视觉测量仪和视觉测量方法与流程

本申请涉及一种视觉测量仪和视觉测量方法。

背景技术：

对于被测物体的空间三维尺寸和位置测量，一般采用激光跟踪仪系统或数字近景摄影测量系统。激光跟踪仪系统通过度盘测量角度以及激光测距，来获取被测物体的空间信息，其具有高精度、可靠性强等优点。数字近景摄影测量系统是通过相机在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经图像处理匹配等相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标，其具有非接触、高效率等显著优点。

在航空航天、造船、核能、轨道交通、大科学装置等领域中，由于被测物体的一些特殊性，对测量仪器提出了非接触、高精度、高效率的要求。而激光跟踪仪系统在测量过程中，获取仪器至被测物体之间的距离和角度时，需要将反射镜直接安放在被测物体的表面，无法满足非接触测量的要求；同时，激光跟踪仪测量方式为逐点测量，效率较低，耗时较多。数字近景摄影测量系统，采用点阵测量，效率非常高，而且测量时可在被测物体上永久安装测量目标，可以满足非接触测量的要求。但是由于数字近景摄影测量系统需要解算不同测量站位的相机之间的相对位置和姿态关系，而完全依赖相机拍摄到的外部目标点来建立不同相机站位之间的联系，将无法达到较高的测量精度；同时，数字近景摄影测量系统没有垂线基准，无法直接获取被测物体的水平姿态和高差。

Leica公司生产的TS16全站仪，除了具有度盘测量角度信息外，还在全站仪的望远镜上方加载了一个相机，因此，TS16也可以用来进行摄影测量，同时获取相片之间的角度信息。但是这样做的主要目的不是为了摄影测量，而是为了用相机图像辅助瞄准全站仪目标。全站仪都是采用人眼观测，即人眼通过望远镜的视准轴瞄准目标观测，这样人眼容易疲劳而且效率不高。TS16全站仪通过相机在触摸显示屏上显示望远镜视场的图像，用户触摸显示屏上的被测物体的图像，驱动全站仪的视准轴粗略瞄准被测对象，这样节省了瞄准时间。因此，TS16全站仪主要目的不是用来进行摄影测量，它主要还是采用度盘测角和电磁波测距来确定目标坐标。其缺点为：1、TS16相机的主光轴与全站仪的视准轴不同轴，相机的焦点或像平面与全站仪的仪器中心点没有确定的位置关系；2、TS16相机主要参数为：500万像素，视场为19.4°，相机传感器及镜头分辨率低、视场狭窄。虽然TS16可以通过用户自行标定的方法来确定主光轴与视准轴的关系以及相机的焦点或像平面与全站仪的仪器中心点的位置关系，但是在水平度盘和垂直度盘运动的综合作用下，系统复杂度大幅提升,无法达到较高精度。

技术实现要素：

本申请的目的是：针对上述技术问题，本申请提出一种视觉测量仪及视觉测量方法，其具有非接触、高精度、高效率的特点，并且大大提高了摄影测量的精度。

为了达到上述目的，本申请的技术方案是：

一种视觉测量仪,包括：

机身；

水平度盘，该水平度盘连接在所述机身上，并能够绕其竖直布置的中心轴旋转运动；

垂直度盘，该垂直度盘连接在所述机身上，并能够绕其水平布置的中心轴旋转运动；

固定在所述垂直度盘上且相互连接的镜头和图像传感器；以及

与所述机身固定的水平传感器；

所述水平度盘的中心轴和所述镜头的主光轴均分别垂直于所述垂直度盘的中心轴，并且所述水平度盘的中心轴、镜头的主光轴和垂直度盘的中心轴相交于一点，所述镜头的主光轴与所述图像传感器的像平面垂直相交，所述图像传感器的感光单元阵列的行阵与所述垂直度盘的中心轴平行，所述图像传感器的感光单元阵列的列阵与所述垂直度盘的中心轴垂直，所述水平传感器的中心轴与所述水平度盘的中心轴平行。

本申请这种视觉测量仪在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述机身上设置有与所述水平度盘传动连接的水平方向调节旋钮。

所述机身上设置有与所述垂直度盘传动连接的垂直方向调节旋钮。

所述机身上设置有与所述图像传感器、垂直度盘、水平度盘和水平传感器均相连的显示屏。

所述机身通过设于所述水平度盘底部的三爪连接件锁紧固定在一仪器支架上。

一种视觉测量方法，其利用上述结构的视觉测量仪实施，定义所述水平度盘中心轴、所述镜头主光轴和所述垂直度盘中心轴的交点为仪器中心点，定义所述镜头的主光轴与所述图像传感器的像平面的交点为像主点，所述像主点到所述仪器中心点的距离为已知距离，该方法包括以下步骤：

