一种相机扫描成像的摄影测量方法与流程

本发明属于空间三维测量技术，涉及一种相机扫描成像的摄影测量方法。

背景技术：

在大型飞机、载人航天和大型雷达等国家重要工程快速推进的时代背景下，空间三维测量技术的重要性和迫切性日渐突出，对目标位置测量提出了更高的要求。测量系统应具有较大的覆盖范围以适应不同的应用场景，同时又能保证足够的高的测量精度和测量效率。在大型装备制造装配过程中，由于工件整体的几何尺寸较大、移动困难、测量环境和测量效率等因素导致大尺寸测量明显区别于常规尺寸测量，成为精密测量技术的研究热点与难点。

近年来，因为需求的强力推动，加之传感器、计算机、控制等相关技术条件的逐步成熟，大尺寸测量在原理研究和工程应用上取得了一定进展，但现有的测量方法仍存在许多问题：经纬仪属于光学非接触式测量，测量范围较大，精度比较高，其不足之处是一般采用手动照准目标，逐点测量，速度慢，自动化程度不高；全站仪、室内gps、激光跟踪测量的范围大，精度高，均属于接触式测量，需要对探针或标志物的尺寸进行补偿，无法测量柔性材料，接触式测量意味着逐点测量，限制了工作效率。从测量过程来看，仅有基于计算机视觉的测量方法可以实现非逐点测量，特别是对大尺寸被测物体，由于总测量点数巨大，视觉测量技术的优势就变得十分明显。

现有的基于计算机视觉的测量方法普遍存在视场角小的问题，若利用多次采集不同角度的图像并拼接的方法，测量过程复杂，拼接会引入更多图像处理误差；传统面阵相机的分辨率有限，而且分辨率越大相机的帧频越低，利用面阵相机进行测量，又存在测量精度与测量效率的匹配取舍问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有测量方法中的视场角小、测量速率低、无法实现多点测量等问题，提供了一种相机扫描成像的摄影测量方法，技术方案如下：

一种相机扫描成像的摄影测量方法，摄影测量采用由相机、测量主机、靶标、图像处理模块构成的测量平台，其特征是，测量平台包括线阵相机、测量主机、图像处理模块、单轴转台、平面反射镜，其测量步骤如下：

(1)测量平台搭建，平面反射镜置于单轴转台上，平面反射镜的反射面通过单轴转台的旋转轴线，单轴转台的旋转轴线与线阵相机的成像面平行且与线阵相机的光轴垂直相交，单轴转台的旋转轴线与水平面垂直，两个测量平台为一组，在被测对象上设置靶标并将两个测量平台布置在被测对象周边，调整测量平台的初始位置，保证测量平台的线阵相机能采集到全部靶标的图像；

(2)标定获取测量平台内部各模块之间的位置关系参数及两个测量平台间的位置关系参数，测量平台内部参数包括：线阵相机焦距f、线阵相机主点在图像坐标系中坐标(u,v)、线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离oco，两个测量平台内部参数需分别标定，两个测量平台间的位置关系参数包括：两测量平台的水平距离b、两测量平台的高度差h；

(3)单轴转台带动平面反射镜进行运动，并触发线阵相机进行同步采集；

(4)单帧图像为线阵相机采集一次获得的图像，整幅图像为单帧图像拼接后得到的图像，测量主机将单帧图像进行拼接，得到整幅图像；

(5)测量主机通过图像处理模块和单轴转台，获取靶标中心点的水平角和垂直角信息，完成空间点三维坐标的计算，计算步骤是，

建立测量坐标系，给每组两个测量平台编号，分别记为一号测量平台和二号测量平台。将一号测量平台的坐标系o1-x1y1z1作为测量坐标系，其中线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o1，过o1点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x1轴，竖直向上方向为y1轴，根据右手定则确定z1轴；二号测量平台坐标系为o2-x2y2z2，线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o2，过o2点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x2轴，竖直向上方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，将标定获得的测量平台内部参数和测量平台间的位置关系参数带入下述公式进行计算：

其中，(x,y,z)为靶标中心点在测量坐标系下的坐标，

α1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的水平角，α2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的水平角，

