可量测立体全景获取系统及量测方法
【专利摘要】本发明公开了一种可量测立体全景获取系统及量测方法，该可量测立体全景获取系统包括影像获取装置、位置姿态测量装置、控制与数据处理装置、以及组合装置；所述组合装置包括支架、带刻度基线板和带刻度驱动部；该获取系统及量测方法集成了影像获取装置、位置姿态测量装置、以及控制与数据处理装置，并通过适当的组合装置，使得立体全景获取过程简便快捷，能高效地获取可满足量测需求的立体全景。
【专利说明】可量测立体全景获取系统及量测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及立体全景影像处理与应用及其地面摄影测量，特别涉及一种可量测立体全景获取系统及量测方法。
【背景技术】
[0002]全景可以提供某个兴趣点周围360度方位的真实影像，用户可以方便地进行浏览，了解兴趣点环境周围的真实状况，其在旅游、公共安全、地图浏览等等方面具有很广泛的应用前景。
[0003]目前全景主要是单幅影像构成，也有使用两幅全景构建的立体全景，但其获取装置价格昂贵，分辨率不高，同时也不能满足较高精度量测的需求。现有的某些技术虽然可以提供量测功能，但其获取全景过程复杂，效率较低，不能满足立体观察需求，且量测精度适用范围小，不能满足较大范围目标量测。
[0004]因此需要一种立体全景获取过程简便快捷，能高效地获取可满足量测需求的立体全景的可量测立体全景获取系统及相应的量测方法。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的是提供一种立体全景获取过程简便快捷，能高效地获取可满足量测需求的立体全景的可量测立体全景获取系统。
[0006]本发明的另一目的是提供一种立体全景获取过程简便快捷，能高效地获取可满足量测需求的立体全景的可量测立体全景获取系统相应的量测方法。
[0007]为了达到上述目的，本发明提出了一种可量测立体全景获取系统，其特征在于，包括:影像获取装置、位置姿态测量装置、控制与数据处理装置、以及组合装置；
[0008]所述影像获取装置用于每隔一定的曝光间隔获取影像数据；
[0009]所述位置姿态测量装置用于获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据；
[0010]所述组合装置包括支架、带刻度基线板和带刻度驱动部，所述支架用于将所述影像获取装置和所述位置姿态测量装置支撑在所述带刻度基线板上，所述带刻度驱动部用于驱动所述带刻度基线板每隔一定的旋转间隔进行旋转，所述旋转间隔与所述曝光间隔同
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[0011]所述控制与数据处理装置用于接收所述影像数据、以及所述姿态与位置数据，并结合记录到的所述带刻度基线板的基线数据，处理后获取所述可量测立体全景。
[0012]进一步地，所述带刻度基线板包括滑轨，安装在所述滑轨上的所述影像获取装置能够进行位置调整并读取所述基线数据中的基线长度。
[0013]进一步地，所述带刻度基线板为伸缩式基线板，通过拉长或缩短所述带刻度基线板能够得到更长或更短的成像基线。
[0014]进一步地，所述带刻度驱动部包括带刻度旋转马达和/或带刻度旋转手柄；所述支架包括三脚架，所述基线数据包括基线长度与基线板高度。
[0015]进一步地，所述控制与数据处理装置通过有线或无线方式每隔一定的曝光间隔向所述影像获取装置发送第一控制信号，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据。
[0016]进一步地，所述影像获取装置为序列影像获取装置(而且其还可配置广角镜头以获取更大视野范围的影像)，所述影像数据存储在所述序列影像获取装置上或实时传送给所述控制与数据处理装置；所述控制与数据处理装置的所述处理包括全景影像自动拼接与立体全景自动合成处理、立体量测结果的自动计算与全景的显示、以及量测过程的可视化。
[0017]进一步地，所述控制与数据处理装置包括控制模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括固定或移动计算设备，所述控制模块包括无线发射和接收模块。
[0018]进一步地，所述位置姿态测量装置包括惯性测量单元与卫星导航定位模块。
[0019]进一步地，所述可量测立体全景获取系统还包括电源模块，所述电源模块用于为所述带刻度驱动部和所述控制与数据处理装置供电。
