[发明专利]基于无人机图像和数字图像的位移测量方法

权利要求书

1.一种基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：求解标定板在世界坐标系中的坐标

11)固定相机位置，调节相机角度使相机能够拍到目标平面和标定板；

12)将标定板临时固定于目标平面上，利用固定相机拍摄包括目标平面和所有标定板的图像，得到第一图像；

13)将标定板固定在目标平面附近，利用固定相机拍摄包括目标平面和所有标定板的图像，得到第二图像；

14)使世界坐标系中的X_WO_WY_W平面与目标平面的共面，得到标准世界坐标系；求解第二图像中所有标定板在标准世界坐标系中的坐标；

步骤二：测量位移

21)驱动无人机携带相机在合适位置悬停，利用相机对包括目标平面和所有标定板所在的区域进行拍摄得到视频；

22)将第一图像转换为标准参考图像，根据求解得到的标定板在标准世界坐标系中的坐标和像素坐标分别计算标准参考图像以及每帧图像相对于目标平面的单应性矩阵；

23)计算视频中每帧图像相对于标准参考图像的单应性矩阵；

24)利用数字图像相关方法求解目标点的像素位移，利用尺寸因子将像素位移转化为实际物理位移。

2.根据权利要求1所述基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，其特征在于：所述步骤14)中，第二图像中的标定板在标准世界坐标系中的坐标求解方法为：

标定板临时固定时，标定板在世界坐标与相机坐标之间的齐次坐标变换关系为：

其中，(x_w0,y_w0,z_w0)表示标定板临时固定于目标平面上时在标准世界坐标系中的坐标；M₀表示相机在标准世界坐标系中的外部参数矩阵；(x_c0,y_c0,z_c0)表示标定板临时固定于目标平面上时在相机坐标系中的坐标；r_ij表示相机在标准世界坐标系中姿态的参数；t_i表示相机在标准世界坐标系中的位置参数；i＝1,2,3，j＝1,2,3；

标定板固定后，创建一个辅助世界坐标系跟随标定板移动，使标定板在辅助世界坐标系中的坐标与标定板临时固定于目标平面上时在标准世界坐标系中的坐标相同，则标定板在辅助世界坐标系中的坐标与相机坐标之间的齐次坐标变换关系为：

其中，M’表示相机在辅助世界坐标系中的外部参数矩阵；(x_c1,y_c1,z_c1)表示标定板固定后在相机坐标系中的坐标；r′_ij表示相机在辅助世界坐标系中姿态的参数；t′_i表示相机在辅助世界坐标系中的位置参数；i＝1,2,3，j＝1,2,3；

由于相机在拍摄第一图像和第二图像的过程中固定不动，则有：

求解得到标定板固定后在标准世界坐标系中的坐标为：

其中，(x_w1,y_w1,z_w1)表示标定板固定后在标准世界坐标系中的坐标。

3.根据权利要求1所述基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，其特征在于：所述步骤22)中，利用单应性矩阵将第一图像转换为标准参考图像的方法为：

使尺寸因子为：

其中，f_u和f_v分别表示像素坐标系中U方向和V方向上的尺寸因子；l₁表示标定板临时固定时其左上角点和右下角点之间的距离；l₂表示标定板临时固定时其左下角点和右上角点之间的距离；(Δu₁,Δv₁)表示标定板临时固定时其左上角点和右下角点之间的像素坐标差；(Δu₂,Δv₂)表示标定板临时固定时其左下角点和右上角点之间的像素坐标差；

在第一图像上定义参考点，使参考点在标准参考图像中的像素坐标(u₀,v₀)与第一图像中的像素坐标相同，计算标准参考图像中任一点的像素坐标为：

其中，(u_i,v_i)表示标准参考图像中任一点的像素坐标，(Δx_i,Δy_i)表示标准参考图像中任一点(u_i,v_i)与参考点(u₀,v₀)在标准世界坐标系中的坐标差；且：

其中，(u,v)表示标准参考图像中其中一个点的像素坐标；(u₁,v₁)表示第一图像中与标准参考图像中的点(u,v)对应的点的像素坐标；H′表示第一图像与标准参考图像之间的单应性矩阵；h_ij表示图像的变形特性，i＝1,2,3，j＝1,2,3；

由于单应性矩阵H′具有8个未知数，利用第一图像和标准参考图像中对应的4对点的像素坐标求解单应性矩阵H′中的未知数，得到第一图像与标准参考图像之间的单应性矩阵H′，利用单应性矩阵H′将第一图像转换为标准参考图像。