β1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的垂直角，β2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的垂直角，

h1为光线在一号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o1的距离，oc1o1为一号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc1o1属于测量平台内部参数，通过标定获取，有h1＝oc1o1·tanβ1，

h2为光线在二号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o2的距离，oc2o2为二号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc2o2属于二号测量平台内部参数，通过标定获取，有h2＝oc2o2·tanβ2，

b和h属于测量平台间的位置关系参数，通过标定获取。

一号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v1为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v10为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v1-v10的值为正数时，靶标中心点在z1轴的正半轴方向，v1-v10的值为负数时，靶标中心点在z1轴的负半轴方向，f1和δy1分别为线阵相机焦距和像元尺寸，v10、f1属于测量平台内部参数，通过标定获取；

二号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v2为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v20为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v2-v20的值为正数时，靶标中心点在z2轴的正半轴方向，v2-v20的值为负数时，靶标中心点在z2轴的负半轴方向，f2和δy2分别为线阵相机焦距和像元尺寸，v20、f2属于测量平台内部参数，通过标定获取；

靶标中心点所在一号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到一号测量平台的单轴转台的旋转角为α1；靶标中心点所在二号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到二号测量平台的单轴转台的旋转角为α2。

单轴转台带动平面反射镜进行往复运动，运动的去程和回程线阵相机均接收平面反射镜的反射光线，完成图像的采集，平面反射镜的转动角记为θ，则测量平台水平视场角θ水平＝2×θ。

单轴转台顺时针旋转，按采集的先后次序，顺序进行单帧图像的拼接；单轴转台逆时针旋转，按采集的先后次序，逆序进行单帧图像的拼接。

所述靶标为编码靶标，自身携带编号信息，靶标中心点作为待测点，利用图像处理模块提取靶标中心点的像素坐标。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明中，测量平台采用线阵相机，线阵相机的行频高，测量速度快，动态性能高，线阵相机扫描成像，无需复杂的图像拼接方法即可得到超高分辨率的图像，测量方法成本低，精度高。

2.本发明采用线阵相机与平面反射镜的折反射成像原理，由于反射扫描角度是机械扫描角度的两倍，单轴转台带动平面反射镜转动，排除自身及其他物体的遮挡，水平方向视场角可以达到180°。线阵相机光学镜头的垂直视场角能够达到90°，因此测量平台的测量范围超过180°×90°，视场角大，测量范围大。

3.本发明中，单轴转台带动平面反射镜往复运动，运动的去程和回程相机均采集图像，去程和回程完成两次测量，系统测量速度快，数据刷新频率高。

4.本发明采用编码靶标作为目标点，通过编码靶标和多目标图像识别技术，一次测量过程可同时获得300个点的空间三维坐标，能够完成多点测量。

5.本发明中采用模块化设计，线阵相机、平面反射镜、单轴转台、靶标、测量主机、图像处理模块均可按照实际测量要求更换其他规格的产品，互换性好，便于更换和维护。

6.本发明中，最少需要两个测量平台配合，实现三维测量。同时，为了适应大型测量目标，测量系统可集成三个以上测量平台，进一步增大测量范围，提高测量精度。

附图说明

图1为一种相机扫描成像的摄影测量方法的流程图；

图2为一种相机扫描成像的摄影测量模型：201-靶标中心点p，202-一号测量平台线阵相机成像平面，203-一号测量平台线阵相机光轴，204-一号测量平台平面反射镜反射面，205-一号测量平台单轴转台轴线，206-二号测量平台线阵相机成像平面，207-二号测量平台线阵相机光轴，208-二号测量平台平面反射镜反射面，209-二号测量平台单轴转台轴线；

图3为一种相机扫描成像的靶标示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对来详细说明本发明的实施方式。

参考图1，图1为一种相机扫描成像的摄影测量方法的流程图，包括步骤101至步骤105。

在步骤101中，测量平台搭建。参考图2，一号测量平台平面反射镜置于单轴转台上，平面反射镜的反射面204通过单轴转台的旋转轴线206，单轴转台的旋转轴线206与线阵相机的成像面202平行且与线阵相机的光轴203垂直相交，单轴转台的旋转轴线206与水平面垂直，单轴转台垂直置于水平面上，二号测量平台搭建与一号测量平台相同。两个测量平台为一组，在被测对象上设置靶标并将两个测量平台布置在被测对象周边，调整测量平台的初始位置，保证测量平台的线阵相机能采集到全部靶标的图像；

