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1、10申请公布号CN101963500A43申请公布日20110202CN101963500ACN101963500A21申请号201010294622122申请日20100928G01C3/24200601G06T7/0020060171申请人四川大学地址610207四川省成都市双流县川大路2段2号72发明人樊庆文王德麾袁中凡74专利代理机构成都科海专利事务有限责任公司51202代理人吕建平54发明名称计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪57摘要本发明公开了计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪，其中测距方法主要由相机定标操作、采集待测量对象图像和求解待测对象空间距离。
2、组成，用于实施计算机视觉大尺度测距方法的便携式测距仪主要由由直线光栅导轨、数码相机、计算机、标准定标物和定标尺组成，数码相机通过安装台架相对导轨可移动地安装在直线光栅导轨上。本发明通过实验证明，具有工程上的可行性和实用性，可适应于几米至几十米甚至更大尺寸空间物体例如汽车、建筑物等的测量，能够弥补其他非接触式测量方法在测量范围、测量成本等方面的不足，在工程测量、地质勘探、水利建设、矿山开发、城市规划等工程领域具有广泛的应用前景。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图1页CN101963501A1/2页21一种计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于。
3、1相机定标操作，将数码相机通过直线光栅导轨设置在待测对象可测的相对位置，在相机附近设置标准定标物和定标尺，相机于导轨固定位置处以多种焦距参数对定标尺拍照，计算得到相机的部分内部参数U0，V0；相机固定焦距，在导轨至少两个位置处对定标物拍照，进而求解出相机的剩余内参数AX，AY、相机外部参数R，T和导轨方向向量EXEYEZ；2采集待测量对象图像，使相机沿导轨平移，在至少两个位置处采集待测对象的清晰图像；3求解待测对象空间距离，利用步骤1得到的相机参数和步骤2采集到的待测对象的图像，按照大尺度计算机视觉测距算法求解出待测对象的空间距离。2根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于数码。
4、相机通过直线光栅导轨设置在于至少2个位置处能够拍摄到定标物的位置。3根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于相机内部参数U0，V0AX，AY，相机外部参数R，T和导轨方向向量EXEYEZ是在以定标尺两相互正交边作为世界坐标系的两个轴所建立起的世界坐标系OW；XW，YW，ZW计算得到。4根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于相机内部参数U0，V0通过以下方法计算确定1选择定标尺的某标尺段为定焦物，在能够拍摄到定标尺的任意位置处，使用相机自动对焦功能，对该标尺段采集图象P；2保持相机、标尺位置不动，选择与上一标尺段有部分重叠的另一标尺段作为另一定焦物，相机重新自动。
5、对焦，对该标尺段采集图象Q；3在两标尺段重叠部分取若干点，确定各点在P，Q图片中的像素坐标，分别设为NPIUPI，VPI，NQIUQI，VQI；4相同I下标的点NPIUPI，VPI、NQIUQI，VQI的直线LI方程为AIUBIV，LI的交点U0，V0的值由下式计算确定5根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于相机内部参数AX，AY通过以下方法确定平移相机至合适位置，开启相机自动对焦功能，对含有三组相互正交平行线组的标定物进行拍照，在其照片上得到三组相互正交平行线方向上的灭点像，设为UVI，VVII1，2，3，由灭点的与相机光心联线的性质，得方程组为其中由上式解出T1、T2值后。
