观，其包含沿垂直方向指向下方的小型望远镜。该小型望远镜的光轴基本与垂直轴12同轴。因此，光学铅锤观可用于将电视准距仪11的中心定位在地上的一点(例如界石)之上，或将电视准距仪11定位在地上的一点。作为替代物，可使用沿垂直方向向下射出光束的光学铅锤，该光束基本与垂直轴12同轴。布置在照准仪12中的倾斜度传感器或倾斜仪四对照准仪12的倾斜度进行测量， 故在互相垂直的两个方向上测量出电视测距仪11的倾斜度，也因此能够检查垂直轴15是否在给定的测量准确度范围内位于真正的垂直方向，以及倾斜轴20是否合乎倾斜轴误差地位于相对于地面的真正水平方向。将三种光学装置布置在望远镜单元16中，在图4中示出了望远镜单元16的前视图，并在图5中的侧视剖面视图示出。它们为寻像照相机18、望远照相机19和测距装置30。望远照相机19包含物镜31、聚焦透镜32和第一图像传感器33。目标或目标点由物镜31和聚焦透镜32成像在图像传感器33上，其中，为了将图像聚焦到图像传感器上，沿物镜31和聚焦透镜32的光轴移动聚焦透镜32，如图5中的箭头所指示。望远照相机19的视场相当狭窄，其在图5所示的边界光线34的范围内。寻像照相机18使用望远照相机19的某些光学元件。寻像照相机18包含物镜31、 布置在物镜31的光路上的分光棱镜35、辅助物镜35、光阑(diaphragm) 37和第二图像传感器38。物镜31和辅助物镜36的组合物镜将来自寻像照相机18所捕获画面的光聚焦到第二图像传感器38之上。在组合物镜中，透过物镜31的光被分光棱镜35的半反射表面39朝向辅助物镜36进行反射。辅助物镜36减小了用于寻像照相机18的组合物镜的焦距。光阑37确保将大于几米的距离上的目标在第二图像传感器38上基本上聚焦地成像，因此对寻像照相机18来说不再需要聚焦透镜。由于减小了组合物镜的焦距，寻像照相机18的视场(如图5中限制线40所示)大于望远照相机19的视场。寻像照相机18的视野优选为望远照相机19视野的十倍或十倍以上。第一和第二图像传感器33和38均为包含光检测元件的布置的CXD矩阵传感器， 该布置非常近似于矩形。图像传感器所捕获的图像由下文进一步讨论的单元进行处理。测距装置30包含光辐射发射/接收单元41、具有分光层43的二色分光棱镜42以及物镜31。发射/接收单元42发射红外辐射，该红外辐射被二色分光棱镜42朝向物镜31 进行有选择的反射。接着，该红外辐射击中地形中的反射物或目标并从那里被返还。物镜 31通过分光棱镜42将被返还的红外辐射聚焦到发射/接收单元41。发射/接收单元41 发射红外辐射脉冲并测量脉冲从发射/接收单元41到目标并返回发射/接收单元41的飞行时间，并由飞行时间确定目标距电视准距仪11的距离。电视准距仪11中部件的任何移动均通过电子方式实现。图6为原理性示出电视准距仪11不同的功能块及其相互连接的框图。虚线示出了物理单元，其中布置有相应的组件和装置。布置在照准仪12中的电池44为电源单元45提供能量，电源单元45用于向电视准距仪11提供能量。电源单元45以所需要的运行电压向照准仪12中的所有部件和装置以及望远镜单元6供能，还为与其相连接的所有模块供能。为更好的观看，没有示出这些连接线。各个部件可通过独立的线进行连接，如同照准仪12中的部件那样，或者通过中央总线46连接，中央总线46提供照准仪12与望远镜单元16之间的数据和电源线。布置在倾斜轴20上的滑动环47连接总线46的照准仪12中的部分和望远镜单元16。望远镜单元 16中的电气部件或电子部件借助这些滑动环47被供能并与照准仪12中的部件交换数据。布置在垂直轴15上的滑动环47'能保证来自外部的供能并保证通过未示出的插头进行来自或送至外部装置的数据传输。对于电视准距仪11的控制和运行，电视准距仪11装备有控制面板21和以角度编码器形式布置在照准仪12上的运行单元48、49、50，其可通过相应的旋钮进行操作。控制电视准距仪11运行的重要电子装置是布置在照准仪12中并由电源单元45供能的设备控制单元51。控制面板21用于操作者和电视准距仪之间的通讯，其配备有用于输入的键盘52、 例如IXD的显示器53、与显示器53和键盘52相连接的计算机M，其中，显示器53用于输出数据和照相机18、19的其中之一分别捕获的图像。