采用靶标为编码靶标，自身携带编号信息，靶标中心点作为待测点，利用图像处理模块提取靶标中心点的像素坐标。靶标示意图参考图3。测量过程中，可以根据实际光照条件和靶标的成像情况设置适当的光源进行照明补偿。

在步骤102中，标定获取测量平台内部各模块之间的位置关系参数及两个测量平台间的位置关系参数。测量平台内部参数包括：线阵相机焦距f、线阵相机主点在图像坐标系中坐标(u,v)、线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离oco，两个测量平台内部参数需分别标定，两个测量平台间的位置关系参数包括：两测量平台的水平距离b、两测量平台的高度差h；

在步骤103中，测量平台的单轴转台带动平面反射镜进行运动，并触发线阵相机进行同步采集。单轴转台带动平面镜往复转动，去程和回程线阵相机均接收平面反射镜的反射光线，完成图像的采集。平面反射镜的转动角记为θ，则测量平台水平视场角θ水平＝2×θ。

在步骤104中，单帧图像为线阵相机采集一次获得的图像，整幅图像为单帧图像拼接后得到的图像，测量主机将单帧图像进行拼接，得到整幅图像。测量平台的单轴转台顺时针旋转，按采集的先后次序，顺序进行单帧图像的拼接；转台逆时针旋转，按采集的先后次序，逆序进行单帧图像的拼接。

在步骤105中，测量主机通过图像处理模块和单轴转台，获取靶标中心点的水平角和垂直角信息，完成空间点三维坐标的计算，计算步骤是，

建立测量坐标系，给每组两个测量平台编号，分别记为一号测量平台和二号测量平台。将一号测量平台的坐标系o1-x1y1z1作为测量坐标系，其中线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o1，过o1点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x1轴，竖直向上方向为y1轴，根据右手定则确定z1轴；二号测量平台坐标系为o2-x2y2z2，线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o2，过o2点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x2轴，竖直向上方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，将标定获得的测量平台内部参数和测量平台间的位置关系参数带入下述公式进行计算：

其中，(x,y,z)为靶标中心点在测量坐标系下的坐标，

α1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的水平角，靶标中心点所在一号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到一号测量平台的单轴转台的旋转角为α1。

α2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的水平角，靶标中心点所在二号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到二号测量平台的单轴转台的旋转角为α2。

β1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的垂直角，一号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v1为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v10为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v1-v10的值为正数时，靶标中心点在z1轴的正半轴方向，v1-v10的值为负数时，靶标中心点在z1轴的负半轴方向，f1和δy1分别为线阵相机焦距和像元尺寸，v10、f1属于测量平台内部参数，通过标定获取。

β2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的垂直角，二号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v2为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v20为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v2-v20的值为正数时，靶标中心点在z2轴的正半轴方向，v2-v20的值为负数时，靶标中心点在z2轴的负半轴方向，f2和δy2分别为线阵相机焦距和像元尺寸，v20、f2属于测量平台内部参数，通过标定获取。

h1为光线在一号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o1的距离，oc1o1为一号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc1o1属于测量平台内部参数，通过标定获取，有h1＝oc1o1·tanβ1，

h2为光线在二号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o2的距离，oc2o2为二号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc2o2属于二号测量平台内部参数，通过标定获取，有h2＝oc2o2·tanβ2，

b和h属于测量平台间的位置关系参数，通过标定获取。

实施例

本具体实施例选取在光线充足的室外环境，对大型工件上的靶标进行三维坐标测量。

测量平台搭建，一号测量平台平面反射镜置于单轴转台上，平面反射镜的反射面204通过单轴转台的旋转轴线206，单轴转台的旋转轴线206与线阵相机的成像面202平行且与线阵相机的光轴203垂直相交，单轴转台的旋转轴线206与水平面垂直，二号测量平台搭建与一号测量平台相同，一号和二号测量平台线阵相机垂直视场角均为θ垂直＝90°。一号和二号测量平台的单轴转台旋转轴线均已与水平面严格垂直，否则将引入明显的定向误差。将30个靶标均匀分散设置在大型工件上，测量平台的布置确保能采集到全部靶标的图像。两个测量平台为一组，在被测对象上设置靶标并将两个测量平台布置在被测对象周边。调整测量平台的初始位置，保证测量平台的线阵相机能采集到全部靶标的图像。

