[实用新型]三维树型直角坐标系构建和图像空间标定的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种三维树型直角坐标系构建和图像空间标定的装置，本装置可以作为构建坐标系和图像空间标定的装置。具体功能包括：构建三维笛卡尔直角坐标系，构建空间几何元素点、线、面、体，表征空间几何元素在三维直角坐标系中的坐标，判定几何元素之间的几何关系，构建拍摄设备和装置的空间关系，以及标定图像空间。属三维空间坐标系的建立，几何元素在坐标系中的坐标表征，空间几何关系的判定，拍摄设备和装置空间关系的构建，以及图像空间标定和解析的技术领域。

背景技术

目前，在教学、科研和工程实际中，缺乏一种直观、形象、简单快捷地建立三维笛卡尔直角坐标系的装置，既可以构建空间几何元素点、线、面、体，也可以判定它们之间的几何关系，又可以在建立的直角坐标系里表征几何元素的坐标。

另外，在进行图像空间二维解析或平面运动捕捉时，需要相机或摄像机（以下称为拍摄设备或设备）的主光轴与某一参考或运动平面保持垂直或平行关系。若不能保证垂直或平行关系，则拍摄的图像在按照垂直或平行关系处理数据时会产生一定的系统误差；在进行三维激光扫描测量和三维运动捕捉的时候，现有的图像空间标定装置绝大部分是属于各种平面标定板，因此构建了一个二维的笛卡尔直角坐标系，即Z=0（或常数）平面。由于拍摄设备的制造工艺偏差，入射光线在通过各个透镜时的折射误差以及CCD点阵位置误差等，实际的光学系统都存在非线性几何失真，从而使实际像点与理论像点之间存在几何畸变。这样就导致了实际空间和图像空间之间的变换一般是非线性的，因而标定板平面内的X和Y这两个方向的坐标精度可以得到保证，但与标定板垂直的Z方向的坐标精度不一定能保证；又由于拍摄设备的镜头大都是球面的，像差的存在使得边缘部份的光线比中央部份的光线容易产生严重的折射与弯曲，若仍采用二维标定板对图像空间进行标定，从而增加了在镜头边缘区域的目标空间的坐标误差，进而影响图像空间解析精度。这也使得拍摄设备的镜头边缘区域比中心区域更需要标定，且应采用三维空间的标定装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种简单、形象、直观的三维树形装置及实施方案，可快速、准确地构建三维笛卡尔坐标系，构建空间几何元素点、线、面、体，确定空间几何元素在三维直角坐标系中的坐标表征，判定几何元素之间的几何关系，构建拍摄设备和装置的空间关系，以及标定图像空间。

本实用新型所述的三维树型直角坐标系构建和图像空间标定的装置是采用如下技术方案实现的：

本实用新型装置（以下简称装置）可分为对称装置和非对称装置。所谓对称装置，是指所有附属球体（以下简称附球）的尺寸大小相同，且到主体球（以下简称主球）球心的距离也相等，以及各连接附球与主球的连杆长度都相等且各附球和连杆都相对主球球心形成中心对称关系。对称装置由一个主球，一个圆柱体（或长方体）底座，六个相同尺寸的附球，分别为前球、后球、左球、右球、上球，下球，七根（六根几何参数相同）中空连杆四部分组成。非对称装置主要指各附球的大小尺寸不相同，或连接主球和附球的连杆尺寸不相等，或附球的数量小于六个。其中一种常用的非对称装置主要由一个主球，一个圆柱体（或长方体）底座，五个附球，分别为前球、后球、左球、右球、上球，六根（五根几何参数相同）中空连杆四部分组成。对称装置比此非对称装置增加一个附属球体和一根连杆，优点是结构对称，美观以及在标定和解析图像空间时多提供一个标志点，而对于构建三维笛卡尔直角坐标系，构建空间几何元素点、线、面、体以及判定它们之间几何关系，和表征空间几何元素在三维直角坐标系中的坐标，这两个装置没有本质的差别。对称和非对称装置的具体结构见附图1至4。