一种基于摄影测量的姿态定位方法与流程

本发明涉及摄影测量领域，尤其涉及一种基于摄影测量的姿态定位方法。

背景技术：

1、蓝光结构光测量设备由于测量范围小，在测量大型物体时，往往都需要通过多次拍摄并拼接三维点云的方式来获取整个物体的点云数据；并且需要测量过程中能做到自动化测量。传统的测量方法是通过在测量物体上贴大量的普通标志点，再通过摄影测量系统构建所有普通标志点的三维坐标关系，之后蓝光测量设备通过自主检测这些普通标志点来计算出当前运动的姿态，这种直接使用pnp优化算法计算出来的姿态矩阵，在多次拍摄后会逐渐积累计算误差，导致测量精度不高且重复测量精度也不高。而且在测量物体上贴普通标志点在自动化测量领域也是不可行的。也有直接通过机器臂的重复精度来定位当前姿态的方法，不过现阶段机械臂很难做到很高的定位精度。

2、中国专利cn105469418a《基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法》公开了一种摄影测量的大视场双目视觉标定方法，通过编解码和坐标系旋转变化进行视觉标定。然而该方法仅采用两个相机坐标系，而没考虑多维度的三维坐标系和像素坐标系之间的转换，精度较低，且需要重复拍摄。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于摄影测量的姿态定位方法，通过提前构建高精度三维坐标系及约束高精度比例尺缩放尺度，全局优化拍摄姿态已定位高精度的测量姿态，提高摄影测量设备的姿态矩阵的准确性和精度，解决了因为多次拍摄累积的计算误差带来的干扰较大的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于摄影测量的姿态定位方法，包括以下步骤：

3、s1，根据测量物体的测量点位设计测量工装，在测量工装上固定多个一字比例尺，所述测量工装上设置多个标志点；

4、s2，设置蓝光测量设备的位置，根据测量工装上一字比例尺的位置在蓝光测量设备上搭载摄影测量设备，得到摄影测量系统，根据摄影测量系统对测量工装进行标志点三维重建，得到三维坐标系；

5、s3，根据多个标志点计算拍摄姿态，通过三维重建对多个标志点的三维坐标和拍摄姿态的外参进行全局优化，得到摄影测量设备的姿态矩阵；

6、s4，通过高精度标定板标定得到蓝光测量设备和摄影测量设备的相对姿态关系，根据相对姿态关系对摄影测量设备的姿态矩阵进行矩阵变换，得到蓝光测量设备的高精度姿态矩阵。

7、优选的，步骤s1包括：

8、所述多个一字比例尺包括两个1米的一字比例尺和多个半米的一字比例尺；

9、所述一字比例尺的两端分别设置两个编码标志点，并测试两个编码标志点的圆点中心间距，所述编码标志点编号唯一。

10、优选的，步骤s2包括：

11、s21，通过摄影测量系统从多个角度拍摄测量工装，得到n张图片{a1，a2，...，an}；

12、s22，从每张图片上检测多个编码标志点以及普通标志点的二维坐标；

13、s23，以第一张图片作为初始姿态，计算与所述第一张图片有至少五个相同编码标志点的其他图片ai的相对姿态；

14、s24，通过三角测量法重建ai与第一张图片共同包括的编码标志点和普通标志点的三维坐标。

15、优选的，步骤s21包括：

16、所述n张图片之间相互衔接且每张图片包括5个编码标志点；

17、所述n张图片中至少有3张图片包括两个1米的一字比例尺上的两个编码标志点；

18、所述n张图片中至少有3张图片包括所有的编码标志点和普通标志点。

19、优选的，步骤s22包括：

20、所述多个编码标志点以及普通标志点的二维坐标为：

21、a1＝{p1，...，pm1}，p1＝(x1，y1)；

22、an＝{p1n，...，pmn}，p1n＝(x1n，y1n)；

23、其中，a1为第一张图片，p1为第一张图片上的第一个标志点，pm1为第一张图片上的第m个标志点，an为第n张图片，p1n为第n张图片上的第一个标志点，pmn为第n张图片上的第m个标志点，x1和y1分别为p1的横坐标和纵坐标，x1n和y1n分别为p1n的横坐标和纵坐标。

24、优选的，步骤s23包括：

25、计算图片c相对于图片b的相对姿态，根据图片两两配对，计算出所有图片之间的相对姿态，根据所有图片之间的相对姿态，计算出所有图片相对于第一张图片的相对姿态，所述图片c与图片b有至少五个相同编码标志点。

26、优选的，步骤s24包括：

27、根据第一张图片和其他图片ai的内参、外参、相同的编码标志点以及相同的普通标志点的二维坐标，通过最小二乘法迭代计算出编码标志点以及普通标志点的三维坐标，所述第一张图片和其他图片ai的内参通过高精度标定板对摄影测量设备的内参计算得到。

28、优选的，根据第一张图片和其他图片ai的内参、外参、相同的编码标志点以及相同的普通标志点的二维坐标，通过最小二乘法迭代计算出编码标志点以及普通标志点的三维坐标的计算过程为：

29、根据1米的一字比例尺的2个编码标志点w1(x3，y3，z3)和w2(x4，y4，z4)计算编码标志点之间的距离值l1：

30、l1＝(x3-x4)2+(y3-y4)2+(z3-z4)2；

31、通过姿态矩阵(r，t)将编码标志点w1和w2转换到相机坐标系：

32、r*wi+t＝xx，i＝1，2；

33、其中，r为3*3的旋转矩阵，t为(tx，ty，tz)的平移矩阵，xx(xxi，xyi，xzi)为编码标志点w1和w2在相机坐标系下的三维坐标；

34、通过摄影测量设备的内参(fx，fy，cx，cy)计算得到编码标志点在像素坐标系下的坐标

35、对像素坐标系下的坐标xu添加相机畸变系数(k1，k2，p1，p2，k3)，得到投影到相机图片上的二维坐标pi(pxi，pyi)。

36、优选的，步骤s3包括：

37、通过pnp算法计算出当前的拍摄姿态，添加新的比例尺约束编码标志点之间的距离，构建二维坐标pi点对应的三维点的三维重建方程，重新对整个摄影测量坐标系的标志点的三维坐标及拍摄姿态的外参进行全局优化，定位出摄影测量设备的姿态矩阵。

38、优选的，步骤s4包括：

39、通过高精度标定板标定得到蓝光测量设备和摄影测量设备的相对姿态关系，根据相对姿态关系对摄影测量设备的姿态矩阵进行矩阵变换，得到蓝光测量设备的高精度姿态矩阵。

40、本发明的一种基于摄影测量的姿态定位方法相对于现有技术具有以下有益效果：

41、(1)通过多个标志点的三维重建和姿态计算，提高测量结果的准确性和可靠性，结合两种测量设备的优势，提高姿态定位的精度和可靠性，引入高精度标定板进行相对姿态关系标定，提高蓝光测量设备的姿态矩阵的准确性和精度；

42、(2)通过摄影测量系统从不同角度拍摄测量工装并进行测量，获取多张图片和标志点的数据，然后通过计算和三角测量方法，重建出在所有图片共同包含的编码标志点和普通标志点的三维坐标，构建高精度的坐标系，为测量工装提供准确的坐标定位。