采用靶标为编码靶标，自身携带编号信息，靶标中心点作为待测点，利用图像处理模块提取靶标中心点的像素坐标。

标定获取测量平台内部各模块之间的位置关系参数及两个测量平台间的位置关系参数，测量平台内部参数：一号测量平台线阵相机焦距f1＝20.67mm、线阵相机主点在图像坐标系中坐标(1,4096)、线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离oc1o1＝16.82mm，二号测量平台线阵相机焦距f2＝20.72mm、线阵相机主点在图像坐标系中坐标(1,4097)、线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离oc2o2＝15.98mm，两个测量平台间的位置关系参数包括：两测量平台的水平距离b＝4500mm、两测量平台的高度差h＝35mm；

一号测量平台的单轴转台带动平面反射镜进行运动，并触发线阵相机进行同步采集。单轴转台带动平面镜往复转动，去程和回程线阵相机均接收平面反射镜的反射光线，完成图像的采集。平面反射镜的转动角θ＝90°，则测量平台水平视场角θ水平＝2×θ。二号测量平台与一号测量平台类似，二号测量平台的水平视场角也可以达到180°。

一号测量平台测量主机将单帧图像进行拼接，得到整幅图像。测量平台的单轴转台顺时针旋转，按采集的先后次序，顺序进行单帧图像的拼接；转台逆时针旋转，按采集的先后次序，逆序进行单帧图像的拼接。二号测量平台的单帧图像拼接与一号测量平台相同。

测量主机通过图像处理模块和单轴转台，获取靶标中心点的水平角和垂直角信息，完成空间点三维坐标的计算，计算步骤是，

建立测量坐标系，给每组两个测量平台编号，分别记为一号测量平台和二号测量平台。将一号测量平台的坐标系o1-x1y1z1作为测量坐标系，其中线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o1，过o1点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x1轴，竖直向上方向为y1轴，根据右手定则确定z1轴；二号测量平台坐标系为o2-x2y2z2，线阵相机光轴与平面反射镜转轴的交点为原点o2，过o2点的两个单轴转台旋转轴线的公垂线方向为x2轴，竖直向上方向为y2轴，根据右手定则确定z2轴，将标定获得的测量平台内部参数和测量平台间的位置关系参数带入下述公式进行计算：

其中，(x,y,z)为靶标中心点在测量坐标系下的坐标，

α1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的水平角，靶标中心点所在一号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到一号测量平台的单轴转台的旋转角为α1。

α2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的水平角，靶标中心点所在二号测量平台的线阵相机单帧图像拍摄时，读取到二号测量平台的单轴转台的旋转角为α2。

β1为靶标中心点在一号测量平台坐标系下的垂直角，一号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v1为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v10为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v10＝4096，v1-v10的值为正数时，靶标中心点在z1轴的正半轴方向，v1-v10的值为负数时，靶标中心点在z1轴的负半轴方向，f1＝20.67mm为线阵相机焦距，δy1＝5μm为线阵相机像元尺寸。

β2为靶标中心点在二号测量平台坐标系下的垂直角，二号测量平台线阵相机镜头为f-θ镜头，满足v2为靶标中心点在图像坐标系下纵坐标值，v20为线阵相机主点在图像坐标系下纵坐标值，v20＝4097，v2-v20的值为正数时，靶标中心点在z2轴的正半轴方向，v2-v20的值为负数时，靶标中心点在z2轴的负半轴方向，f2＝20.72mm为线阵相机焦距，δy2＝5μm为线阵相机像元尺寸。

h1为光线在一号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o1的距离，oc1o1为一号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc1o1属于测量平台内部参数，通过标定获取，有h1＝oc1o1·tanβ1，

h2为光线在二号测量平台平面反射镜的反射点到其坐标系原点o2的距离，oc2o2为二号测量平台线阵相机主点到单轴转台旋转轴线与线阵相机光轴交点的距离，oc2o2属于二号测量平台内部参数，通过标定获取，有h2＝oc2o2·tanβ2，

b和h属于测量平台间的位置关系参数，通过标定获取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。