用于消除振动环境对光测影响的姿态像机系统接力的方法 【技术领域】
本发明涉及光测图象技术、摄影测量和计算机视觉等领域，进一步是指用于消除振动环境对光测影响的姿态像机系统接力的方法。
背景技术
光测图象技术具有精度高、非接触、成本低等特点，在许多领域中有着广泛的应用。光测图象技术通过处理目标的图象进行测量，因而直接测量到的是目标相对于像机的位置、姿态等，而与目标或像机的绝对运动无关。如果需要得到目标位置、姿态等的绝对量，则要求像机绝对不动或通过附加措施对其运动地影响加以修正。
例如可见光遥感卫星，它在对预定地区进行摄影的同时，另外用一台星相机对天空中的固定参考物(恒星等)进行摄影，以测定对地摄影时刻卫星的位置和姿态，从而对固连的主像机的位置和姿态进行修正。在这个例子中，认为主像机、星相机与卫星的主体结构是一个稳固的整体，它们之间没有相对运动。
对于在振动环境中进行的光测，则不能将像机和振动环境视为稳固的整体。例如用光测方法测量在实验室中进行撞击实验的撞击物体的运动或用光测方法测量风洞实验中实验模型的运动，猛烈地撞击过程或吹风过程会使实验环境发生振动，也使得光测所用的像机的位置和姿态发生变化。由于环境振动的无规律性，在该环境中的各个设备都将做不可预知的无规律的相对运动。在这样的振动的实验环境内部不存在可作为绝对基准的不动的参考物，只能在此环境之外选定一固定参考物。同时，由于实验环境相对外界的较封闭的特性，从主像机的位置到所选定的固定参考物间通常不能通视。因而，如果在此实验环境的某一可通视所选定的固定参考物的位置安装一副像机，由于该副像机与主像机所处位置不同，它们各自做着不同的运动，无法通过副像机测量固定参考物来标定主像机的运动；如果将副像机与主像机固连，虽然二者间不再有相对运动，但此时副像机不能通视固定参考物，仅依靠副像机仍无法标定主像机的运动。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，通过在振动环境中工作的主像机上固连(即刚性连接，后同)副像机，在副像机与实验环境以外的固定参考物间某一即可通视副像机又可通视固定参考物的位置安装一固连合作标志的接力像机，构成姿态像机系统；直接由这套系统通过接力测量得到待测目标相对于固定参考物的位置和姿态，并由此姿态像机系统接力测量得到由于环境振动引起的副像机位置和姿态的变动，从而得到主像机的位置和姿态的变动并据此对测量结果进行修正；本方法可在振动环境使主像机的位置、姿态发生变化而影响测量结果，并且固定参考物无法从实验位置通视的情况下，消除振动环境对光测的影响。
本发明的技术方案是，所述消除振动环境对光测影响的姿态像机系统接力的方法是：
在振动并且相对较封闭的实验环境中用主像机拍摄目标的图象；
副像机与主像机固连；
在某一既可通视副像机又可通视固定参考物的位置安装一固连有合作标志的接力像机，由副像机、接力像机及其所固连的合作标志构成姿态像机系统；
由所述姿态像机系统通过接力测量得到待测目标相对于固定参考物的位置和姿态；用此姿态像机系统接力测量得到由于环境振动引起的副像机位置和姿态的变动，从而得到主像机的位置和姿态的变动并据此对测量结果进行修正。
本测量系统中各设备还可采用其它的布局方式。
以下对本发明做出进一步说明。
本发明技术方案基本原理如图1。在振动并且相对较封闭的实验环境中用主像机C0拍摄目标G的图象。副像机C1与主像机固连，即在实验过程中，主、副像机之间没有相对运动。主、副像机所处的位置不能与实验环境以外的固定参考物W通视。在某一即可通视副像机又可通视固定参考物的位置安装一固连有合作标志S的接力像机C2。C1、S和C2构成了姿态像机系统。即可以直接由这套系统通过接力测量得到待测目标相对于固定参考物的位置和姿态，也可以用此姿态像机系统接力测量得到由于环境振动引起的副像机位置和姿态的变动，从而得到主像机的位置和姿态的变动并据此对测量结果进行修正。本测量系统中各设备还可采用其它的布局方式，如图2(a)、(b)或(c)。