1)将视觉测量仪布置在第一测量站位，利用所述水平传感器将视觉测量仪调整至水平；

2)将所述镜头对准要测量的目标物进行拍摄，所述图像传感器获取目标的图像；而且在拍摄测量过程中，转动所述水平度盘和所述垂直度盘，而使所述镜头的主光轴绕所述垂直度盘的中心轴和所述水平度盘的中心轴转动，每转动一个位置拍摄一张图像，从而在同一个测量站位拍摄得到多张目标物的图像；每次拍摄时，均记录拍摄的数字图像、水平度盘和垂直度盘的角度信息、以及水平传感器的姿态信息；

3)将视觉测量仪搬至下一个测量站位，重复上述步骤1)和步骤2)；

4)如此重复步骤3)若干次，从而在多个测量站位对目标物进行拍摄；

5)多站测量完成后，将所有单站拍摄的图像以及单站拍摄图像时的水平角、垂直角和和水平传感器的姿态信息一起进行整体计算；全局坐标系下目标点的坐标(X,Y,Z)与其在图像传感器上的投影点在视觉测量仪的图像坐标系下的坐标(u,v)数学关系式为：

上式中，矩阵M1为视觉测量仪的内部参数矩阵，其中的参数只与视觉测量仪的图像传感器和镜头有关；矩阵M2为视觉测量仪的外部参数矩阵，为图像坐标系与全局坐标系的平移旋转参数，以及水平度盘、垂直度盘的角度信息和水平传感器的姿态信息；(u，v)为图像坐标系下的像素点坐标，即在图像像素平面上建立直角坐标系，该直角坐标系以图像左上角的点为图像坐标系的坐标原点，坐标单位为像素，(u，v)表示像素点在图像上的行数和列数；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为像主点在图像坐标系下的坐标；f为镜头的有效焦距；R为一个3*3阶旋转矩阵；T为一个3*1阶平移矩阵；X、Y、Z为被测目标在全局坐标系下的坐标值；ρ为中间过渡参数。

本申请这种视觉测量方法在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

在前面视觉测量仪测量站位上安放仪器中心点标志，所述仪器中心点标志的中心点与所述仪器中心点在空间上重合，后一测量站位上的视觉测量仪对前面站位上的仪器中心点标志进行观测拍摄。

本申请的优势在于：

1、本申请集成了度盘测角技术、摄影测量技术，其具有非接触、高精度、高效率的特点。通过度盘高精度的测角提供给摄影测量精确的外方位元素,从而解决了完全依赖外部目标点进行外方位元素解算的问题,大大提高了数字近景摄影测量的精度。另外，在视觉测量仪上安装有水平传感器，提供给视觉测量仪测量时的垂线基准，从而解决了测量物体水平姿态和高差的问题。

2、相比TS16全站仪，本申请这种视觉测量仪，在加工制造的过程中，严格要求水平度盘的中心轴垂直于垂直度盘的中心轴，同时镜头的主光轴垂直于垂直度盘的中心轴，并且这三条轴线相交于一点，这一交点构成仪器的中心点。同时，镜头的主光轴与图像传感器的像平面垂直相交，其交点——像主点与仪器中心点相距一个已知距离。图像传感器的感光单元阵列的行阵与垂直度盘中心轴平行，列阵与垂直度盘中心轴垂直。水平传感器的中心轴与水平度盘的中心轴平行。通过在加工制造过程保证以及后期校准补偿的方法实现上述几何关系。因此，在仪器单站测量的过程中，仪器的水平度盘和垂直度盘的角度信息能够提供此站多张图像的精确外方位元素约束，同时,在仪器多站测量过程中,仪器的水平传感器的姿态信息也能够提供多站图像之间的精确外方位元素约束,避免了传统摄影测量系统仅仅通过外部目标点求解外方位元素的问题，从而大幅提高测量精度。同时，采用此视觉测量仪，通过单站角度信息的约束增大了摄影测量的视场范围，大大减少了外部目标点的布设数量。

3、本申请通过在后一测量站位上观测前面测量站位上仪器中心点标志的方式，使前后测量站位直接关联起来，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本申请实施例这种视觉测量仪初始状态下的立体结构示意图；

图2为本申请实施例这种视觉测量仪工作状态下的立体结构示意图；

图3为本申请实施例这种视觉测量仪的主视图；

图4为本申请实施例这种视觉测量仪的侧视图；

其中：1-机身，2-水平度盘，3-垂直度盘，4-镜头，5-图像传感器，6-水平传感器，7-水平方向调节旋钮，8-垂直方向调节旋钮，9-显示屏。

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至图4示出了本申请这种视觉测量仪的一个具体实施例，其主要由机身1、水平度盘2、垂直度盘3、镜头4、图像传感器5和水平传感器6构成。其中：