控制面板21通过可松开的连接55与布置在照准仪12之中的设备控制单元51以及电源单元45相连接。由于控制面板21是可拆卸的，其可以配有自己的电池，这保证了计算机M即使在控制面板21从照准仪12拆除时也能继续工作。计算机M通过连接56连接到设备控制计算机51，其可通过它的程序和数据存储器进行大量的大地测量计算。运行单元48、49、50通过相应的接口 57连接到设备控制计算机51。接口 57能分别生成与运行单元48、49、50的旋转位置一致的信号，这些信号被传送到设备控制单元51。运行单元48和49分别对照准仪12绕垂直轴15的转动、望远镜单元16绕倾斜轴 20的倾斜进行控制。分别按照来自运行单元48和49的信号以及来自接口 57的信号，设备控制装置51通过照准仪12中的控制电路58和59分别控制驱动器22和23以绕垂直轴 15旋转照准仪12和绕倾斜轴20倾斜望远镜单元16。角度测量可用于驱动器22和23的控制。驱动器22和23不必唯一地由运行单元48和49分别控制，而是还可在根据由设备控制单元51存储并执行的程序被控制，或者根据发送到设备控制单元51的命令被控制。驱动器22和23与角度测量装置协作，该角度测量装分别为用于水平角度的有刻度的水平盘M以及相应的传感头25，或用于垂直角度的有刻度的竖盘沈以及相应的传感头27，因此，可以按照期望以可测量的方式绕垂直轴15旋转具有望远镜单元16的照准仪 12，并绕倾斜轴20旋转望远镜单元16，且可将照准仪12和望远镜单元16引到所想要的水平和垂直角位置。通过设备控制计算机51，和其他目的一起达到此目的，设备控制计算机 51接收来自传感头25和27的信号，并按照所述信号，控制控制电路58以控制水平驱动器 22，以及控制控制电路58以控制垂直驱动器23。照准仪12绕垂直轴5有待旋转到的角度以及望远镜单元16绕倾斜轴20有待旋转到的角度可用三种方式提供。首先，运行单元48和49能将相应的角度输入到设备控制计算机51。其次，设备控制计算机51能以来自电视准距仪11其他部件的数据的函数来确定将要设置的角度，并相应地分别对控制电路58和59进行控制。第三，相应的数据可通过例如RS232接口的接口 60输入到设备控制单元51。具有天线62并连接到设备控制计算机51的无线电模块61，用于与例如遥控器的远程设备之间交换数据。例如，电视准距仪11能通过遥控器或遥控站进行远程控制，该遥控器或遥控站位于测量的目标点上，但在附图中没有示出。为了处理图像传感器33和38的信号，在望远镜单元16中提供数据压缩单元63， 其对自图像传感器33和38接收的图像数据进行压缩。接着可将压缩后的数据送到设备控制单元51，设备控制单元51可处理和/或将数据转送到计算机M和显示器53。为了控制聚焦透镜32的位置，布置在照准仪12处的、与运行单元48和49类型相同的运行单元50通过接口 57向设备控制单元51提供信号，设备控制单元51又将相应的控制信号提供给布置在望远镜单元16中的伺服控制单元64以驱动用于移动聚焦透镜32 的相应的聚焦驱动器。附图中未示出此驱动器。
设备控制单元51还连接到上述光学铅锤观和倾斜度传感器四。设备控制单元51包含易失性存储器、非易失性存储器和处理器，处理器用于执行存储在非易失性存储器中的程序。该程序适用于处理图像传感器33和38所分别获取的图像，并采用控制面板21中的计算机M将处理的图像显示在显示器53上。该程序还包含一程序模块，该模块可将目标点(其图像被望远照相机19捕获)的方向作为该目标点的图像在图像传感器33上的位置、从水平盘M和竖盘沈读出的水平和垂直角度的函数来进行计算。目标点可通过附图中未示出的、通过计算机M连接到设备控制单元51的指示装置进行选取，例如鼠标。电视准距仪11还可通过按照本发明第一典型实施例的用于校准探测仪器的方法，采用如本发明第一典型实施例的数据处理系统65以及延伸的准直仪66进行校准。该设制在图7中示意性示出。数据处理系统65包含处理器67、用于存储由处理器67执行的程序以及永久和暂时数据的存储器68、用于读取校准用数据并将命令发送到待校准探测仪器(即电视经纬仪 11)的接口 69。在本实施例中，接口 69为RS232接口。