[发明专利]一种广角场景下激光加单目视觉测量三维坐标的方法

说明书

本发明公开了一种广角场景下激光加单目视觉测量三维坐标的方法，以CCD单目相机拍摄左上角的角点为图像坐标系原点，建立相机坐标系；全站仪放置在O_B点，建立世界坐标系，求出相机坐标系以及世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；将全站仪移动到O_C点，建立大地坐标系；在这个坐标系下读出多点三维坐标，利用七参数模型求解出前后移动全站仪两个位置的世界坐标系和大地坐标系之间的关系；在相机中读出图像坐标，进而利用相机坐标系、世界坐标系、大地坐标系的转换关系求出任意相对位置的三维坐标。本发明简化与避免了双目摄像机标定的复杂步骤，仅用单目相机以及全站仪实行多点标定外参数，属于单目视觉与机器视觉领域。

技术领域

本发明涉及单目视觉与机器视觉领域，特别涉及一种广角场景下激光加单目视觉测量三维坐标的方法。

背景技术

目前人类在视觉方面通常是利用双目视觉来感知三维空间信息，包括现在比较热门的人工智能，视觉机器人的研究等。早在上个世纪60年代，人类就利用非线性优化的方式处理两幅图像，也就是在不同的方向获取图像信息，进而计算空间点的三维位姿。双目视觉因为结构简单、操作方便、能够实时操作，所以广泛被应用于目标跟踪、航空航天、农业工程以及机器人感知、汽车路线规划等领域。但在应用过程中，由于摄像机标定误差、特征提取以及镜头畸变等原因，双目视觉实现三维空间测量和重建等还需要在数据精度方面有待提升。

例如在标定时，双目标定过程复杂，精度可控因素少，特别是在广角场景，标定复杂，特征点匹配困难，视线限制大，系统性能差。

传统的测量或者运动分析模型获取空间点的三维坐标是通过双目视觉实现的，首先在测量前就要进行相机标定，包括单目相机的焦距、图像主点坐标、图像大小以及像素大小；其次考虑非线性因素的情况下还要对相机进行畸变参数的估计。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种大大提高测量效率和精度的广角场景下激光加单目视觉测量三维坐标的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种广角场景下激光加单目视觉测量三维坐标的方法，以CCD单目相机拍摄左上角的角点为图像坐标系原点，建立相机坐标系；将全站仪第一次放置在O_B点，并以此点建立世界坐标系，选择好后视点位置，求出相机坐标系以及世界坐标系之间的旋转矩阵R₁以及平移矩阵t₁；将全站仪移动到另外O_C点，并以此点建立大地坐标系；在这个坐标系下读出多点三维坐标，利用七参数模型求解出前后移动全站仪两个位置的世界坐标系和大地坐标系之间的关系；再在CCD单目相机中读出大地坐标系的图像坐标，进而利用相机坐标系、世界坐标系、大地坐标系的转换关系求出任意相对位置的任意坐标系下的三维坐标。采用这种结构后，在广角镜头下，用全站仪以及CCD单目相机拍摄三维坐标点，避免在用棋盘标定的广角畸变系数对实验的影响。简化与避免了双目摄像机标定的步骤，不用假设以及保证相机系统，倾斜角与俯仰角为0度，充分利用全站仪自身的大地坐标系，简化了双目视觉坐标转换的复杂计算步骤。其中，利用七参数模型求出坐标系之间是关系是现有技术，即两个不同的三维空间直角坐标系之间转换时，通常使用七参数模型。在该模型中有七个未知参数，即：三个坐标平移量，即两个空间坐标系的坐标原点之间坐标差值；三个坐标轴的旋转角度，通过按顺序旋转三个坐标轴指定角度；尺度因子K，即两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换。通常K值几乎等于1。以上七个参数通常称为七参数。运用七参数进行的坐标转换称为七参数坐标转换。