面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，可用于在文物微小变化检测过程中对拍摄相机进行有效的重定位，恢复前一次拍摄时相机的位置和姿态。本发明包含两个部分，第一部分是发明涉及的设备的组合与改良，涉及的主要设备包含了激光标线仪及相机拍摄所需的相关设备。第二部分是针对于这种设备组合而完成相机重定位的方法，该方法首先通过调节水平来消除相机姿态6个自由度中的2个自由度，对于其余的4个自由度，利用激光标线仪及墙壁上的基准点，通过记录4类基准点的方式来确定并进行相机姿态恢复，从而完成相机的重定位工作。该方法具有原理及操作明确、操作确定性强、精度有较高保证、稳定性强等优点。
【专利说明】面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及文物保护领域，特别涉及一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，可用于在文物微小变化检测过程中对拍摄相机进行有效的重定位，恢复上一次拍摄时相机的位置和姿态。
【背景技术】
[0002]目前，直接以恢复相机的位置和姿态为目标的相机重定位研究并不多，ShottonJ等[1]于2013年发表的论文研究了利用深度相机(RGB-D camera)实现相机重定位的方法，但该方法需要通过算法训练已知的场景环境，然后借助深度相机拍摄的带有深度信息的图像才能实现特定位置相机姿态估计，从而完成相机重定位工作。同时，重定位工作也一直是SLAM (及时定位与地图构建)中研究的内容然而，该方面研究中重定位仅作为中间过程，其目标为了构建地图和实现导航，其方法也往往借助机器人不断运动过程中连续采集的各种信息来构建场景，进而实现机器人位置的定位。因此，这些方法难以应用在针对某一特定位置来实现相机重定位而无需构建周围整个场景信息的情况，本发明提出的相机重定位方法可以有效实现在特定位置下相机重定位工作，从而可以对拍摄内容发生的变化进行监测。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，本方法借助不同设备的功能组合和操作方案设计，从而实现对相机的位置和姿态的恢复，详见下文描述:
[0004]一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，所述方法包括首次定位和重定位步骤；
[0005](I)在水平激光线上选取D类基准点，在三条垂直激光线上选取A类基准点、B类基准点和C类基准点，则首次定位完成；
[0006](2)通过调整使水平激光线过D类基准点；第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点；
[0007](3)移动支架位置，第一激光标线仪在第一垂直激光线和第二垂直激光线确定的面上移动，使得第三垂直激光线过C类基准点；
[0008](4)再次调节平台水平，微调校准四类基准点对正后即完成重定位；
[0009](5)通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起。
[0010]所述在水平激光线上选取D类基准点，在三条垂直激光线上选取A类基准点、B类基准点和C类基准点的操作具体为:
[0011]通过第一激光标线仪获取水平激光线，在水平激光线上选取一个或多个标志点作为D类基准点；
[0012]通过第一激光标线仪分别获取前后方向上的第一垂直激光线、第二垂直激光线，在前方第一垂直激光线上选取一个或多个特征点作为A类基准点，在后方第二垂直激光线上选取一个或多个特征点作为B类基准点；
[0013]通过第一激光标线仪分别获取左或右方向上的第三垂直激光线，在第三垂直激光线上选取一个或多个特征点作为C类基准点。
[0014]所述通过调整使水平激光线过D类基准点；第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为:
[0015]打开第一激光标线仪，根据D类基准点调节支架到合适高度，使第一激光标线仪的水平激光线过D类基准点；
[0016]根据第二相机拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第一激光标线仪的前后方向垂直激光线，使第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点。
[0017]所述方法还包括:第二激光标线仪，
[0018]相应地，所述第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为:
[0019]第二激光标线仪前后两侧垂直发出的激光线VL1’、VL2’与第一激光标线仪前后两侧的垂直激光线VL1、VL2重合，同时第二激光标线仪的垂直激光线部分VL1’、VL2’投射在地面上，第一激光标线仪在地面投射的激光点沿第二激光标线仪在地面投射的线而行，保证VL1’、VL2’分别与VLU VL2重合。
[0020]所述方法还包括:第三激光标线仪，
[0021]相应地,移动支架位置,第一激光标线仪在第一垂直激光线和第二垂直激光线确定的面上移动，使得第三垂直激光线过C类基准点的操作具体为:
[0022]第三激光标线仪的一条垂直激光线经过C类基准点，移动支架时，使第一激光标线仪的第三垂直激光线与第三激光标线仪的激光线垂直即可。
[0023]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明在现有设备的基础上，选取合适的设备进行组合，自主设计了一套合理的面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，有效解决了相机重定位的问题，定位过程快，操作灵活，有如下优点:
[0024]a.重定位原理明确，操作确定性。本发明在操作原理上利用水平面消除两个自由度，借助两个互相垂直面相交确定位置，并确定了一个角度方向，因此原理明确简洁，从而使操作确定性高。
[0025]b.辅助设备少。在设备上，本发明完成相机重定位所需的辅助设备只需要激光标线仪及辅助记录基准点的相机。
[0026]c.理论重定位精度高。本发明采用了激光标线仪来辅助重定位，由于A类和B类基准点一般相聚较远，重定位时微小的误差会引起激光线与A、B类基准点重合度有较大变化，因此当激光线与A、B类基准点重合较好时，重定位精度比较高。
[0027]d.同类基准点可选择多个，保证了重定位时的稳定性。在基准点选择上，无论是A类、B类、C类还是D类基准点，都可以选择所对应水平或者竖直激光线上的多个点，从而较好地消除了单个基准点的不稳定性误差，增强了重定位的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】[0028]图1:重定位方法场景及基准点示意图；
[0029]图2:初次定位操作流程图；
[0030]图3:重定位操作流程；
[0031]图4:重定位误差分布直方图；
[0032]图5:第一组初定位拍摄结果图；
[0033]图6:第一组重定位拍摄结果图；
[0034]图7:第一组变化检测的结果图；
[0035]图8:第二组初定位拍摄结果图；
[0036]图9:第二组重定位拍摄结果图；
[0037]图10:第二组变化检测的结果图；
[0038]图11:第三组初定位拍摄结果图；
[0039]图12:第三组重定位拍摄结果图；
[0040]图13:第三组变化检测的结果图。
【具体实施方式】
[0041]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0042]激光标线仪(参见文献[5]):激光标线仪是用激光形成一条高亮度的扇形面，当激光投射到物体上时形成一条高亮度的激光线的设备，常在建筑领域和装潢领域用于找平、找准、划线等。现有的激光标线仪可输出两互相成90度的激光交叉线，有的还可以输出多条标志线:如I条水平线、4条垂直线，或者4条水平线、4条垂直线的情况。借助于激光标线仪，可以确定水平面，或者确定两个互相垂直的垂直面，利用这些良好的性质，可以有效辅助完成重定位工作。
[0043]为了实现对相机的位置和姿态的恢复，本发明实施例提供了一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，该方法包括:一是设备的改进与组合方案，二是基于上述设备方案的重定位操作方法，详见下文描述:
[0044]101:设备组合方案:列举了本发明所需要的主要设备及对设备的改进与设备组合方式。
[0045]a)激光标线仪:可以仅为第一激光标线仪LMIl，也可辅助第二激光标线仪LMI2和第三激光标线仪LMI3，使用的激光标线仪可在水平方向和两个相互垂直的竖直方向产生3个交叉的激光线(5条线)。
[0046]b)第一相机Cl (用于拍摄文物变化区域图片)、第二相机C2 (用于记录基准点)，光源、支架等相关拍摄设备。
[0047]c)设备的改进与组合:改进的第一激光标线仪LMI1，第一相机Cl，两种设备并排放置于载物平台(载物平台位于三脚架上)上并保持水平固定，固定后，第一激光标线仪LMIl和第一相机Cl的相对位置和旋转方向不发生变化，第一激光标线仪LMIl改进后投射的激光线随载物平面变化而变化，保证水平激光线与载物平面平行，垂直激光线与载物平面垂直。
[0048]102:相机重定位操作方法:相机重定位是根据首次定位时记录的相关信息进行重新恢复相机的位置和姿态，完整的过程包含了首次定位与重定位过程两个部分。其示意图见图1。
[0049]a.首次定位:将三脚架置于拍摄位置，使用第一相机Cl进行首次拍摄，并记录第一相机Cl重定位时所需要的定位信息，流程图如图2，其操作步骤如下:
[0050]步骤S1:连接相关设备，根据目标拍摄区域的位置，将三脚架置于文物前方合适拍摄位置和高度，使得第一相机Cl与目标区域高度基本相等，第一相机Cl拍摄图像大小范围对应于目标区域，然后调节相机摆角使第一相机Cl正对目标拍摄区域，并调节载物平面水平。
[0051]步骤S2:打开载物平台上的第一激光标线仪LMI1，其在前方墙壁上投射出水平激光线HL1，在该水平激光线HLl上选取一个或多个具有明显特征的标志点作为D类基准点。其中，基准点的选择应保证容易识别，例如:文物图像中十字交叉点、线的交汇点，独立的黑点，图像中物体或文字的顶点、尖点，图像上弧线与激光线相切点等，将上述容易识别的点定义为基准点。
[0052]步骤S3:打开第一激光标线仪LMIl的前后方向，其在前方和后方墙壁上分别投射出第一垂直激光线VL1、第二垂直激光线VL2，在前方第一垂直激光线VLl上选取一个或多个特征点作为A类基准点，在后方第二垂直激光线VL2上选取一个或多个特征点作为B类基准点。