[0020]本发明还提供了一种可量测立体全景获取系统的量测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0021]步骤I)检校影像获取装置和位置姿态测量装置；
[0022]步骤2)将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过组合装置中的支架支撑在组合装置中的带刻度基线板上，并将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过有线或无线方式连接到控制与数据处理装置；
[0023]步骤3)记录所述带刻度基线板的基线数据，并通过所述控制与数据处理装置发送第一控制信号和第二控制信号；其中，所述基线数据包括基线长度与基线板高度；
[0024]步骤4)所述带刻度基线板在所述第二控制信号的控制下每隔一定的旋转间隔在组合装置中的带刻度驱动部的驱动下进行旋转，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下每隔一定的曝光间隔进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据；其中，所述旋转间隔与所述曝光间隔同步；
[0025]步骤5)所述控制与数据处理装置接收所述带刻度基线板旋转360度过程中所述影像获取装置获取的影像数据、以及所述位置姿态测量装置获取的姿态与位置数据，并结合记录到的所述带刻度基线板的基线数据，处理后获取所述可量测立体全景。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下优点:本发明研发的可量测立体全景获取系统，集成了影像获取装置、位置姿态测量装置、以及控制与数据处理装置，并通过适当的组合装置，使得立体全景获取过程简便快捷，能高效地获取可满足量测需求的立体全景；该可量测立体全景获取系统一方面能够经济方便地获取可量测立体全景，提供很好的立体观察效果，另一方面可以提供一定的空间量测分析功能，其数据处理自动化程度高，在测绘相关的领域有着非常重要的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本发明专利提供的包括带刻度旋转马达的可量测立体全景获取系统构成图。
[0029]图2为本发明专利提供的包括带刻度旋转手柄的可量测立体全景获取系统构成图。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]实施例1
[0032]如图1所示，本发明实施例提供了一种可量测立体全景获取系统，包括:影像获取装置I (例如序列影像获取装置，如数码相机、摄像机、摄像头等影像获取装置或传感器)、位置姿态测量装置2、控制与数据处理装置3、以及组合装置4 (这里组合装置的功用是将以上这些装置有机的组装在一起，构成一个可良好工作的完整系统)；
[0033]所述影像获取装置I用于每隔一定的曝光间隔获取影像数据；
[0034]所述位置姿态测量装置2用于获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据(这里位置姿态测量装置2获取姿态与位置数据的具体技术，可采用位置传感器获取组合装置4中带刻度基线板6中央的三维位置数据，由于影像获取装置I曝光过程中，带刻度基线板6的中央位置处于固定位置，因此带刻度基线板6中央的三维位置数据可取多次测量的平均值；同时可以利用姿态测量装置获取每次曝光时的带刻度基线板6的三轴姿态数据，用于全景影像的自动拼接，由于影像获取装置固定在带刻度基线板6上，因此可以通过带刻度基线板6的三维位置数据和三轴姿态数据推算出每次曝光时的影像获取装置的姿态与位置数据；这里并不限定位置姿态测量装置2获取姿态与位置数据的具体技术)；
[0035]所述组合装置4包括支架5 (例如三脚架)、带刻度基线板6 (其上可包括滑轨，用于调整其上设备的位置，并读取基线长度，便于量测计算)和带刻度驱动部7 (例如旋转马达，其可以通过自动控制带动基线板及其上设备旋转一定的角度)，所述支架5用于将所述影像获取装置I和所述位置姿态测量装置2支撑在所述带刻度基线板6上(例如采用两个序列影像获取装置分别安装在基线板的两端，位置姿态测量装置位于两个序列影像获取装置的中间位置)，所述带刻度驱动部7用于驱动所述带刻度基线板每隔一定的旋转间隔进行旋转，所述旋转间隔与所述曝光间隔同步(例如采用两个序列影像获取装置，其曝光间隔与基线板的旋转间隔是同步的，且置于基线板两侧的序列影像获取装置应具有基本相同的成像特性，成像时保持同步曝光)；这里“同步”例如可以是带刻度基线板6每旋转一次(每次旋转角度大小，由使用者确定)，影像获取装置I曝光一次(曝光时间与影像质量密切相关，由使用者设置其长短)。由于本发明要获取的可量测立体全景是由影像获取装置I (例如相机)在360全角度旋转过程中等间隔拍摄到的一系列影像拼接而成的，因此固定的旋转间隔对合成高质量的全景至关重要，影像的拍摄是在相邻两次旋转间隔期间进行的。
