[发明专利]一种免像控的单目视觉平面距离测量方法

权利要求书

1.一种免像控的单目视觉平面距离测量方法，其特征在于：包括：

测量系统集成阶段：将相机和激光测距仪固连构成直接定向视觉测量系统；

测量系统检校阶段：对测量系统进行集成检校，确定相机内参、畸变像差以及相机与激光测距仪之间的偏心角，修正相机的非线性畸变、实测高程和姿态；所述对测量系统进行集成检校的过程采用一块网格尺寸为(D_X,D_Y)、网格数为m×n的平面棋盘格标定板作为参照物，其中，D_X为网格的长度，D_Y为网格的宽度，m为横向网格数，n为纵向网格数；

所述对测量系统进行集成检校的过程具体包括以下步骤：

S11：拍摄9幅不同姿态下的棋盘格标定板图像，采用张正友法检校相机，得到相机内参(f_x,f_y,C_x,C_y)和畸变像差(k₁,k₂,p₁,p₂)，其中C_x表示像主点的横坐标，C_y表示像主点的纵坐标，f_x表示相机在像平面x轴方向上的等效焦距，f_y表示相机在像平面y轴方向上的等效焦距，k₁表示第一径向畸变系数，k₂表示第二径向畸变系数，p₁表示第一切向畸变系数，p₂表示第二切向畸变系数；

S12：将平面棋盘格标定板水平放置，采用三脚架固定测量系统并拍摄一幅完整平面棋盘格标定板的畸变图像I(u_d,v_d)；(u_d,v_d)为畸变图像坐标；

S13：采用激光测距仪测量得到激光测距仪俯仰角的测量值ω_L、横滚角的测量值以及激光测距仪到平面棋盘格标定板的斜距D_L；

S14：为了校正图像的非线性畸变，首先根据相机内参描述的尺度缩放关系将无畸变图像坐标(u,v)转换为无畸变相机坐标(x,y)：

然后根据像差模型建立无畸变相机坐标(x,y)到畸变相机坐标(x′,y′)的映射关系：

接下来根据式(1)的反变换关系将(x′,y′)变换到畸变图像坐标(u_d,v_d)：

最后根据式(1)～(3)建立的(u,v)到(u_d,v_d)的映射关系，采用最邻近插值法完成畸变图像I(u_d,v_d)到畸变校正图像I(u,v)的灰度映射；

S15：在畸变校正图像I(u,v)中检测平面棋盘格标定板上所有(m-1)×(n-1)个内角点的亚像素坐标，其中，第i个内角点的亚像素坐标为(u_i,v_i)，i＝1,2,…,(m-1)×(n-1)；

S16：令相机俯仰角中间值ω_k＝ω_L-2+0.1×k、相机横滚角中间值k＝1,2,…,39；

S17：定义O为相机透镜平面的光心，o为光心在像平面上的投影点，O′为光心在平面棋盘格标定板上的投影点，计算光心O到平面棋盘格标定板的高程H：

H＝D_L·sinω_L+d·cosω_k (4)

式(4)中，d为测量基准点到相机平面的投影距离；

S18：对于平面棋盘格标定板上的任意点P，其在畸变校正后的原始像平面上对应像点p的坐标用(u₁,v₁)表示；首先将图像坐标系的原点由左上角平移至o点，然后采用坐标旋转对相机横滚角中间值进行校正，得到的像平面上像点p′的坐标

其中，w₁为图像的宽度，h₁为图像的高度；

S19：将相机透镜平面的光心O在平面棋盘格标定板上的垂足点C作为参考点，计算物点P到点C的水平距离M和垂直距离N，过程如下：定义p″为p′在的像平面主纵线上的投影点，P″为物点P在平面棋盘格标定板主纵线O′C上的投影点，根据三角关系得到O到P″的距离L为：

L＝H/sinβ (6)

其中，β表示射线OP″和主纵线O′C间的夹角，有：

其中，s表示已知的相机的像元尺寸，f表示相机的实际焦距，f通过式(8)得到：

f＝s·(f_x+f_y)/2 (8)

根据三角形的相似性，有：

P″P/P″O＝p′p″/p″O (9)

代入对应参数，得：

同理，有：

S20：对于像平面中任意两点p₁和p₂，首先根据步骤S19分别求得其物点相对于垂足点C的距离(M₁,N₁)和(M₂,N₂)，然后代入下式：

其中，M₁为点p₁相对于垂足点C的水平距离，N₁为点p₁相对于垂足点C的垂直距离，M₂为点p₂相对于垂足点C的水平距离，N₂为点p₂相对于垂足点C的垂直距离，D(p₁,p₂)为点p₁和点p₂之间的距离；

S21：根据式(12)分别求得平面棋盘格标定板中相邻水平内角点之间的距离D(p_a,b,p_a+1,b)和相邻垂直内角点之间的距离D(p_a,b,p_a,b+1)作为平面棋盘格标定板网格尺寸的测量值，p_a,b为平面棋盘格标定板的内角点中横向编号为a、纵向编号为b的内角点，p_a+1,b为平面棋盘格标定板的内角点中横向编号为a+1、纵向编号为b的内角点，p_a,b+1为平面棋盘格标定板的内角点中横向编号为a、纵向编号为b+1的内角点，a＝1,2,…,(m-1)，b＝1,2,…,(n-1)；根据下式统计平面棋盘格标定板上所有网格距离测量值的总体均方根误差：

S22：将RMSE取得最小值所对应的ω_k作为相机俯仰角的估计值ω_E，将RMSE取得最小值所对应的作为相机横滚角的估计值并根据式(14)进行计算：

式(14)中，为相机横滚角估计值，ω_E为相机俯仰角估计值，为相机横滚偏心角，Δω为相机俯仰偏心角；

平面距离测量阶段：基于相机在倾斜视角下像点、光心和物点共线的中心投影成像原理建立像平面和物平面之间的“像点-距离”的变换关系，最终实现免像控的单目视觉平面距离测量。