数据处理系统65还包含对存储介质的读取器，在这种情况下是CD-ROM驱动器70，用于从CD 71形式的存储介质中读取根据本发明第一优选典型实施例的计算机程序，在CD71上存有根据本发明第一优选典型实施例的计算机程序。当计算机程序通过⑶-ROM驱动器70从⑶71读出并存储在存储器68中后，可由处理器67执行该程序以完成有待数据处理系统执行的校准方法之步骤。数据处理系统65通过连接72连接到电视准距仪11的接口 60，在本施例中连接 72为合适的电缆。该设制还包含准直仪66，其用于生成虚校准点。准直仪66在图8中详细示出，其包含引导管元件73和被导管元件74。被导管元件74在被管元件73导引时，可在引导管元件73中移动。引导管元件73可通过附图中未示出的装载工具装载在相对于地面固定的位置上。借助通过旋钮进行操作的齿条-齿轮驱动器75可使被导管元件74相对于引导管元件 73滑动，图8中未示出该旋钮。被导管元件74相对于引导管元件73的位置可通过适当的测量装置确定到微米的准确度，例如，通过刻在管元件73和74上的刻度87。布置在被导管元件74中的照明装置76照亮了背景玻璃屏幕77。被照亮的背景玻璃屏幕77照亮了第一十字准线78。在照明装置76发射出的光的光路上布置分光器79，其将透过第一十字准线78的光变换方向到朝向装载在引导管元件73中的物镜80。物镜80 将十字准线78作为实像或虚像成像到由物镜80距第一十字准线78之间距离所确定的距离上。为了校准的目的，第一十字准线78定位在介于物镜80和其物侧焦点之间。故十字准线78表示可用于产生虚校准点的浮标。在物镜80的经过分光器79的光轴上布置第二十字准线81，第二十字准线81可以用目镜82观测。为了校准带有处于工作状态的望远照相机19的电视准距仪11，采用包含可为校准进行调节的模型参数的模型。该模型包含两个子模型。第一子模型为用于将固定于基座元件13的坐标系下的坐标变换到固定于照相机即望远照相机19的照相机坐标系。第一子模型包含在仪器上设置的水平和垂直角度参数以及关于如以上介绍所提到的轴误差的参数，即倾斜轴误差和某些形式的视准误差和竖盘指标误差。第二子模型为照相机模型，其表示目标点由照相机在照相机的图像传感器上的成像。在本实施例中，采用针孔模型。本模型中大致采用两种坐标系。第一坐标系称为仪器坐标系，其相对于基座元件 13固定(见图4)。其为原点位于垂直轴15与倾斜轴20的交点且具有互相垂直的X轴、Y 轴、Z轴的笛卡尔坐标系。在这些轴不相交的情况下，将最接近这些轴的点用作坐标系的原点。如果垂直轴15垂直于地面，由于X轴和Y轴垂直于垂直轴15，故为水平方向。在本坐标系中+点P具有笛卡尔坐标(X，Y，Z)。其次，采用了照相机坐标系，其相对于照相机19固定，由χ轴、y轴、ζ轴确定，所有三轴相互垂直。点P的位置可用照相机坐标系中的坐标(X，y, ζ)描述。在下文中，仪器坐标系中的坐标用大写字母表示，而照相机坐标系中的坐标用小写字母表示。首先，参照图9详细介绍照相机模型。用作照相机模型的针孔模型假设由照相机在图像传感器上成像的点P可用该点通过投影中心0在图像平面IP上的投影描述，图像平面IP与图像传感器33有关，并具体地可在同一平面上。因此，图像平面IP和投影中心0相对于像平面的位置确定了针孔模型。由于投影中心相对于像平面的位置由照相机光学器件——此处为物镜31和聚焦透镜32——确定， 该位置表示了照相机的光学特性尤其是照相机的成像特性。目标点P到图像平面的成像用目标点通过投影中心0在像平面上的投影表示(见图9)。假设像平面大致为图像传感器的平面，故照相机坐标系的χ轴和y轴平行于像平面。照相机直角坐标系的ζ轴为通过投影中心垂直于像平面的直线。由于图像总是在像平面上，所述位置可以仅用χ和y坐标来描述。令(X，y，ζ)为照相机坐标系中点P的坐标，(X。，y0, Z0)为照相机坐标系中投影中心的坐标。因此，通过投影中心0垂直于像平面IP的该直线一即Z轴——的穿刺点 (piercing point)Hp在11平面内具有坐标 和7(1。此外，(x' ,y' ,z')表示点P通过照相机在像平面上产生的像P'的坐标。如果照相机的光学器件不产生失真，通过简单的几何证明可以得到下面的关系(见图9)
权利要求