机身1是用于支撑测量仪的主体结构。

水平度盘2连接在机身1上，并能够绕其中心轴作旋转运动，水平度盘2的中心轴竖直布置。为了方便该测量仪的使用，在实际应用时，该水平度盘2通常通过设于其底部的三爪连接件锁紧固定在仪器支架上。如此实现机身1在仪器支架上的架立，所述仪器支架通常采用三脚架结构。

垂直度盘3连接在所述机身1上，并能够绕其中心轴作旋转运动，垂直度盘3的中心轴水平布置。

镜头4和图像传感器5均固定连接在垂直度盘3，而且镜头4和图像传感器5相互连接。图像传感器5用于记录拍摄的数字图像。

水平传感器6与机身1固定，本实施例中该水平传感器6内置于机身1中。

所述水平度盘2的中心轴与所述垂直度盘3的中心轴垂直相交，即二者既垂直又相交(处于同一平面上)。

所述镜头4的主光轴通过上述水平度盘2中心轴和垂直度盘3中心轴的交点，而且镜头4的主光轴与垂直度盘3的中心轴垂直。即水平度盘2的中心轴、垂直度盘3的中心轴和镜头4的主光轴相交于同一点，并且水平度盘2的中心轴和镜头4的主光轴均垂直于垂直度盘3的中心轴。为了方便对本申请技术方案的描述，在此我们定义水平度盘2的中心轴、垂直度盘3的中心轴和镜头4的主光轴这三条轴线的相交点为仪器中心点。

所述镜头4的主光轴与所述图像传感器5的像平面垂直相交，在此，我们将镜头4的主光轴与图像传感器5的像平面的交点称为像主点。该像主点与仪器中心点的距离为已知的固定值，在实际使用过程中，该值不会发生改变。

所述图像传感器5的感光单元阵列的行阵与所述垂直度盘3的中心轴平行。

所述图像传感器5的感光单元阵列的列阵与所述垂直度盘3的中心轴垂直。

所述水平传感器6的中心轴与所述水平度盘2的中心轴平行，该水平传感器用于调节视觉测量仪的水平度。

不难看出，通过对所述水平度盘2和垂直度盘3的旋转调节，可以使镜头4的主光轴绕着垂直度盘3的中心轴和水平度盘2的中心轴转动，如此调节镜头4的拍摄角度。

为了方便测量人员对水平度盘2的旋转操作，本实施例在机身1上设置了与水平度盘2传动连接的水平方向调节旋钮7，测量人员可手动转动该水平方向调节旋钮7来带动水平度盘2绕其自身的中心轴转动。

为了方便测量人员对垂直度盘3的旋转操作，本实施例在机身1上设置了与垂直度盘3传动连接的垂直方向调节旋钮8，测量人员可手动转动该垂直方向调节旋钮7来带动垂直度盘3绕其自身的中心轴转动。

此外，本实施例还在机身1上设置了与图像传感器5相连的显示屏9，以保证测量人员能够通过该显示屏9实时观测拍摄的图像。当然，该显示屏9也可以通过相应的信号传输线路与所述水平度盘2、垂直度盘3和水平传感器6相连，以直接显示出两个度盘的角度信息以及水平传感器6的姿态信息。

使用本实施例这视觉测量仪对目标物进行视觉测量的方法包括以下步骤：

1)首先进行测量准备，将该视觉测量仪的主体结构放置在基座(本实施例中该基座具体采用三脚架结构)也即三脚架顶部的支撑座上。视觉测量仪水平度盘底部的三爪连接件与三脚架顶部的支撑座锁紧固定，利用水平传感器6将该视觉测量仪调整至水平，此时测量仪架站完成，视觉测量仪处于第一测量站位，可以开始拍摄测量。

将镜头4对准要测量的目标物进行拍摄，图像传感器5获取目标的图像。但是，由于目标物的分布范围通常都比较大，单张图像一般无法测量完整，因此，通常需要这样拍摄目标物：手动旋动水平方向调节旋钮7和垂直方向调节旋钮8而带动水平度盘2和垂直度盘3转动，进而使镜头4的主光轴绕垂直度盘3的中心轴和水平度盘2的中心轴转动，每转动一个位置拍摄一张图像，从而在同一个测量站位拍摄得到多张目标物的图像。每次拍摄时，该设备均会记录下(也可人工记录)拍摄的数字图像、水平度盘2和垂直度盘3的角度信息、以及水平传感器6的姿态信息。

