[发明专利]用于结构变形测量的抗扰动高精度相机群测量方法

权利要求书

1.用于结构变形测量的抗扰动高精度相机群测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：相机群系统的搭建：组装便携式测量装置，便携式测量装置由树莓派、相机、无线模块、GPS模块和电源模块组成，将若干套便携式测量装置与计算机连接，构成相机群系统，在测量区域前进行相机群系统的组装搭建；

步骤二：图像采集：在无线网络下，通过GPS模块的时钟信号源，实现计算机远程控制连接到树莓派上的相机进行图像同步采集，采集到的图像存储到树莓派本地并共享给计算机；

步骤三：相机群系统参数的标定：使用不同的方法对相机外参进行标定：

I.通过测量相机视场内最大两点之间的实际距离，结合视场内特征点对外参进行准确标定，通过测量相机视场内最大两点之间的实际距离，结合视场内特征点对外参进行准确标定时，其推导过程如下：

sp＝A[R t]P (1)

式中s是比例因子，A是相机内部参数矩阵，R是世界坐标与相机坐标之间的旋转矩阵，t是世界坐标与相机坐标之间的平移向量，p是特征点的图像坐标，P是特征点的世界坐标；采用设置有三个相机直线分布的便携式测量装置，将世界坐标系定义为与中间相机坐标系重合，为了标准化图像像素坐标为图像物理坐标，分离世界坐标，两端同时乘R^-1和A^-1,并将用Surf算法提取出的中间相机作为0号相机的某一点的图像坐标(u₀，v₀，1)、与中间相机相邻的一侧相机为1号相机对应点的图像坐标(u₁，v₁，1)和中间相机相邻的另一侧相机为2号相机对应点的图像坐标(u₂，v₂，1)，和对应点的世界坐标(X，Y，Z，1)分别代入公式(1)得，

式中，s₀，s₁，s₂分别是物点到0、1、2号相机光心的距离在光轴方向的投影，R₁和t₁是世界坐标和1号相机之间的旋转矩阵和平移向量，R₂和t₂是世界坐标和2号相机之间的旋转矩阵和平移向量，和分别是0号、1号和2号相机的图像主点即光轴与图像平面交点的图像坐标，分别是0号、1号和2号相机在x和y方向上的等效焦距，形式为

L是物距，f是相机焦距，d_x、d_y是像元尺寸，联立公式(2)和(3)，消去世界坐标得

其中

式中，是平移向量在x、y、z轴上的分量，是旋转角的三角组合函数，定义为将世界坐标系变换到与相机坐标系姿态一致而分别绕三个坐标轴转过的欧拉角，n₁是旋转向量，与旋转矩阵之间的关系为罗德里格斯变换，消去s₀和s₁得，

采用L-M迭代方法优化公式(8)即求出旋转向量及平移向量，其中旋转向量初值选取为n₁＝[0 0 0]^T，平移向量选取为t₁[1 0 0]^T；从公式(8)看出，方程两边同时乘以一个比例系数对公式两边没有任何影响，因此在迭代中取值为1的不参与迭代过程，此时求出的平移向量为关于归一化的平移向量，与真实平移向量相差倍；采用归一化的平移向量进行三维重构，计算某两点之间的距离l，通过测量得到该两点之间的实际距离L，比例因子为L/l，将比例因子与归一化的平移向量相乘得到真实的平移向量,完成外参的准确标定；II.通过测量相机光心之间的实际距离，结合视场内特征点对工业相机外参进行准确标定，通过测量各相机光心之间的实际距离，再结合视场内特征点对相机外参进行准确标定时，采用设置有三个相机直线分布的便携式测量装置，其计算公式为：

其中d是两个相机光心之间的实际距离，t′＝[1 t′_y t′_z]是归一化方法求出的平移向量，(1，t′_y，t′_z)是归一化平移向量在x、y和z轴的分量，解得真实的平移向量t＝[t_x t_y t_z]^T，(t_x，t_y，t_z)是真实平移向量在x、y和z轴的分量，完成外参的准确标定；

步骤四：重构三维：通过标定后的相机群参数，使用三个相机采集图像，对测量区域进行三维重构，获得各个点的世界坐标，结合多组图片计算相机视场内变形量；

步骤五：大区域变形量测量设置：将若干套便携式测量装置呈链式分布安装于测量区域各个分区，重复步骤二至步骤四操作，将各分区测量结果整合分析，实现对大跨度区域设施的无线远程、抗扰动、高精度和全局同步变形测量监控。