[发明专利]一种结构三维位移单目摄像测量方法有效

专利信息
申请号: 201610687846.6 申请日: 2016-08-18
公开(公告)号: CN106289071B 公开(公告)日: 2018-10-19
发明(设计)人: 周华飞;陈尚城;姚玉珊 申请(专利权)人: 温州大学
主分类号: G01B11/02 分类号: G01B11/02
代理公司: 北京中北知识产权代理有限公司 11253 代理人: 段秋玲
地址: 325000 浙江省温州市瓯海经济*** 国省代码: 浙江;33
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摘要: 发明公开了一种结构三维位移单目摄像测量方法,包括以下步骤:将一部数字摄像机架设在地面的固定不动点,在待测结构安装标定板;建立摄像坐标系,图像坐标系,世界坐标系;进行数字摄像机校准,获取数字摄像机的内参数;获取第一帧图像,通过计算后获得对应于第一帧图像的摄像测量的外参数;获取第二帧图像,得到该帧图像对应的外参数;利用第一帧图像和第二帧图像对应的旋转矩阵和平移矩阵,计算第一帧图像和第二帧图像之间的三维位移矢量;获取世界坐标系的旋转角度;每一帧图像,获取摄像测量的外参数,获取与第一帧图像间的结构三维位移矢量和旋转角度。上述技术方案,利用单个摄像机对被测物单侧成像,测得被测物几何信息,使用方便。
搜索关键词: 帧图像 三维位移 摄像测量 外参数 世界坐标系 数字摄像机 矢量 被测物 单目 摄像坐标系 图像坐标系 矩阵 固定不动 几何信息 结构安装 数字摄像 旋转矩阵 标定板 内参数 校准 成像 摄像机
【主权项】:
1.一种结构三维位移单目摄像测量方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)在固定不动点架设一部数字摄像机,在待测结构安装标定板;(2)建立摄像机坐标系、图像坐标系、世界坐标系,且对每一帧图像分别建立一个世界坐标系;(3)进行数字摄像机校准,标定板应至少具有4个标志物,选取8个或以上角点,利用小孔成像原理建立成像模型方程,并假设摄像测量系统外参数保持不变,获取数字摄像机内参数;(4)数字摄像机对标志物进行监测,获取第一帧图像,令其Z坐标为0,建立一个世界坐标系,并利用三维坐标轴之间的正交性,获取对应于第一帧图像的摄像测量系统外参数,即摄像机坐标系与该世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵;(5)获取第二帧图像,令其Z坐标为0,建立一个新世界坐标系,并利用三维坐标轴之间的正交性,获取对应于第二帧图像的摄像测量系统外参数;(6)任意选取摄像机坐标系内的一个不动点,利用步骤(4)和步骤(5)所得的旋转矩阵和平移矩阵,分别建立该不动点与上述两个世界坐标系内对应点之间的坐标转换方程,获取上述两个世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵;(7)上述两个世界坐标系之间的平移矩阵代表了第一帧图像与第二帧图像之间的平动,为待测结构的三维位移;上述两个世界坐标系之间的旋转矩阵则代表了第一帧图像与第二帧图像之间的转动,可据此反推获取待测结构的三维转动;(8)对于接下来的每一帧图像,重复步骤(5)获取与该帧图像所对应的摄像测量系统外参数,重复步骤(6)获取该帧图像所对应的世界坐标系与第一帧图像所对应的世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵,重复步骤(7)获取该帧图像相对于第一帧图像的平动和转动,为待测结构的三维位移和转动;步骤(3),根据针孔模型建立成像模型:λm=PMP=K[RT]式中:m=(x,y,1)T为像平面坐标系中的坐标;M=(X,Y,Z,1)T为世界坐标系统三维点齐次向量;λ为比例因子;P为数字摄像机的投影矩阵;K为数字摄像机的内参数矩阵;R为摄像机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵;T为摄像机坐标系与世界坐标系之间的平移矩阵,校准时,摄像测量系统的姿势保持不变,即R、T保持不变;在标定板中选取8个或以上角点,建立待测点方程组,求解数字摄像机的内参数矩阵;步骤(4)标定板上的任一点的世界坐标可以表示为M=(X,Y,0,1);利用成像模型,可得:λm=K[r1r2T](X,Y,1)T=H(X,Y,1)T式中:r1和r2分别对应旋转矩阵R的第一列和第二列;H是将世界坐标系变换到图像坐标系的3×3矩阵;数字摄像机的内参数矩阵K通过步骤(3)得到;如果仅有4个标志物,采用直接线性变换法求解H;当超过4个标志物,通过最小化重投影误差估计求解H,即:H=argmin∑||HMi‑λmi||2式中:argmin表示使目标函数取得最小值的变量值;i表示标志物的数目;由于坐标轴之间相互正交,则旋转矩阵的第三列与前两列正交,得到旋转矩阵的第三列r3,从而可得旋转矩阵R;获得对应于第一帧图像的摄像测量的外参数。
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