2)将视觉测量仪搬至下一个测量站位(即将视觉测量仪移动至下一拍摄位置，基座被定位放置在另一拍摄地点)。在前面的测量站位上安放仪器中心点标志，这些仪器中心点标志的中心与前面站位的仪器中心严格重合。

3)然后重复上述步骤1)进行测量拍摄。本站位的测量拍摄要尽可能多地拍摄到前面测量站位上的仪器中心点标志。再重复步骤2)，如此重复多次(具体次数可根据需要自行决定)，从而在多个测量站位对目标物进行多次拍摄。

不难看出，本实施例通过在测量时通过观测前面测量站位上仪器中心点标志来提高测量精度，具体做法是：在前面的视觉测量仪测量站位上安放仪器中心点标志，所述仪器中心点标志的中心点与所述仪器中心点在空间上精密重合，在后面测量站位上的视觉测量仪对前面测量站位的仪器中心点标志进行拍摄测量。

4)多站测量完成后，将所有单站拍摄的图像以及单站拍摄图像时的水平角、垂直角和水平传感器的姿态信息一起进行整体计算；全局坐标系下目标点坐标(X,Y,Z)与其在图像传感器上的投影点在视觉测量仪图像坐标系下的坐标(u,v)数学关系式为：

上式中，矩阵M1为视觉测量仪的内部参数矩阵，其中的参数只与视觉测量仪的图像传感器和镜头有关；矩阵M2为视觉测量仪的外部参数矩阵，为图像坐标系与全局坐标系的平移旋转参数，以及水平度盘、垂直度盘的角度信息和水平传感器的姿态信息；(u，v)为图像坐标系下的像素点坐标，即在图像像素平面上建立直角坐标系，该直角坐标系以图像左上角的点为图像坐标系的坐标原点，坐标单位为像素，(u，v)表示像素点在图像上的行数和列数；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为像主点在图像坐标系下的坐标；f为镜头的有效焦距；R为一个3*3阶旋转矩阵；T为一个3*1阶平移矩阵；X、Y、Z为被测目标在全局坐标系下的坐标值；ρ为中间过渡参数。

在视觉测量仪单站测量的过程中，由于水平度盘、垂直度盘的角度信息和水平传感器的姿态信息记录了不同图像(即拍摄的图像)之间的角度信息，因此单站测量的多张图像相互之间的方位关系是已知的。在进行整体解算时，对每一个测量站位的多张图像，只有一个M2矩阵需求解。而且，由于视觉测量仪是整平状态，对每一个测量站位的多张图像，M2矩阵只含有3个平移参数和1个旋转参数，这样大大减少了解算的未知参数。同时，利用单站(单个测量站位)图像之间已知的方位信息以及多站之间仪器的水平姿态信息对被测目标的解算进行约束，大大提高了测量的精度。另外，在测量拍摄过程中，视觉测量仪是整平状态，那么，视觉测量仪上镜头的主光轴与水平面的夹角是已知的，因此，可以得出每个点水平高差。

上述仪器中心点标志是本视觉测量仪测量时的一个重要附件，它由基杆和反射目标两部分组成。

基杆的底部是三爪定位锁紧机构，这个三爪定位锁机机构与机身1底部的三爪定位锁紧机构相同；基杆的顶部是球窝定位结构；基杆底部的三爪定位锁紧机构与顶部球窝定位结构是一个整体，期间不存在组合装配关系；基杆底部三爪定位锁紧机构由高程定位面和平面定位圆构成，基杆顶部的球窝定位结构是一个大于1/3球的下凹球面，其下凹球面的球心就是仪器中心点标志的中心点；基杆顶部的球窝定位结构的球心到基杆底部三爪定位锁紧机构高程定位面的距离为一个已知距离，并且该距离严格等于仪器中心点到机身底部三爪定位锁紧机构高程定位面的距离；基杆顶部的球窝定位结构的球心与基杆底部三爪定位锁紧机构平面定位圆的圆心的连线严格垂直于基杆底部三爪定位锁紧机构的高程定位面。

反射目标由球体和分布于其上的一个或多个反射区域构成，每个反射区域与球心都有已知的位置关系，反射目标的球体直径与基杆顶部的球窝定位结构的球面直径相等，并且是一个已知直径。

在视觉测量仪工作时，仪器中心点标志的基杆安放并定位锁紧在前面测站的仪器支架上面的基座上，然后把反射目标安放在仪器中心点标志的基杆顶部的球窝定位结构的球面上，这样反射目标的球心就与仪器中心点标志的中心点精密重合，同时仪器中心点标志的中心点也就与前面测站的仪器中心点精密重合。

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。