[0053]步骤S4:打开激光标线仪LMIl的左右方向，其在左侧(或右侧)墙壁上投射出第三垂直激光线VL3，在第三垂直激光线VL3上选取一个或多个特征点作为C类基准点。
[0054]其中，A类基准点、B类基准点、C类基准点的选择标准和D类基准点一致，本方法在此不作赘述。
[0055]b.相机重定位:进行二次拍摄时恢复第一相机Cl上次拍摄时的位置和姿态信息，流程图如图3。其操作步骤如下:
[0056]步骤Tl:连接以上设备电源及第一相机Cl与电脑接线，根据第二相机C2记录的大概位置图片将三脚架初步放置到合适位置，调节支架水平。
[0057]步骤T2:打开第一激光标线仪LMIl，根据D类基准点调节支架到合适高度，使第一激光标线仪LMIl的水平激光线HLl过D类基准点。
[0058]步骤T3:根据第二相机C2拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第一激光标线仪LMIl的前后方向垂直激光线，使第一垂直激光线VLl、第二垂直激光线VL2分别过A类和B类基准点。
[0059]步骤T4:打开第一激光标线仪LMIl的左侧(或右侧，根据初次定位的选择而定)发射的第三垂直激光线VL3，在保证第一垂直激光线VLl、第二垂直激光线VL2分别过A类和B类基准点的情况下，移动支架位置，使得第一激光标线仪LMIl在第一垂直激光线VLl和第二垂直激光线VL2确定的面上移动，并使得第三垂直激光线VL3过C类基准点。
[0060]步骤T5:再次调节平台水平，微调校准四个基准点对正后即完成重定位。
[0061]其中，优选地，在步骤T4中，由于支架的移动比单个激光标线仪移动困难，可借助地面上辅助第二激光标线仪LMI2和第三激光标线仪LMI3方便完成操作，即在完成步骤T3后，打开激光标线仪，使得第二激光标线仪LMI2前后两侧垂直发出的激光线(VL1’和VL2’ )与第一激光标线仪LMIl前后两侧的垂直激光线(VLl和VL2)重合，同时第二激光标线仪LMI2的垂直激光线部分投射在地面上，此时不再移动第二激光标线仪LMI2，使得第一激光标线仪LMII在地面投射的激光点沿第二激光标线仪LMI2在地面投射的线而行，保证VL1’、VL2’分别与VLl、VL2重合也可满足在VLl、VL2分别过A类和B类基准点这一条件下移动支架。
[0062]同时，使第一激光标线仪LMIl左侧激光点经过C类基准点这一操作中，也可借助第三激光标线仪LMI3，使便于移动的第三激光标线仪LMI3的一条垂直激光线经过C类基准点，移动支架时，使第一激光标线仪LMIl的第三垂直激光线VL3与第三激光标线仪LMI3的该激光线垂直即可。
[0063]103:通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起。
[0064]在重定位的基础上，为了实现文物微小变化检测，实现初次拍摄图像和重定位图像的更进一步精确配准，在上述工作基础上，本发明借助计算机技术进一步修正相机姿态误差，采用图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起，该算法通过提取两张图像的特征点，计算两张图像拍摄时对应的姿态变化，然后通过仿射变换的方式将两张图像精确匹配到同一个尺度和位置上，分别提取两张变换后图像的公共区域，并在此基础上采用合适的变化检测技术对图像进行变化检测，变化检测图像见附图。本发明有效完成了相机重定位，相应的变化检测亦取得了很好的结果，图4为统计多次重定位后第一相机Cl位置和首次定位时第一相机Cl位置之间的实际距离差异得到的重定位误差范围分布图，从分布图上可以看出，重定位在位置精度上均在mm级，且多集中在较小的误差范围(O?4mm)，说明该方法达到了很好的重定位精度。
[0065]下面以具体的试验来验证本方法的可行性，详见下文描述:
[0066]以下三组实验均是在实验室环境，光线充足稳定条件下，以室内大型仿制壁画的多处场景为拍摄目标，利用以上设备和方法，在拍摄距离为I?2米条件下，分别对第一相机Cl进行初次定位拍摄后，人工模拟制造细微变化，然后对第一相机Cl重定位得到的图像。其中图5、图8和图11分别为三次实验初次定位时第一相机Cl的拍摄图像，图6、图9和图12为分别为重定位后第一相机Cl的拍摄图像，图7，图10，图13分别为图像变化检测的结果。图5，图6，图7，变化检测结果线长:65.5mm宽:0.82mm ;图8，图9，图10，变化检测结果圆最大直径:90.7mm;图11，图12，图13，变化检测结果平均线宽:2.4mm线长:45.2mm大圆点直径:12.3_小圆点直径:5.7_。这些结果表明通过该重定位方法能在图像检测出mm级别甚至0.1mm级别的变化，通过实际数据给出了变化检测的精度，同时也通过变化检测的精度反映了重定位的良好效果。
[0067]参考文献