本发明的实施系统由以下分系统组成：
1.前期标定系统
本分系统由精密加工的标定参照物(网格板等)和辅助摄像机等组成。本分系统用于完成现场实验前所需的各项标定工作，包括标定像机系统C0、C1、C2的参数，标定固连的C0和C1间的相对位置和姿态。以及标定固连的S和C2间的相对位置和姿态。
2.目标实测系统
本分系统即直接用于测量目标位置和姿态的主像机C0。C0可以是一台像机，也可以是多台像机组成的像机系统。
3.修正振动影响的姿态像机系统
本分系统由与主像机C0固连的副像机C1，在即可通视副像机又可通视固定参考物的位置安装的接力像机C2和与C2固连的合作标志S组成。C1可能是一台像机，也可能是多台像机组成的像机系统；C2可以是一台像机，也可以是多台像机组成的像机系统。本分系统也有其它的组成和布局方式。
关于系统的前期标定的方法。系统的前期标定完成现场实验前所需的各项标定工作，包括标定像机系统C0、C1、C2的参数，标定固连的C0和C1间的相对位置和姿态，以及标定固连的S和C2间的相对位置和姿态。这些标定的方法不属本发明的内容，此处不赘述。
关于用主像机C0测量C0和目标间相对位置和姿态，用副像机C1测量C1和合作标志S间相对位置和姿态，用接力像机C2测量C2和固定参考物W间相对位置和姿态的方法。这些测量相对位置和姿态的方法较多，但不属本发明的内容，此处不赘述。
关于通过姿态像机系统接力直接得到待测目标相对固定参考物的位置和姿态的方法。如图1，建立目标体坐标系OG-XGYGZG，主像机坐标系OC0-XC0YC0ZC0，副像机坐标系OC1-XC1YC1ZC1，合作标志坐标系OS-XSYSZS，接力像机坐标系OC2-XC2YC2ZC2和固定参考物坐标系OW-XWYWZW。
在以下的叙述中，点P在坐标系OA-XAYAZA中的坐标向量记为PA，即PA＝[XA，YA，ZA]T，点P在坐标系OB-XBYBZB中的坐标向量为记PB，即PB＝[XB，YB，ZB]T；坐标系OA-XAYAZA与坐标系OB-XBYBZB间的变换关系由旋转矩阵RA-B和平移向量TA-B描述为PB＝RA-B·PA+TA-B，或由旋转矩阵RB-A和平移向量TB-A描述为PA＝RB-A·PB+TB-A。其中平移向量为一三维向量，描述了两坐标系间的相对位置关系；旋转矩阵为一三阶单位正交阵，描述了两坐标系间的相对姿态关系。
待测目标G相对于主像机C0的位置和姿态由平移向量TG-C0和旋转矩阵RG-C0描述，即
PC0＝RG-C0·PG+TG-C0 (1)
固定参考物W相对于接力像机C2的位置和姿态由平移向量TW-C2和旋转矩阵RW-C2描述，即
PC2＝RW-C2·PW+TW-C2 (2)
接力像机C2相对于所固连的合作标志S的位置和姿态由平移向量TC2-S和旋转矩阵RC2-S描述，即
PA＝RC2-S·PC2+TC2-S (3)
合作标志S相对于副像机C1的位置和姿态由平移向量TS-C1和旋转矩阵RS-C1描述，即
PC1＝RS-C1·PS+TS-C1 (4)
固连在一起的主、副像机间的关系，即副像机C1相对于主像机C0的位置和姿态由平移向量TC1-C0和旋转矩阵RC1-C0描述，即
PC0＝RC1-C0·PC1+TC1-C0 (5)
待测目标G相对于主像机C0的位置和姿态又可以由平移向量TC0-G和旋转矩阵RC0-G描述，即
PG＝RC0-G·PC0+TC0-G (6)
与(1)式比较，有，RC0-G=RG-C0-1,]]>TC0-G=-RG-C0-1·TG-C0.]]>