1.一种探测仪器，其包含基座元件和具有图像传感器的照相机，所述照相机可绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并可绕倾斜轴旋转，所述倾斜轴随所述照相机绕所述垂直轴的转动而绕所述垂直轴旋转，其中，目标点被所述照相机在所述图像传感器上的成像可用照相机模型和变换模型进行建模，所述照相机模型在固定于所述照相机的坐标系中工作，所述变换模型用于在仪器坐标系和所述照相机坐标系之间进行坐标变换，该仪器还包含数据处理单元，其被编程以用于采用所述照相机模型和所述变换模型来确定被所述照相机捕获的目标点的方向，其中，采用通过所述照相机模型和所述变换模型获取的方向以及所述目标点距离所述仪器坐标系原点的距离来计算从所述仪器坐标系的所述原点到所述目标点的方向。
2.一种具有带有图像传感器的照相机的探测仪器，其中，目标点被所述照相机在所述图像传感器上的成像可用照相机模型进行建模，该照相机模型具有投影中心、基于由所述图像传感器捕获的图像来显示图像的显示器以及用于控制所述显示器以显示一个标记的控制单元，所述标记表示视轴，该视轴由所述投影中心以及所述倾斜轴和所述垂直轴的交叉点或距离所述倾斜轴和所述垂直轴最近的点来限定。
3.一种用于校准探测仪器的系统，所述系统包括探测仪器，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，所述照相机可绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并可绕倾斜轴旋转，所述倾斜轴随所述照相机绕所述垂直轴的转动而绕所述垂直轴旋转，准直仪，其具有能在准直仪物镜和所述准直仪物镜的焦点之间被移动的标记和用于移动该标记的驱动器，以及数据处理系统，该数据处理系统包括输出接口，其与所述准直仪的所述驱动器相连以响应于所述数据处理系统产生的控制命令来移动所述标记，处理器，其被编程以进行用于校准所述探测仪器的方法，其中采用了与校准点以及与在不同面上被捕获的所述校准点在所述图像传感器上的图像相关联的数据，每一所述校准点的所述数据包含表示每一所述校准点与所述探测仪器之间距离的距离数据；以及每一所述校准点的每一所述图像的所述数据包含图像位置数据和方位数据，所述图像位置数据表示每一所述校准点的所述图像在所述图像传感器上的位置，所述方位数据表示所述倾斜轴绕所述垂直轴旋转的水平角度以及所述照相机绕所述倾斜轴倾斜的垂直角度，并且，其中， 基于每一所述校准点的所述距离数据、所述校准点的每一所述图像的所述图像位置数据和方位数据，对所述探测仪器进行校准，并在同时考虑所述照相机的至少一个光学特性、所述垂直轴和所述倾斜轴的至少一个的相对方位以及所述照相机相对于所述基座元件、所述垂直轴和所述倾斜轴三者其一的方位；以及用于读取与校准点以及该方法中所用的所述校准点的图像相关联的数据的接口。
全文摘要
本发明公开了一种用于校正探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件(3)和具有图像传感器(10)的照相机，照相机可绕相对于基座元件固定的垂直轴(2)旋转并可绕倾斜轴(4)旋转，倾斜轴随所述照相机绕所述垂直轴的转动而绕所述垂直轴旋转。其中，利用与校准点(P)以及与在不同面上被捕获的所述校准点在所述图像传感器上的图像(P1)相关的数据，每一所述校准点的所述数据包含距离数据；每一校准点的每一图像的数据包含图像位置数据和方位数据。另外，基于对每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的图像位置数据和方位数据，对探测仪器进行校准，并在同时考虑照相机的至少一个光学特性、垂直轴和倾斜轴的至少一个的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴和倾斜轴三者其一的方位。
文档编号G01C25/00GK102353359SQ201110149448
公开日2012年2月15日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者M·弗格尔 申请人:特里伯耶拿有限公司