1、计算机视觉摄影测量三维控制场设计【摘要】 为利用计算机视觉进行摄像机摄影测量而进行了三维控制场的设计, 分析了控制标志的尺寸、形状、颜色的设计方法, 构造了三维控制场, 利用设计的控制场进行摄测模型试验, 获得了较高的标定测量精度。叙词:计算机视觉 摄影测量法 标定引言计算机视觉测量系统, 利用摄像机获得实时图像, 通过对摄像机参数的精确标定和图像分析可直接完成距离的计算。对于在室内简单环境下工作的视觉系统, 可以在测量前对摄像机的内方位元素进行标定; 而在较复杂环境下工作的视觉系统, 因焦距等内方位元素是可变的, 这样就要附加实时测量控制系统以实时获得内方位元素的变化, 因成本较高, 且算法
2、设计复杂、计算量大、精度不高、测量范围较小, 一般只在复杂系统1, 如移动作业机器人中使用。通过照相方法进行的摄影测量具有较高的测量精度, 可完成较大距离的测量, 但其三维控制场布置范围很大2, 在一般工程应用领域不便于实用化操作。为综合利用这两种技术的优点, 作者根据计算机视觉和摄影测量技术研究的基本原理, 采用摄像机作为图像输入工具, 开发了基于计算机视觉的现场测量技术。该技术研究在较小控制场条件下, 利用便于获得的可变焦摄像机在不事先标定内方位元素的条件下, 在现场以任意状态获取较大尺寸物体或场景的图像, 然后, 通过现场标定控制场完成摄像机的标定, 利用图像处理与识别完成特征的分析与非
3、接触测量。因而系统可用于农业工程中的农机安全监理、区域特征测量及农业物料的形态实时监控、运动分析与测量。该技术的关键是要进行摄像机的现场标定, 为此必须研究和建立具有三维控制特征、按一定要求分布的空间点构成的控制场, 以完成摄影测量作业中摄像机的标定、图像间的联接和变换。控制场的设计主要是空间控制点的设计和这些点在空间的布置形式。1 控制标志设计如果能在地面或空间布置具有确定形状、易于辨识的标志化点, 则视觉分析系统可以从现场图像上获得准确的像点坐标, 从而极大地提高测量精度, 减少测量误差。因而, 在不同的工程摄影测量领域, 都设计使用了不同的标志点来提高摄测精度。标志点的设计主要考虑标志的
4、大小、形状、颜色等基本因素。图1 地面标志成像关系1. 1 标志的尺寸为了便于在图像平面上辨认和量测, 地面或空间标志点的大小可按照摄像比例尺来确定, 根据摄影测量通常采用的标志点直径的经验取值方法, 并考虑到地面摄像测量的特殊性, 根据图1所示的地面标志成像基本关系, 可确定标志点的直径D , 即D sin A =co s A -2cos A 式中 D 圆形地面标志的直径 L 地面标志距摄站点的水平距离f 摄像机焦距A 地面标志中心与摄站点连线与水平面间夹角 d 地面标志在CCD(电耦合器件 摄像机成像平面上所成椭圆像的短径tan A =d L (Pd 为摄站点的高度 , 整理可得D =f
5、sin2A +d cos 2 由CCD 成像平面与图像采集分辨率的比例变换模型3可知K y =d m式中 K y CCD 平面的 纵向分辨率d m 地面标志在图像监视器上可以分辨的最小像素数在此, 只考虑圆形标志在Y 方向上的成像变化, 由于该方向上的透视变形较X 方向的大, 所以 , d m 取可分辨的最小值, 即可获得易于识别的整个标志的图像。从而可得标志点的最小设计尺寸为D =y m 2d 2K y d m L +f P d1. 2 标志的形状标志的形状可以根据工程实际需要任意设计, 在摄影测量中使用了许多有效的标志形状。如图2所示, 外形为方形和圆形的标志具有上下左右对称的形状特征,
6、成像变形特征简单, 便于识别, 已广泛应用于高精度的摄测工程中。1. 3 标志的颜色考虑到点的可辨认性, 标志与周围背景在图像上的成像应具有良好的反差, 这项特征有时比标志大小的选择更为重要。一般, 可采用黑色、白色、黄色或两色相间。考 虑到不同使用条件, 也可采用反光标志。1. 4 辅助标志为便于辨认, 可以在标志点周围加辅助标志, 以得到一个较大的标志成像尺寸, 或易于寻找标志点, 如图3所示。例如, 在一直径为D 的黑色圆的周围, 再设计一个外径为濔D 的白色圆环, 使周围产生一个圆形光环, 从而提高点位精度。可以利用辅助标志的大小和形状参数作为已知点组, 代入标定或测量方程组中进行联合