6、，即可解出相机内部参数AX，AY。权利要求书CN101963500ACN101963501A2/2页36根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于相机外部参数R通过以下方法确定在世界坐标系的XW轴上确定点P1，P2，PNN3，在YW轴上确定点Q1，Q2，QMM3，对这些点进行一次拍照，得到它们在XW、YM轴上的坐标及其图像坐标UI，VI，采用最小二乘法求解由相机成像模型得到图像坐标方程，可得到R7根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于相机外部参数T通过以下方法确定在世界坐标系下选定已知点P1，P2，PNN2，对这些点进行一次拍照，其图像坐标为UI，VI，求解由成。
7、像模型得到的以下方程即可得出TTXTYTZ。8根据权利要求1所述的计算机视觉大尺度测距方法，其特征在于导轨方向向量EXEYEZ通过以下方法确定相机在导轨上移动到一个新位置，确定此处相机的T参数，设相机在原、新位置处的T参数分别为T1，T2，平移距离为D，则EXEYEZ由下式确定9实施权利要求1至8之一所述计算机视觉大尺度测距方法的便携式测距仪，其特征在于主要由直线光栅导轨、数码相机、数据处理设备、标准定标物和定标尺组成，数码相机通过安装台架相对导轨可移动地安装在直线光栅导轨上。10根据权利要求9所述的便携式测距仪，其特征在于数码相机采用拆装结构安装在直线光栅导轨上。权利要求书CN1019635。
8、00ACN101963501A1/5页4计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪技术领域0001本发明涉及空间尺寸的测量方法技术，特别涉及一种基于计算机视觉的大尺度测距方法及其实施装置。背景技术0002目前空间尺寸的测量方法主要有卫星定位测距、激光测距、经纬仪测距、工具显微镜测距、水准仪测距和三坐标测量机测距、基于数字图像的测距等。其中，国内的卫星定位服务几乎都依赖于美国的GPS系统，信号终端价格昂贵，受到美国军方限制，且必须在被测物体上设置信号接收装置；激光测距定位系统是通过测量从设备开始发射激光到此激光由被测物反射，又折回到设备的时间间隔来计算被测物与系统间的距离，由于对微小时间。
9、间隔测量的局限，一般存在测量盲区，且对被测物体的反射面有一定的要求；经纬仪测量系统是光学、非接触式测量方式，其优点是测量范围较大2M至几十米、测量精度比较高，其不足是采用手动照准目标，逐点测量，测量速度慢、操作复杂、自动化程度不高；水准仪是采用光学原理进行测量的设备，测量前需要对设备进行调平，需要在被测点设置标杆，仪器使用较复杂；工具显微镜测距和三坐标测量机测距方法不适合空间大尺寸的测量；基于数字图像的测距方法，从原理上很好地解决了上述问题，但理论研究不够深入，还没有适合测量空间距离的成熟产品。0003基于数字图像空间测距现有技术存在的根本问题之一是对数码相机进行精确标定。标定相机内外部参数的。
10、方法主要有定标物标定法和相机自定标法。定标物标定法具有较好的计算稳定性和定标精度。但在很多情况下，尤其是在复杂地形环境中，定标物设置困难甚至无法设置，且需要知道相机与定标物的相互空间位置。相机自定标法无需设置专门的定标物，但对被测物体有特殊要求，且相机在三维空间中需进行一系列的复杂移动，测量设备结构复杂，成本高。这些标定方法在原理上都有相当大的局限性，不适合空间大尺寸测距的使用要求。发明内容0004本发明针对现有技术的空间尺寸测量技术的现状，提出了一种新的计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪，以适应野外大尺度测量作业需要。0005本发明提出的计算机视觉大尺度测距方法，主要包括00。
11、061相机定标操作，将数码CCD相机通过直线光栅导轨设置在待测对象可测的相对位置，在相机附近设置标准定标物和定标尺，相机于导轨固定位置处以多种焦距参数对定标尺拍照，计算得到相机的部分内部参数U0，V0；相机固定焦距，在导轨至少两个位置处对定标物拍照，进而求解出相机的剩余内参数AX，AY、外部参数R，TR为相机旋转矩阵，T为相机平移向量和导轨方向向量EXEYEZ；00072采集待测量对象图像，使相机沿导轨平移，在至少两个位置处采集待测对象的清晰图像；说明书CN101963500ACN101963501A2/5页500083求解待测对象空间距离，利用步骤1得到的相机参数和步骤2采集到的待测对象的图。