根据(2)～(6)式，有
PG＝RC0-G·(RC1-C0·(RS-C1·(RC2-S·(RW-C2·PW+TW-C2)+TC2-S)+TS-C1)+TC1-C0)+TC0-G (7)
如果以平移向量TW-G和旋转矩阵RW-G来描述待测目标G相对于固定参考物W的位置和姿态，即
PG＝RW-G·PW+TW-G (8)
则有
RW-G＝RC0-G·RC1-C0·RS-C1·RC2-S·RW-C2 (9)
TW-G=(RC0-G·RC1-C0·RS-C1·RC2-S·TW-C2+RC0-G·RC1-C0·RS-C1·TC2-S+RC0-G·RC1-C0·TS-C1+RC0-G·TC1-C0+C0-G)--(10)]]>
而如果以平移向量TG-W和旋转矩阵RG-W来描述待测目标G相对于固定参考物W的位置和姿态，即
PW＝RG-W·PG+TG-W (11)
与(8)式比较，有，RG-W=RW-G-1,]]>TG-W=-RW-G-1·TW-G.]]>即解算描述待测目标G相对于固定参考物W的位置和姿态的旋转矩阵和平移向量的公式为
RG-W=(RG-C0-1·RC1-C0·RS-C1·RC2-S·RW-C2)-1--(12)]]>
TG-W=-(RG-C0-1·RC1-C0·RS-C1·RC2-S·RW-C2)-1·(RG-C0-1·RC1-C0·RS-C1·RC2-S·TW-C2+RG-C0-1·RC1-C0·RS-C1·TC2-S+RG-C0-1·RC1-C0·TS-C1+RG-C0-1·TC1-C0-RG-C0-1·TG-C0)--(13)]]>
旋转矩阵单位正交，即R-1＝RT，则(12)、(13)式可化为
RG-W=RW-C2T·RC2-ST·RS-C1T·RC1-C0T·RG-C0--(14)]]>
TG-W=-(RW-C2T·TW-C2+RW-C2T·RC2-ST·TC2-S+RW-C2T·RC2-ST·RS-C1T·TS-C1+RW-C2T·RC2-ST·RS-C1T·RC1-C0T·TC1-C0-RW-C2T·RC2-ST·RS-C1T·RC1-C0T·TG-C0)--(15)]]>
(14)式和(15)式等号右侧的各项都可以通过前期标定或用主像机C0测0量C0与目标间相对位置和姿态或用副像机C1测量C1与合作标志S间相对位置和姿态或用接力像机C2测量C2与固定参考物W间相对位置和姿态的方法得到，因而可以据此解算出待测目标相对于固定参考物的位置和姿态。
关于通过姿态像机系统接力标定主像机位置和姿态受振动环境影响所发生的变化的方法。如图1，建立目标体坐标系OG-XGYGZG，主像机坐标系OC0-XC0YC0ZC0，副像机坐标系OC1-XC1YC1ZC1，合作标志坐标系OS-XSYSZS，接力像机坐标系OC2-XC2YC2ZC2和固定参考物坐标系OW-XWYWZW。
在以下的叙述中，点P在坐标系OA-XAYAZA中的坐标向量记为PA，即PA＝[XA，YA，ZA]T，点P在坐标系OB-XBYBZB中的坐标向量记为PB，即PB＝[XB，YB，ZB]T；坐标系OA-XAYAZA与坐标系OB-XBYBZB间的变换关系由旋转矩阵RA-B和平移向量TA-B描述为PB＝RA-B·PA+TA-B，或由旋转矩阵RB-A和平移向量TB-A描述为PA＝RB-A·PB+TB-A。其中平移向量为一三维向量，描述了两坐标系间的相对位置关系；旋转矩阵为一三阶单位正交阵，描述了两坐标系间的相对姿态关系。
固连在一起的主、副像机间的关系，即副像机C1相对于主像机C0的位置和姿态由平移向量TC1-C0和旋转矩阵RC1-C0描述，即
PC0＝RC1-C0·PC1+TC1-C0 (16)