[0036]所述控制与数据处理装置3用于接收所述影像数据、以及所述姿态与位置数据(这里基线板每隔一定的旋转间隔旋转一次，每次旋转到一定角度，总计需要至少旋转360度，每次旋转到一定角度时，影像获取装置启动并在曝光时间内获取相应的影像数据，例如拍摄一张图片，两次曝光时间之间的间隔需要与基线板的旋转间隔同步)，并结合记录到的所述带刻度线板的基线数据，处理后获取所述可量测立体全景(这里的处理过程可以实时的完成，也可以采用数据获取后的离线方式来实现；此外，这里的“可量测立体全景”也满足摄影测量领域的立体成像要求，通过控制与数据处理装置3并基于摄影测量原理，可以通过人工交互，即可自动求算出某待量测目标的目标位置与尺寸数据，实现量测功能)。
[0037]通过这种方式，可以通过影像获取装置获取影像数据，通过位置姿态测量装置获取姿态与位置数据，通过带刻度基线板获取基线数据，并最终通过控制与数据处理装置将360度旋转角度内的所述影像数据、所述姿态与位置数据、以及基线数据综合起来进行处理，获得最终的可量测立体全景。采用本发明的可量测立体全景获取系统，可以构建立体全景影像(也即可量测立体全景)，通过简单的人工量测交互(可以结合立体量测算法)即可得到影像上目标的几何尺寸。
[0038]所述带刻度基线板6包括滑轨，安装在所述滑轨上的所述影像获取装置能够进行位置调整并读取所述基线数据中的基线长度。这里带刻度基线板6上具有刻度，称为“基线”，“基线长度”是指两影像获取装置各自中心之间的距离，可以在带刻度基线板6上直接读取。
[0039]通过这种方式，可以通过基线板上的滑轨调整影像获取装置的位置，并读取基线长度，为后续获得可量测立体全景提供数据支持。
[0040]所述带刻度基线板6为伸缩式基线板，通过拉长或缩短所述带刻度基线板能够得到更长或更短的成像基线。
[0041]通过这种方式，可以通过伸缩式基线板，扩展带刻度基线板的成像基线，提高测量精度。
[0042]所述带刻度驱动部7包括带刻度旋转马达71 (如图1所示，此时带刻度旋转马达可以通过控制与数据处理装置的第二控制信号来控制)和/或带刻度旋转手柄72(如图2所示，此外两者可同时使用，也即当供电不足时，可通过带刻度旋转手柄进行手动旋转)；所述支架5包括三脚架，所述基线数据包括基线长度与基线板高度。
[0043]通过这种方式，可以通过带刻度旋转马达驱动带刻度基线板按照一定的旋转间隔进行旋转，从而获取360度范围内的各种数据；为了方便户外测量和使用，也可以采用带刻度旋转手柄在人工操作下使带刻度基线板按照一定的旋转间隔进行旋转，从而满足测量的需求。
[0044]所述控制与数据处理装置3通过有线或无线方式每隔一定的曝光间隔向所述影像获取装置发送第一控制信号(例如无线或有线发送指令)，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据。
[0045]通过这种方式，可以通过控制与数据处理装置发送第一控制信号，使其控制影像获取装置和位置姿态测量装置两者能够分别获取影像数据和同步曝光时的姿态与位置数据，为后续获得可量测立体全景提供数据支持。
[0046]所述影像获取装置I为序列影像获取装置(具体可使用数码相机、摄像机、摄像头等影像获取设备或传感器)，所述影像数据存储在所述序列影像获取装置上或实时传送给所述控制与数据处理装置；所述控制与数据处理装置的所述处理包括影像处理、计算与可视化(具体例如包括全景影像自动拼接与立体全景自动合成处理、立体量测结果的自动计算与全景的显示以及量测过程的可视化等等)。
[0047]所述控制与数据处理装置3包括控制模块31和数据处理模块32 (该模块可以是任何移动计算单元，如笔记本电脑或智能手机等)，所述数据处理模块包括固定或移动计算设备(例如台式机，或者笔记本电脑)，所述控制模块包括无线发射和接收模块(例如，发送第一控制信号，也可以发送控制带刻度旋转马达进行旋转的第二控制信号，同时接收影像获取装置和位置姿态测量装置采集的数据)。
