基于圖像識別的經(jīng)緯儀自動準直方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像識別的自動經(jīng)緯儀準直測量方法，其測量設備由內(nèi)置驅(qū)動馬達的電子經(jīng)緯儀、微型測量相機和固定工裝組成，通過微型測量相機對電子經(jīng)緯儀進行自動準直測量的引導，標定圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系以及標定焦距處于準直觀測狀態(tài)下電子經(jīng)緯儀偏轉角度量與微型測量相機像素數(shù)量的關系，自動提取準直返回光和電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲和偏差關系并直到準直。本發(fā)明采用的基于圖像識別的經(jīng)緯儀自動準直方法，由圖像記錄和分析的方法替代傳統(tǒng)的人眼觀測的方法，保證了在長時間測量情況下的測量穩(wěn)定性，提高了測量的工作效率。
【專利說明】基于圖像識別的經(jīng)緯儀自動準直方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)測量領域，具體涉及一種用于經(jīng)緯儀自動準直測量的方法。
【背景技術】
[0002]精度測量是衛(wèi)星和星上儀器可靠運行的重要保證環(huán)節(jié)。為了保證衛(wèi)星的正常飛行和工作，必須在地面總裝時對衛(wèi)星的結構外形和有精度要求的儀器設備進行幾何精度測量，如衛(wèi)星上的地球敏感器、太陽和星敏感器、慣性器件等姿態(tài)敏感儀器；ION推力器、490N發(fā)動機等推力組件；天線、相機等傳感通信設備。被測量的設備一般被測設備上已被標定的光學立方鏡進行表征，被測儀器的坐標系坐標軸由光學立方鏡的反射面法線代表。目前的測量方法是采用高精度的電子經(jīng)緯儀進行人工準直測量。經(jīng)緯儀內(nèi)置有同目鏡觀測十字絲重合的十字光源，測量時首先將經(jīng)緯儀的望遠鏡鏡筒調(diào)焦至無窮遠狀態(tài)，利用十字光源照射被測立方鏡面并通過目鏡觀測鏡面的返回光，操作經(jīng)緯儀使得返回光同目鏡十字絲重合，此時經(jīng)緯儀的觀測光軸(十字光源照射方向)同鏡面法向一致，通過對經(jīng)緯儀的水平和豎直角度的數(shù)據(jù)記錄完成對鏡面法向的測量。
[0003]高精度電子經(jīng)緯儀測量技術的實時性、非接觸、機動性及高精度顯著地提高了航天器精測的速度和精度，為目前航天器精測任務的順利完成提供了重要的設備支持。但是目前的測量方法主要依賴于人工的觀測和操作，其內(nèi)置驅(qū)動馬達的功能并未被有效利用，在長時間、遠距離、多任務的情況下，測量誤差會因為人眼的觀測誤差而變大，同時測量效率也會降低。特別是隨著型號研制任務的不斷增加，經(jīng)常都會出現(xiàn)人少工作量大的任務情況，人眼的觀測誤差也逐漸成為了影響系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。比如工人在連續(xù)測量超過4個小時后，人眼的觀測誤差會變大，尤其在晚上加班測量時，工人會因視覺疲勞而造成視力下降，人眼的瞄準精度將會更低，這都將會引起測量效率和測量精度的降低，甚至會耽誤任務的進度。
[0004]而近年來，由于具有檢測速度快、測量精度高、非接觸測量等優(yōu)點，圖像傳感器技術在實現(xiàn)現(xiàn)場檢測、提高生產(chǎn)自動化程度以及實現(xiàn)特大尺寸的檢測等方面展現(xiàn)出非常強大的發(fā)展前景。視覺引導測量技術能夠克服人眼的觀測誤差，在很大程度上提高工作的效率，成為國內(nèi)外測量領域內(nèi)研究發(fā)展的熱點和重點。
[0005]但是，這些現(xiàn)有的控制方式都無法做到隨動控制，不夠真實地反映裝配需求并進行實時的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的基于圖像識別的自動經(jīng)緯儀準直測量方法，是為了通過可視化的圖像對經(jīng)緯儀準直測量狀態(tài)進行監(jiān)視，利用圖像的可量化分析特性指導經(jīng)緯儀進行自動準直，最終實現(xiàn)經(jīng)緯儀的自動準直測量，在提高測量效率的同時，消除人眼的觀測誤差，保證甚至提高經(jīng)緯儀的測量精度。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:[0008]基于圖像識別的自動經(jīng)緯儀準直測量方法，其測量設備由內(nèi)置驅(qū)動馬達的電子經(jīng)緯儀、微型測量相機和固定工裝組成，通過微型測量相機對電子經(jīng)緯儀進行自動準直測量的引導，包括如下步驟:
[0009](I)固定工裝將微型測量相機同電子經(jīng)緯儀進行連接固定，微型測量相機可通過電子經(jīng)緯儀鏡筒對電子經(jīng)緯儀的測量視場進行無遮擋觀測；
[0010](2)標定微型測量相機與經(jīng)緯儀的空間關系作為系統(tǒng)的工作內(nèi)部參數(shù)，依次包括相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系(偏轉系數(shù)和平移量)和焦距處于無窮遠測狀態(tài)(經(jīng)緯儀進行準直時的焦距狀態(tài))下電子經(jīng)緯儀角度偏量與微型測量相機拍攝圖像中像素偏量的比例系數(shù)(水平十字絲方向比例系數(shù)和豎直方向比例系數(shù))；
[0011]a.相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系(偏轉系數(shù)和平移量)標定方法為:
[0012]設坐標系XOY為經(jīng)緯儀目鏡十字絲表征的基準坐標系，xoy為引導相機的像平面坐標系，兩個坐標系為同平面同比例的旋轉和平移線性變換，設這個轉換關系為
[0013]X=pXx+q, Y=pXy+q(I)
[0014]式中(X，Y)為目標點在基準坐標系中的坐標值，基準坐標系通過對圖像中的經(jīng)緯儀十字絲進行提取，計算目標點到兩個坐標軸的距離(像素數(shù)計量)即為這一坐標值；(X，y)為同一目標點在像平面坐標系中的坐標值，像平面坐標系以圖像中心為坐標原點，平行像素排列方向和垂直像素排列方向構成坐標軸，計算目標點到兩個坐標軸的距離(像素數(shù)計量)即為這一坐標值；P、q為轉換關系系數(shù)；
[0015]在圖像中任意取兩`個已知點A、B，設A在基準坐標系中的坐標值為(Al，A2)，在像平面坐標系中的坐標值為(al，a2)，B在基準指標系中的坐標值為(BI，B2)，在像平面坐標系中的坐標值為(bl，b2)，通過這四組坐標值即可求解出基準坐標系與像平面坐標系的轉換關系；
[0016]b.焦距處于準直觀測狀態(tài)下電子經(jīng)緯儀偏轉角度量與微型測量相機像素數(shù)量的關系的標定方法為:
[0017]將已固定連接微型測量相機的電子經(jīng)緯儀穩(wěn)定于狀態(tài)1，記錄狀態(tài)I條件下經(jīng)緯儀的水平角度和豎直角度，記錄狀態(tài)I條件下的微型測量相機的圖像，將電子經(jīng)緯儀進行水平角度和垂直角度偏轉，穩(wěn)定于狀態(tài)2，記錄狀態(tài)2條件下經(jīng)緯儀的水平角度和豎直角度，記錄狀態(tài)2條件下的微型測量相機的圖像；
[0018]計算狀態(tài)I和狀態(tài)2中圖像偏移的像素量，通過(I)中的標定關系將這一偏移量裝換到在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下的兩個偏移分量，對應于電子經(jīng)緯儀狀態(tài)I和狀態(tài)2的水平角度和豎直角度的偏量，分別計算在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下兩個坐標軸方向上的電子經(jīng)緯儀的偏轉角度量同微型測量相機像素偏差量的關系參數(shù)；在距離經(jīng)緯儀視準軸不同偏轉角的位置，電子經(jīng)緯儀的偏轉角度量同微型測量相機像素偏差量的關系并不是完全的線性關系，基于圖像網(wǎng)格分布的參數(shù)標定方法，即將圖像分割為NXM的若干區(qū)域，對每個區(qū)域都按照步驟(2)中的方法進行一次標定，在需要使用這一參數(shù)時根據(jù)目標位于圖像的區(qū)域按照就近的原則選擇對應區(qū)域的參數(shù)；
[0019](3)自動提取準直返回光和電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲和偏差關系[0020]利用準直返回光和電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲在圖像中形狀特征，通過基于灰度分析的方法在圖像中提取出十字返回光的中心坐標以及電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲的坐標，計算二者在圖像中的像素偏差量；通過步驟(2)中標定的關系參數(shù)將像素偏差量轉化為在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下水平軸和豎直軸的角度偏差量；