合作标志S相对于副像机C1的位置和姿态由平移向量TS-C1和旋转矩阵RS-C1描述，即
PC1＝RS-C1·PS+TS-C1 (17)
接力像机C2相对于所固连的合作标志S的位置和姿态由平移向量TC2-S和旋转矩阵RC2-S描述，即
PS＝RC2-SPC2+TC2-S (18)
固定参考物W相对于像机C2的位置和姿态由平移向量TW-C2和旋转矩阵RW-C2描述，即
PC2＝RW-C2·PW+TW-C2 (19)
根据(17)～(19)式，有
PC1＝RS-C1·(RC2-S·(PW-C2·PW+TW-C2)+TC2-S)+TS-C1 (20)
如果以平移向量TW-C1和旋转矩阵RW-C1来描述副像机C1相对于固定参考物W的位置和姿态，即
PC1＝RW-C1·PW+TW-C1 (21)
则有
RW-C1＝RS-C1·RC2-S·RW-C2 (22)
TW-C1＝RS-C1·RC2-S·TW-C2+RS-C1·TC2-S+TS-C1 (23)
主像机C0和副像机C1固连，接力像机C2和合作标志S固连，因而环境的振动不会引起RC1-C0，TC1-C0，RC2-S和TC2-S的变化。环境的振动将会引起RS-C1，TS-C1，RW-C2和TW-C2的变化，设由于环境的振动使这些量分别变化为R’S-C1，T’S-C1，R’W-C2和T’W-C2；设由于环境的振动使副像机C1相对于固定参考物W的位置和姿态变化为T’W-C1和R’W-C1，则有
R′W-C1＝R′S-C1·RC2-S·R′W-C2 (24)
T′W-C1＝R′S-C1·RC2-S·T′W-C2+R′S-C1·TC2-S+TS-C1 (25)
设环境振动引起的TW-C1和RW-C1的变化量分别为ΔTW-C1和ΔRW-C1，即
R′W-C1＝RW-C1·ΔRW-C1 (26)
T′W-C1＝TW-C1+ΔTW-C1 (27)
则
ΔRW-C1=RW-C1-1·RW-C1′--(28)]]>
ΔTW-C1＝T′W-C1-TW-C1 (29)
如果以平移向量TW-C0和旋转矩阵RW-C0来描述主像机C0相对于固定参考物W的位置和姿态，即
PC0＝RW-C0·PW+TW-C0 (30)
又由于
PC1＝RW-C1·PW+TW-C1 (31)
PC0＝RC1-C0·PC1+TC1-C0 (32)
由(31)和(32)式，得
PC0＝RC1-C0·RW-C1·PW+RC1-C0·TW-C1+TC1-C0 (33)
因而有
RW-C0＝RC1-C0·RW-C1 (34)
TW-C0＝RC1-C0·TW-C1+TC1-C0 (35)
设由于环境的振动使主像机C0相对于固定参考物W的位置和姿态变化为T’W-C0和R’W-C0，则有
R′W-C0＝RC1-C0·R′W-C1 (36)
T′W-C0＝RC1-C0·T′W-C1+TC1-C0 (37)
设环境振动引起的TW-C0和RW-C0的变化量分别为ΔTW-C0和ΔRW-C0，即
R′W-C0＝RW-C0·ΔRW-C0 (38)
T′W-C0＝TW-C0+ΔTW-C0 (39)
则
ΔRW-C0=RW-C0-1·RW-C0′--(40)]]>
ΔTW-C0＝T′W-C0-TW-C0 (41)
将(34)～(37)式代入(40)和(41)式，并考虑到旋转矩阵单位正交，有
ΔRW-C0=RW-C1T·RW-C1′--(42)]]>
ΔTW-C0＝RC1-C0·(T′W-C1-TW-C1) (43)
注意到(28)和(29)式，可得主像机相对固定参考物的位置和姿态变化量与副像机相对固定参考物的位置和姿态变化量间的关系为：
ΔRW-C0＝ΔRW-C1 (44)
ΔTW-C0＝RC1-C0·ΔTW-C1 (45)
进而得