[0068][I]Shotton J, Glocker B, Zach C，et al.Scene coordinate regression forestsfor camera relocalization in RGB-D images[C]//Computer Vision and PatternRecognition (CVPR), 2013IEEE Conference on.1EEE,2013:2930-2937.[0069][2]ffilliams B, Klein G, Reid 1.Automatic relocalization and loop closingfor real-time monocular SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEETransactions on,2011,33 (9):1699-1712.[0070][3]Davison A J, Reid I D, Molton N D, et al.MonoSLAM:Real-time singlecamera SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactionson, 2007，29(6):1052-1067.[0071][4]Durrant-Whyte H, Bailey T.Simultaneous localization and mapping:partI[J].Robotics&Automation Magazine, IEEE, 2006, 13(2):99-110.[0072][5]姚兴宇，曹笑宇.激光标线仪原理与检测方法[J].中国计量，2012(7):106-107.[0073]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0074]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，其特征在于，所述方法包括首次定位和重定位步骤； (1)在水平激光线上选取D类基准点，在三条垂直激光线上选取A类基准点、B类基准点和C类基准点，则首次定位完成； (2)通过调整使水平激光线过D类基准点；第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点； (3)移动支架位置，第一激光标线仪在第一垂直激光线和第二垂直激光线确定的面上移动，使得第三垂直激光线过C类基准点； (4)再次调节平台水平，微调校准四类基准点对正后即完成重定位； (5)通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起。
2.根据权利要求1所述的一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，其特征在于，所述在水平激光线上选取D类基准点，在三条垂直激光线上选取A类基准点、B类基准点和C类基准点的操作具体为: 通过第一激光标线仪获取水平激光线，在水平激光线上选取一个或多个标志点作为D类基准点； 通过第一激光标线仪分别获取前后方向上的第一垂直激光线、第二垂直激光线，在前方第一垂直激光线上选取一个或多个特征点作为A类基准点，在后方第二垂直激光线上选取一个或多个特征点 作为B类基准点； 通过第一激光标线仪分别获取左或右方向上的第三垂直激光线，在第三垂直激光线上选取一个或多个特征点作为C类基准点。
3.根据权利要求1所述的一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，其特征在于，所述通过调整使水平激光线过D类基准点；第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为: 打开第一激光标线仪，根据D类基准点调节支架到合适高度，使第一激光标线仪的水平激光线过D类基准点； 根据第二相机拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第一激光标线仪的前后方向垂直激光线，使第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点。
4.根据权利要求1所述的一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，其特征在于，所述方法还包括:第二激光标线仪， 相应地，所述第一垂直激光线、第二垂直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为: 第二激光标线仪前后两侧垂直发出的激光线VL1’、VL2’与第一激光标线仪前后两侧的垂直激光线VL1、VL2重合，同时第二激光标线仪的垂直激光线部分VL1’、VL2’投射在地面上，第一激光标线仪在地面投射的激光点沿第二激光标线仪在地面投射的线而行，保证VL1’、VL2’ 分别与 VL1、VL2 重合。
5.根据权利要求1所述的一种面向文物微小变化检测的相机四点重定位方法，其特征在于，所述方法还包括:第三激光标线仪， 相应地，移动支架位置，第一激光标线仪在第一垂直激光线和第二垂直激光线确定的面上移动，使得第三垂直激光线过C类基准点的操作具体为:第三激光标线仪的一条垂直激光线经过C类基准点，移动支架时，使第一激光标线仪的第三垂直 激光线与第三激光标线仪的激光线垂直即可。
【文档编号】G01C11/00GK103900535SQ201410085340
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】冯伟, 孙济洲, 田飞鹏, 雒伟群, 张屹峰 申请人:天津大学