[0021](4)將(3)中計算的角度偏差量以指令形式發(fā)送給電子經(jīng)緯儀，驅(qū)動經(jīng)緯儀按照設定角度進行偏轉，直到完成準直。
[0022]上述方案中，采用的電子經(jīng)緯儀為具有自準直功能和內(nèi)置有驅(qū)動馬達的電子經(jīng)緯儀，可直接采用成熟的電子經(jīng)緯儀產(chǎn)品；
[0023]上述方案中，采用的微型測量相機為微型定焦測量相機，可直接采用成熟的測量相機產(chǎn)品；
[0024]上述方案中，采用的固定工裝為配合目鏡及微型測量相機尺寸的工裝，能夠?qū)⑽⑿蜏y量相機固定在經(jīng)緯儀目鏡位置的同時，通過平行固定的方式保證微型測量相機的光軸與經(jīng)緯儀的視準軸基本一致。
[0025]本發(fā)明采用的基于圖像識別的經(jīng)緯儀自動準直方法，由圖像記錄和分析的方法替代傳統(tǒng)的人眼觀測的方法，保證了在長時間測量情況下的測量穩(wěn)定性，提高了測量的工作效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為實施本發(fā)明的自動準直方法過程中相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間轉換關系標定示意圖。其中實線示意的XOY為經(jīng)緯儀目鏡十字絲表征的基準坐標系，虛線示意的Xoy為由圖像平面確定的像平面坐標系。
[0027]圖2為實施本發(fā)明的自動準直方法過程中基于圖像網(wǎng)格分布的參數(shù)標定方法即將圖像分割為NXM的若干區(qū)域，對每個格網(wǎng)點都按照焦距處于準直觀測狀態(tài)下標定的示意圖。其中白色點為圖像中心點，黑色點為圖像的格網(wǎng)點。
[0028]圖3為基于圖像識別的經(jīng)緯儀自動準直測量系統(tǒng)的整體示意圖。
[0029]其中，I為經(jīng)緯儀目鏡；2為固定工裝；3為微型測量相機。
【具體實施方式】
[0030]以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進一步的闡明。當然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應理解為限制本發(fā)明范圍。
[0031]如圖3所示，本發(fā)明的基于圖像識別的自動經(jīng)緯儀準直測量方法使用的設備包括微型測量相機，該微型測量相機通過固定工裝固定于經(jīng)緯儀的目鏡處，微型測量相機和固定工裝之間以及固定工裝與目鏡之間采用螺釘卡緊的方式固定。通過電子經(jīng)緯儀的測量鏡筒對電子經(jīng)緯儀的視場進行觀測，進行測量時依次進行兩種標定，【具體實施方式】如下:
[0032](I)相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系(偏轉系數(shù)和平移量)標定方法為:
[0033]設p、q為轉換關系系數(shù)。如圖1所示為相機拍攝的圖像，采用人工繪制的方法用鼠標選取十字絲上的兩點來獲取水平十字絲線和豎直十字絲線，記錄十字絲中心以及水平十字絲上的點和豎直十字絲上的點在圖像中的像素位置。圖像的中心點為O，像素排列的行方向為OX，像素排列的列方向為oy，經(jīng)緯儀目鏡十字絲中心在圖像中顯示為0，水平十字絲方向為0X，豎直十字絲方向為0Y。設坐標系XOY為十字絲表征的基準坐標系，xoy為引導相機的圖像平面坐標系。兩個坐標系為同平面內(nèi)的旋轉和平移，數(shù)學關系為線性關系，設這個轉換關系為
[0034]X=pXx+q, Y=pXy+q(I)
[0035]式中(X，Y)為目標點在基準坐標系中的像素坐標值，基準坐標系通過對圖像中的經(jīng)緯儀十字絲進行提取，計算目標點到兩個坐標軸的距離(像素數(shù)計量)即為這一坐標值；(x，y)為同一目標點在圖像平面坐標系中的像素坐標值，像平面坐標系以圖像中心為坐標原點，平行像素排列方向和垂直像素排列方向構成坐標軸，計算目標點到兩個坐標軸的距離(像素數(shù)計量)即為這一坐標值。 [0036]在圖像中任意取點A，設A在基準坐標系中的坐標值為(Al，A2)，在像平面坐標系中的坐標值為(al，a2)。則有方程；