[0048]通过这种方式，可以通过控制与数据处理装置中的控制模块和数据处理模块分别实现控制功能和数据处理功能，从而获取可量测立体全景。
[0049]所述位置姿态测量装置2包括惯性测量单元与卫星导航定位模块(这里的惯性测量单元主要实时测定三轴姿态信息，卫星导航定位模块主要测定实时三维位置信息)。
[0050]所述可量测立体全景获取系统还包括电源模块8，所述电源模块用于为所述带刻度驱动部和所述控制与数据处理装置供电(也即，电源模块主要为带刻度驱动部提供电力，也可以同时为其它需要供电的装置提供电力)。
[0051]实施例2
[0052]本发明还提供了一种可量测立体全景获取系统的量测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0053]步骤I)检校影像获取装置和位置姿态测量装置(也即获取所需数据前，需要检校影像获取装置和位置姿态测量装置)；
[0054]步骤2)将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过组合装置中的支架支撑在组合装置中的带刻度基线板上，并将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过有线或无线方式连接到控制与数据处理装置(也即组织好整个系统，调整好各自的位置，并使之处于工作良好状态)；
[0055]步骤3)记录所述带刻度基线板的基线数据，并通过所述控制与数据处理装置发送第一控制信号和第二控制信号；其中，所述基线数据包括基线长度与基线板高度；这里带刻度基线板6上具有刻度，称为“基线”，而“基线长度”是指两影像获取装置各自中心之间的距离，可以在带刻度基线板6上直接读取，而“基线板高度”是指自基线的中心点垂直向下到地面的距离，“基线长度”和“基线板高度”主要用于立体量测过程中三维目标点位置的计算。
[0056]步骤4)所述带刻度基线板在所述第二控制信号的控制下每隔一定的旋转间隔在组合装置中的带刻度驱动部的驱动下进行旋转，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下每隔一定的曝光间隔进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据；其中，所述旋转间隔与所述曝光间隔同步；
[0057]步骤5)所述控制与数据处理装置接收所述带刻度基线板旋转360度过程中所述影像获取装置获取的影像数据、以及所述位置姿态测量装置获取的姿态与位置数据，并结合记录到的所述带刻度基线板的基线数据，处理后获取所述可量测立体全景(例如通过相应的软件合成立体全景，并提供用户进行浏览量测，这里的控制与数据处理装置能够配合相关软件，既可以实时处理所拍摄的序列影像，也可以离线处理拍摄的序列影像，以得到立体全景，并提供对感兴趣的目标进行量测的功能；此外，旋转360度的过程中，可量测立体全景获取系统原则上获取了两套独立的全景数据，此时可合成两个具有不同观察点的全景，从而构建出人眼视觉可以查看的立体全景，若再结合摄影测量计算方法，则可量测出全景影像上待量测目标的目标点位置与尺寸数据，实现量测功能)。
[0058]其中，在考虑到户外携带方便的情况下，带刻度驱动部可无需供电，通过人工旋转操作；考虑到测量精度的需求，基线板可使用伸缩板替代，通过拉长基线板得到更长的基线长度(即前面所指“基线长度”，根据摄影测量原理，一般基线长度越长，待测目标点位置的测量精度越高)；
[0059]通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例，本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明专利的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明专利的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。任何熟悉该项技术的人员在本发明的【技术领域】内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种可量测立体全景获取系统，其特征在于，包括:影像获取装置、位置姿态测量装置、控制与数据处理装置、以及组合装置； 所述影像获取装置用于每隔一定的曝光间隔获取影像数据； 所述位置姿态测量装置用于获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据； 所述组合装置包括支架、带刻度基线板和带刻度驱动部，所述支架用于将所述影像获取装置和所述位置姿态测量装置支撑在所述带刻度基线板上，所述带刻度驱动部用于驱动所述带刻度基线板每隔一定的旋转间隔进行旋转，所述旋转间隔与所述曝光间隔同步； 所述控制与数据处理装置用于接收所述影像数据、以及所述姿态与位置数据，并结合记录到的所述带刻度基线板的基线数据，经处理后得到所述可量测立体全景。