7、计算, 提高标定测量精度和可靠性, 也可利用辅助标志作为标志的识别代码4。1. 5 标志的制作材料一般, 主要考虑材料的色调、价格、携带方便程度, 有时还要考虑材料的附着力。对于复杂标杆或标志物体, 可采用与背景有一定对比特征的彩色油漆或反光材料制作, 对于表面平滑的物体, 可采用具有良好粘着特性而方便的即时贴制作出各种设计的形状。1. 6 标志点布设基本规范地面标志的布设位置, 根据摄像机标定及测量的要求进行, 应便于测量、易于判读; 现场复杂、地物目标 不易寻找时, 宜采用十字标志; 多像对摄测时, 应布设像对间作联接用的标志点; 在采用交向摄影时, 或在与各方向的像对联接时, 可采用球形
8、标志或圆柱形标志。地面标志点也可作为单独的标志用作地面测量特征起始点定位或位置指示。图4 标定框架结构及标志点配置简图2 三维控制场设计及测量为满足摄像机标定的实际要求, 根据摄影测量的控制场设计原则, 设计、制造了可进行室内标定测量的刚性立方体标定框架,框架对应边均匀树立着一些杆件, 这样可以保证各杆件之间的相对位置, 易于测量控制。标定框架及其周围均匀固定的杆件用银白色铝合金制成, 用于固定标志点, 进行摄像机标定。根据以上对标志设计的分析及实际试验, 选择了如图2所示的前3种形状的黑色、红色等彩色标志进行试验。标定框架的结构和标志的分布见图4。标定框架结构尺寸为1200mm 1000mm
9、 800mm , 标定时, 主要利用了前后两个侧面上的棱边, 沿高度方向按间距为250mm 均匀布置标志点。标志点的直径为25cm 不等, 以适应不同测量距离和应用场合。3 试验及结果分析为分析控制场对模型标定及测量的影响, 采用通用摄录一体CCD 摄像机对已建立的三维控制场进行了测量试验。摄像机分别从2个或3个不同的摄像站点, 采用交向摄影方式, 拍摄了多幅图像, 按位置、距离、焦距等的不同选择了多幅图像进行分析, 模型试验场的配置方式如图5所示。3. 1 直线距离测量相对定位精度分析为评价模型的测量精度, 利用以上各图像对标定场内基本处于同一个平面上的4段不完全连续的直线距离进行了测量,
10、结果如表1所示。表中给出了利用摄测模型获得的各段距离的测量绝对误差、相对误 差及平均相对误差, 其中, 绝对误差是以线段两端点间的测量距离与实际距离之差的绝对值表示的, 即$L =L ci -L i 式中 L c i 两点间 的测量距离 L i 两点间的实际距离相对误差为$L /L i , 可见, 测量值的总体平均相对误差为0. 0025mm , 即系统可达到较高92农 业 机 械 学 报 1998年图5 模型标定试验场配置简图表1 相对定位测量误差表线段编号 1234实际长度/mm398. 5411. 0372. 0424. 0绝对误差/mm1. 501. 070. 540. 92相对误差(
11、10-33. 82. 61. 42. 2平均相对误差0. 00253. 2 空间立体坐标点的测量绝对定位精度分析对标定测量用的各幅图像, 选择两个不同位置、不同或相近焦距的两幅图像作为图像对, 通过立体视觉测量原理进行空间坐标位置的测量, 每对图像测量2030个点对, 测量结果如表2所示。其中各误差统计参数的计算方法为:在两幅图像上, 各取N 个相应的点构成N 个点对, 通过模型求得N 个三维空间点, 对N 个点进行如下形式的统计误差均值L X =Ni =1(X c i -X i N L Y 、L Z 与此类似均方根值R X =N i =1(X c i-X i 2NR Y 、R Z 与此类似式
12、中 X c i 、Y c i 、Z c i (i =1, 2, , N 通过模型计算获得的该方向上的坐标值X i 、Y i 、Z i 该方向上点的实际坐标可以看出, 该模型可以非常精确地给出空间点的三维坐标位置。由于不同方向上的标定精度及外部控制精度不同, 从而使各方向的数据波动程度有一定的相对差异量。表2 图像对立体测量误差统计表图像对坐标图像D 图像F 图像B 图像C 图像E 图像F X Y Z X Y Z X Y Z 误差均值-0. 0843-0. 04620. 0422-0. 00550. 0257-0. 0201-0. 0862-0. 03010. 0486均方根值2. 2264. 97315. 8102. 7634. 72017. 8652. 6335. 72119. 531通过以上对标定及测量精度的分析可以看出, 利用设计的三维控制场可完成对摄测模型的标定和对现场的测量, 并且可以达到较高的测量精度。通过试验发现, 加强控制场各个参数的控制作用可以进一步提高测量精度。4 结束语为设计用于摄像机摄影测量的三维控制场, 首先根据物体成像原理和实际操作环境, 分析了控制标志尺寸的设计方法, 给出了实用的简化计算公式,