[0037]Al=pXal+q 和 A2=pXa2+q;
[0038]求解方程可得:p=(A1-A2) / (al-a2)，q=Al- (A1-A2) X/ (al-a2)。
[0039](2)焦距處于無窮遠測狀態(tài)(經(jīng)緯儀進行準直時的焦距狀態(tài))下電子經(jīng)緯儀角度偏量與微型測量相機拍攝圖像中像素偏量的比例系數(shù)標定方法為:
[0040]設K為水平方向上的比例系數(shù)，K'為豎直方向上的比例系數(shù)。在圖像中設有兩點C、D，C點在xoy坐標系下的像素坐標值為(C，D)，D點在xoy坐標系下的像素坐標值為(C，d),經(jīng)過坐標系XOY與xoy的轉換關系可以得到C點在XOY坐標系下的像素坐標值為(C'，D' )，D點在XOY坐標系下的像素坐標值為(c'，d')。經(jīng)緯儀瞄準C點時，經(jīng)緯儀的角度顯示為U (水平角)，β (豎直角))，經(jīng)緯儀瞄準D點時，經(jīng)緯儀的角度顯示為(α '(水平角)，β '(豎直角))。
[0041]則水平方向上的比例系數(shù)K為:Κ=| a ' -a|/|C' _C | ;(如經(jīng)緯儀瞄準D點時經(jīng)緯儀轉過了水平角度零點，則Κ=| α ' +360-α |/|C' _C|;)
[0042]豎直方向上的比例系數(shù)K'為:K' =| β' -βΙ/lD' -D I ο
[0043]由于在距離經(jīng)緯儀視準軸不同偏轉角的位置電子經(jīng)緯儀的偏轉角度量同微型測量相機像素偏差量的關系并不是完全的線性關系，因此采用基于圖像網(wǎng)格分布的參數(shù)標定方法，如圖2，將圖像按照圖像的行列方向分割為NXM的若干區(qū)域，其中白色原點為圖像中心，定義其他行列交點(黑色點)為(Dl，D2……)選在進行(2)的②標定時選取圖像中心點位C，依次選取(Dl，D2……)為D點進行標定，得出在每個Dl、D2……點的水平方向上的比例系數(shù)K和豎直方向上的比例系數(shù) 。
[0044](3)在測量狀態(tài)下通過微型測量相機對經(jīng)緯儀的準直測量視場進行圖像記錄，在記錄圖像中采用steger法對圖像中的準直十字光進行分割，提取出電子經(jīng)緯儀的準直返回光的水平中心線點和豎直中心線點，再通過基于Hough變換的直線提取方法準直返回光中心線，通過交會計算得到十字絲中心在圖像坐標系xoy下的像素坐標值(m, η),計算與(m，η)點距離最為接近的行列交點(Dl，D2……)，設此交點處水平方向上的比例系數(shù)為K，豎直方向上的比例系數(shù)為K'。通過(2)中標定的內(nèi)部參數(shù)轉化為電子經(jīng)緯儀的角度驅(qū)動量(Y，δ)，具體計算方法為:[0045]Y = (mXp+q) XK ；
[0046]δ =(nXp+q) XK;。
[0047](4)根據(jù)(3)中的電子經(jīng)緯儀角度驅(qū)動量由計算機發(fā)送控制指令驅(qū)動電子經(jīng)緯儀按照(Y，S )進行角度偏轉，達到準直狀態(tài)。
[0048]盡管上文對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權利要求所記載的范圍。
【權利要求】
1.基于圖像識別的自動經(jīng)緯儀準直測量方法，其測量設備由內(nèi)置驅(qū)動馬達的電子經(jīng)緯儀、微型測量相機和固定工裝組成，通過微型測量相機對電子經(jīng)緯儀進行自動準直測量的引導，包括如下步驟:(1)固定工裝將微型測量相機同電子經(jīng)緯儀進行連接固定，微型測量相機可通過電子經(jīng)緯儀鏡筒對電子經(jīng)緯儀的測量視場進行無遮擋觀測；(2)標定微型測量相機與經(jīng)緯儀的空間關系作為系統(tǒng)的工作內(nèi)部參數(shù)，包括相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系(偏轉系數(shù)和平移量)和焦距處于無窮遠測狀態(tài)(經(jīng)緯儀進行準直時的焦距狀態(tài))下電子經(jīng)緯儀角度偏量與微型測量相機拍攝圖像中像素偏量的比例系數(shù)；a.