12、像，按照基于直线光栅导轨的大尺度计算机视觉测距算法求解出待测对象的空间距离。0009在上述技术方案中，数码CCD相机通过直线光栅导轨最好设置在于至少2个位置处能够拍摄到定标物的位置；相机内部参数U0，V0AX，AY，外部参数R，T和导轨方向向量EXEYEZ，是在以定标尺两相互正交边作为世界坐标系的两个轴所建立起的世界坐标系OW；XW，YW，ZW下进行计算确定。0010其中相机内部参数U0，V0具体可通过以下方法计算确定00111选择定标尺的某标尺段为定焦物，在能够拍摄到定标尺的任意位置处，使用相机自动对焦功能，对该标尺段采集图象P；00122保持相机、标尺位置不动，选择与上一标尺段有部分重叠的。
13、另一标尺段作为另一定焦物，相机重新自动对焦，对该标尺段采集图象Q；00133在两标尺段重叠部分取若干点，确定各点在P，Q图片中的像素坐标，分别设为NPIUPI，VPI，NQIUQI，VQI；00144相同I下标的点NPIUPI，VPI、NQIUQI，VQI的直线LI方程为AIUBIV，LI的交点U0，V0的值由下式计算确定00150016上述技术方案中的各种参数的计算确定是由数据处理设备完成的，数据处理设备可以是计算机或嵌入式设备，数据的运算可在测量现场进行，也可传输到现场外的计算机进行运算。0017本发明提出的实施上述计算机视觉大尺度测距方法的便携式测距仪，其结构主要由直线光栅导轨、CCD相。
14、机、数据处理设备、标准定标物和定标尺组成，CCD相机通过安装台架可相对导轨移动地安装在直线光栅导轨上。CCD相机最好是采用可拆装结构安装在直线光栅导轨上。便携式测距仪处于非使用状态时，CCD相机与直线光栅导轨分离，整体为分散结构。便携式测距仪处于使用状态时，CCD相机通过安装台架安装在直线光栅导轨上，将定标物设置在相机前方能够保证相机在导轨上于至少2个位置处拍摄到定标物，将定标尺设置在相机能够拍摄到定标尺的任意位置处。0018本发明公开的计算机视觉大尺度便携式测距仪，配以本发明提出的与之配套的CCD相机定标、视觉测距两项技术，在野外环境下工作，仅需要在近距离处设置简单的标准定标物即可确定出CC。
15、D相机的各参数，利用得到的相机参数，就可以方便地实现对远距离或大尺度物体进行连续测量，且在相机拆卸前或进行较低精度的测量时，可以直接使用前次定标得到的相机参数而不用再次进行相机定标操作，简化了一般的视觉测量方法。0019本发明提出的计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪，实验证明，具有工程上的可行性和实用性，特别适合于空间距离远尺度大的物体测量，可适应于几米至几十米甚至更大尺寸空间物体例如汽车、建筑物等的测量，能够弥补其他非接触说明书CN101963500ACN101963501A3/5页6式测量方法在测量范围、测量成本等方面的局限，在工程测量、地质勘探、水利建设、矿山开发、城市规。
16、划等工程领域具有广泛的应用前景。附图说明0020图1是本发明的系统原理示意图。0021图中，1为直角定标标尺；2为含有空间三组相互正交平行线的定标物；3为光栅定位直线滑动导轨及平台；4为普通CCD数码相机；5数据处理计算机。具体实施方式0022采用本发明进行空间距离远尺度大物体的测量，测量步骤总体上分为相机定标和测距两步，在完成一次定标操作后，在相机拆卸前或测量精度要求较低时，可以不用再次进行相机定标操作，且可以任意改变仪器设置位置而不影响测量。0023测量之前按图示将CCD相机安装在直线光栅导轨滑动平台上。CCD相机只能沿导轨做纯平移运动，由直线光栅导轨测得其安装有CCD相机的滑动平台在导轨。
17、上的移动距离。在相机前方适当位置设置定标物和定标尺，利用本发明提出的相机定标方法完成相机参数定标，然后即可整体移动安装在直线光栅导轨上的相机，利用本发明提出的测距方法对待测物进行距离测量。相机定标和测距的具体实施方式如下描述。00241、CCD相机定标方法002511标定CCD相机内部参数U0，V000261任意设置标尺。用定标尺两相互正交边做为世界坐标系中的两个轴，进而建立世界坐标系OW；XW，YW，ZW。00272在适当位置设置直线光栅导轨及CCD相机，自然的确定了相机坐标系OC；XC，YC，ZC。导轨的设置位置要保证相机在导轨上至少2个位置处能够拍摄到定标物。00283选择定标尺015C。