2.如权利要求1所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述带刻度基线板包括滑轨，安装在所述滑轨上的所述影像获取装置能够进行位置调整并读取所述基线数据中的基线长度。
3.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述带刻度基线板为伸缩式基线板，通过拉长或缩短所述带刻度基线板能够得到更长或更短的成像基线。
4.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述带刻度驱动部包括带刻度旋转马达和/或带刻度旋转手柄；所述支架包括三脚架，所述基线数据包括基线长度与基线板高度。
5.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述控制与数据处理装置通过有线或无线方式每隔一定的曝光间隔向所述影像获取装置发送第一控制信号，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据。
6.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述影像获取装置为序列影像获取装置，所述影像数据存储在所述序列影像获取装置上或实时传送给所述控制与数据处理装置；所述控制与数据处理装置的处理功能包括全景影像自动拼接与立体全景自动合成处理、立体量测结果的自动计算与全景的显示、以及量测过程的可视化。
7.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述控制与数据处理装置包括控制模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括固定或移动计算设备，所述控制模块包括无线发射和接收模块。
8.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述位置姿态测量装置包括惯性测量单元与卫星导航定位模块。
9.如权利要求1或2所述的可量测立体全景获取系统，其特征在于，所述可量测立体全景获取系统还包括电源模块，所述电源模块用于为所述带刻度驱动部和所述控制与数据处理装置供电。
10.一种可量测立体全景获取系统的量测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I)检校影像获取装置和位置姿态测量装置； 步骤2)将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过组合装置中的支架支撑在组合装置中的带刻度基线板上，并将所述影像获取装置和位置姿态测量装置通过有线或无线方式连接到控制与数据处理装置；步骤3)记录所述带刻度基线板的基线数据，并通过所述控制与数据处理装置发送第一控制信号和第二控制信号；其中，所述基线数据包括基线长度与基线板高度； 步骤4)所述带刻度基线板在所述第二控制信号的控制下每隔一定的旋转间隔在组合装置中的带刻度驱动部的驱动下进行旋转，所述影像获取装置在所述第一控制信号的控制下每隔一定的曝光间隔进行曝光并获取所述影像数据；所述位置姿态测量装置在所述第一控制信号的控制下获取所述影像获取装置同步曝光时的姿态与位置数据；其中，所述旋转间隔与所述曝光间隔同步； 步骤5)所述控制与数据处理装置接收所述带刻度基线板旋转360度过程中影像获取装置所获取的影像数据、以及所述位置姿态测量装置获取的姿态与位置数据，并结合记录到的所述带刻度基线板的基线数据，处理后获取所述可量测立体全景。
【文档编号】G01C11/00GK103727925SQ201310110157
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】孙敏, 董娜, 任翔, 刘磊, 郑晖 申请人:孙敏