相機所拍攝圖像的圖像平面坐標系與經(jīng)緯儀目鏡十字絲觀測坐標系間的轉換關系(偏轉系數(shù)和平移量)標定方法為:設坐標系XOY為經(jīng)緯儀目鏡十字絲表征的基準坐標系，xoy為引導相機的像平面坐標系，兩個坐標系為同平面同比例的旋轉和平移線性變換，設這個轉換關系為X=PXx+q, Y=pXy+q(I)式中(X，Y)為目標點在基準坐標系中的坐標值，基準坐標系通過對圖像中的經(jīng)緯儀十字絲進行提取，計算目標點到兩個坐標軸的距離(像素數(shù)計量)即為這一坐標值；(X，y)為同一目標點在像平面坐標系中的坐標值，像平面坐標系以圖像中心為坐標原點，平行像素排列方向和垂直像素排列方向構成坐標軸，計算目標點到兩個坐標軸的距離即為這一坐標值;P、q為轉換關系系數(shù)；在圖像中任意取兩個已知點A、B,設A在基準坐標系中的坐標值為(Al，A2)，在像平面坐標系中的坐標值為(al，a2)`，B在基準指標系中的坐標值為(BI，B2)，在像平面坐標系中的坐標值為(bl，b2)，通過這四組坐標值即可求解出基準坐標系與像平面坐標系的轉換關b.焦距處于準直觀測狀態(tài)下電子經(jīng)緯儀偏轉角度量與微型測量相機像素數(shù)量的關系的標定方法為:將已固定連接微型測量相機的電子經(jīng)緯儀穩(wěn)定于狀態(tài)1，記錄狀態(tài)I條件下經(jīng)緯儀的水平角度和豎直角度，記錄狀態(tài)I條件下的微型測量相機的圖像，將電子經(jīng)緯儀進行水平角度和垂直角度偏轉，穩(wěn)定于狀態(tài)2，記錄狀態(tài)2條件下經(jīng)緯儀的水平角度和豎直角度，記錄狀態(tài)2條件下的微型測量相機的圖像；計算狀態(tài)I和狀態(tài)2中圖像偏移的像素量，通過(I)中的標定關系將這一偏移量裝換到在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下的兩個偏移分量，對應于電子經(jīng)緯儀狀態(tài)I和狀態(tài)2的水平角度和豎直角度的偏量，分別計算在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下兩個坐標軸方向上的電子經(jīng)緯儀的偏轉角度量同微型測量相機像素偏差量的關系參數(shù)；在距離經(jīng)緯儀視準軸不同偏轉角的位置，電子經(jīng)緯儀的偏轉角度量同微型測量相機像素偏差量的關系并不是完全的線性關系，基于圖像網(wǎng)格分布的參數(shù)標定方法，即將圖像分割為NXM的若干區(qū)域，對每個格網(wǎng)交點都按照(b)中的方法進行一次標定，在需要使用這一參數(shù)時根據(jù)目標與圖像中所有格網(wǎng)點的距離按照就近的原則選擇對應格網(wǎng)點位置的參數(shù)；(3 )自動提取準直返回光和電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲和偏差關系利用準直返回光和電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲在圖像中形狀特征，通過基于灰度分析的方法在圖像中提取出十字返回光的中心坐標以及電子經(jīng)緯儀目鏡十字絲的坐標，計算二者在圖像中的像素偏差量；通過(2)中標定的關系參數(shù)將像素偏差量轉化為在電子經(jīng)緯儀觀測坐標系下水平軸和豎直軸的角度偏差量；(4)將(3)中計算的角度偏差量以指令形式發(fā)送給電子經(jīng)緯儀，驅(qū)動經(jīng)緯儀按照設定角度進行偏轉，直到完成準直。
2.如權利要求1所述的方法，其中，電子經(jīng)緯儀角度偏量與微型測量相機拍攝圖像中像素偏量的比例系數(shù)包括水平十字絲方向比例系數(shù)和豎直方向比例系數(shù)。
3.如權利要求1所述的方法，其中，電子經(jīng)緯儀為具有自準直功能和內(nèi)置有驅(qū)動馬達的電子經(jīng)緯儀。
4.如權利要求1所述的方法，其中，采用的微型測量相機為微型定焦測量相機。
5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其中，采用的固定工裝為配合目鏡及微型測量相機尺寸的工裝，能夠?qū)⑽⑿蜏y量相機固定在經(jīng)緯儀目鏡位置的同時，通過平行固定的方式保證微型測量相機的光軸與經(jīng)緯儀的視準軸基本一致。
【文檔編號】G01C1/04GK103604411SQ201310553352
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權日:2013年11月8日
【發(fā)明者】劉浩淼, 王偉, 楊再華, 易旺民, 陶力, 阮國偉, 段晨旭, 陳啟威, 任春珍, 郭潔瑛, 劉笑, 于兆吉, 孫繼鵬 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所