ΔRW-C0=RW-C2T·RC2-ST·RS-C1T·RS-C1′·RC2-S·RW-C2′--(46)]]>
ΔTW-C0=RC1-C0·(RS-C1′·RC2-S·TW-C2′+RS-C1′·TC2-S+TS-C1′-RS-C1·RC2-S·TW-C2-RS-C1·TC2-S-TS-C1)--(47)]]>
(46)式和(47)式等号右侧的各项都可以通过前期标定或用主像机C0测量C0和目标T间相对位置和姿态或用副像机C1测量C1和合作标志S间相对位置和姿态或用接力像机C2测量C2和固定参考物W间相对位置和姿态的方法得到，因而可以据此解算出主像机相对于固定参考物的位置和姿态的变化量，用来对测量结果进行修正。
关于测量系统中各设备可采用的其它布局方式。测量系统中各设备还可采用如图2(a)、(b)或(c)的布局方式。
图2(a)表示的设备布局方式是，像机C0拍摄待测目标G，合作标志S与C0固连，像机C1拍摄合作标志S，像机C2与C1固连，C2拍摄实验环境外的固定参考物W。
图2(b)表示的设备布局方式是，像机C0拍摄待测目标G，像机C1与C0固连，像机C1拍摄合作标志S，像机C2与实验环境外的固定参考物W固连，C2拍摄S。
图2(c)表示的设备布局方式是，像机C0拍摄待测目标G，合作标志S与C0固连，像机C1拍摄合作标志S，合作标志S与C1固连，像机C2与实验环境外的固定参考物W固连，C2拍摄S’。
由以上可知，本发明为用于消除振动环境对光测影响的姿态像机系统接力的方法。本方法通过在振动环境中工作的主像机上固连副像机，在副像机与实验环境以外的固定参考物间某一即可通视副像机又可通视固定参考物的位置安装一固连合作标志的接力像机，构成姿态像机系统；既可以直接由这套系统通过接力测量得到待测目标相对于固定参考物的位置和姿态，也可以用此姿态像机系统接力测量得到由于环境振动引起的副像机位置和姿态的变动，从而得到主像机的位置和姿态的变动并据此对测量结果进行修正。本测量系统中各设备还可采用其它的布局方式。本方法的意义在于：
在振动环境使主像机的位置、姿态发生变化而影响测量结果，并且固定参考物无法从实验位置通视的情况下，消除了振动环境对光测的影响。
【附图说明】
图1：用于消除振动环境对光测影响的姿态像机系统接力方法原理图；其中，G为待测目标，OG-XGYGZG为目标体坐标系，C0为主像机，OC0-XC0YC0ZC0为主像机坐标系，C1为副像机，OC1-XC1YC1ZC1为副像机坐标系，C2为接力像机，OC2-XC2YC2ZC2为接力像机坐标系，S为合作标志，OS-XSYSZS为合作标志坐标系，W为固定参考物，OW-XWYWZW为固定参考物坐标系；
图2(a)：设备布局方式之二；其中，G为待测目标，S为合作标志，W为固定参考物，C0、C1、C2为像机；
图2(b)：设备布局方式之三；其中，G为特测目标。S为合作标志，W为固定参考物，C0、C1、C2为像机；
图2(c)：设备布局方式之四；其中，G为待测目标，S、S’为合作标志，W为固定参考物，C0、C1、C2为像机。
【具体实施方式】
1.制备和安装姿态像机系统；
2.标定各像机或像机系统，标定主副像机之间、接力像机与所固连的合作标志之间的相对位置和姿态；
3.如果实验中需要如前所述的通过姿态像机系统接力标定主像机位置和姿态受振动环境影响所发生的变化，则在实验开始前由姿态像机系统采集不受环境振动影响下的图像，解算各旋转矩阵、平移向量等；
4.在实验中，与主像机对目标采图同步的，姿态像机系统各像机进行相应的采图；
5.根据实验需要，进行如前所述的关于通过姿态像机系统接力直接得到待测目标相对固定参考物的位置和姿态或通过姿态像机系统接力标定主像机位置和姿态受振动环境影响所发生的变化的数据处理。