18、M段为定焦物，在能够拍摄到定标尺的任意位置处，使用CCD相机自动对焦功能保证该段图象清晰，采集图象P。00294保持相机、标尺位置不动，以标尺520CM段为定焦物，使CCD相机重新自动对焦保证该段图象清晰，采集图象Q。通过步骤3、4可以在图象P，Q中得到标尺515CM段的清晰图象。00305选取标尺515CM段上的5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15为N1，N2N11点至少选2点，但精度较低；点越多，精度越高。在图象P，Q中，分别确定N1，N2N11在各图片中的像素坐标求均值法，分别设为NPIUPI，VPI，NQIUQI，VQII1，211。00316相同I下标的点NPIUP。
19、I，VPI、NQIUQI，VQI可确定直线LI，其方程形式设为AIUBIVI1，11。由相机成像模型可知，LII1，211的交点即为U0，V0。U0，V0的值可采用最小二乘法由下式算出。0032说明书CN101963500ACN101963501A4/5页7003312CCD相机其余内部参数的确定0034平移相机至合适位置，开启相机自动对焦功能，对含有三组相互正交平行线组的标定物进行拍照，在其照片上可以得到三组相互正交平行线方向上的灭点像，设为UVI，VVII1，2，3。0035由灭点与相机光心联线的性质，得方程组为00360037其中由上式解出T1、T2值后，即可解出相机内部参数AX，AY。。
20、至此，得到了相机的所有内部参数U0，V0，AX，AY。003813CCD相机外部参数R，T和导轨向量的确定00391CCD相机旋转矩阵R的确定0040利用定标标尺的两条直角边定义世界坐标系的XW，YW轴，并在XW轴上确定点P1，P2，PNN3，在YW轴上确定点Q1，Q2，QMM3，相机在适当位置处对这些点进行一次拍照。以PN点为例，其XW轴向坐标可表示为X1，X1D1X1DN1，其图像坐标为UI，VII1，2，N。由相机成像模型可得以下方程。0041其中0042利用最小二乘法可解出R11R21R31。同理，利用点Q1，Q2，QMM3及其图像坐标，可得R12R22R32的值。再根据旋转矩阵R的单。
21、位正交性，即R1RT，|R|1。可解得R13R23R33，完成旋转矩阵R的确定。00432CCD相机平移向量T的确定0044相机平移向量TTXTYTZ的确定方法为在世界坐标系下选定已知点P1，P2，PNN2。相机在适当位置处对这些点进行一次拍照，获得其图像坐标为UI，VII1，2，N。由成像模型可得以下方程为00450046采用最小二乘法即可解出TXTYTZ。00473直线光栅导轨单位方向向量的确定0048直线光栅导轨在世界坐标系中的单位方向向量设为EXEYEZ，其确定方法为相机在导轨上移动到一个新位置，利用上面介绍的R，T参数的求解过程，确定此处CCD相机的T参数。由于在相机移动过程中，保持。
22、焦距不变，仅做平移运动，因此理论上，仅参数T会说明书CN101963500ACN101963501A5/5页8发生变化。设在原、新位置处的T参数分别为T1，T2，平移距离为D。则EXEYEZ由下式确定。00490050至此，完成了全部相机定标操作。00512、图像视觉测距0052定标操作中已经确定了CCD相机的K，R，EXEYEZ参数。通过对相机成像模型中内部参数物理意义的分析可知，CCD相机焦距的变化不影响AY，AX参数的比，即C为一常数。相机内部参数矩阵可表示为其中AX为焦距变换后的参数。0053设两待测点在世界坐标系中的坐标为P1X1Y1Z1，P2X2Y2Z2，令相机在导轨2个位置处对P1、P2进行拍照，获得其在2张图片上的图像坐标为U1V1，U2V2和U1V1，U2V2；而直线光栅导轨输出相机2处拍照位置间的距离D。由相机成像模型可得以下方程00540055其中用最小二乘法可解出AXZC1ZC2。则两点间距离的平方值DIS2可由下式解出00560057进而可以得到待测两点间的距离DIS。说明书CN101963500ACN101963501A1/1页9图1说明书附图CN101963500A。