專利名稱：一種基于光束平差的三維重建方法
技術領域：
本發明涉及大尺寸攝影測量技術領域，特別涉及一種基于光束平差的三維重建方法。
背景技術：
隨著我國國民經濟的快速發展，在航空、航天、電子、汽車、武器裝備等領域中的生產和加工中都對大尺寸測量精度提出了明確的期望和要求。如飛船推進艙測量(3m)、大型水輪機座環測量(12m)、大型雷達天線測量(10m)、大飛機機翼測量等，在這些大型工件裝配生產過程中，都要精確定位工件的位置。隨著數字化、自動化技術在大型工件裝配過程中的廣泛應用，大型工件的定位技·術已經由傳統的手工定位向數字化、自動化和柔性化定位方向發展。大型工件的裝配生產是一個復雜的系統工程，一個完整的裝配體系應該是，在規定的時間內，按照統一的標準進行裝配和調整，以裝配出合格的產品。大型工業產品的在線生產過程包括裝配，調整和檢測。裝配是其中的一個環節，在裝配過程中，要通過一些測量手段獲取到大型工件的定位位置。因此，對定位位置的測量精度和工件姿態的測量精度高低，直接影響到工件裝配的質量效果。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于光束平差的三維重建方法，提高對空間測量點的三維測量精度。本發明實施例提供一種基于光束平差的三維重建方法，包括在控制場，通過第一迭代過程標定數字相機的內方位參數；在測量場，將所述內方位參數作為已知值，通過具有第二迭代過程的空間后方交會方法標定所述數字相機的外方位參數；將所述內方位參數和所述外方位參數作為初始值，將所述測量場中的多個控制點和所述測量場的多個測量點的像點坐標作為觀測值，通過基于共線條件方程式的光束平差法獲取所述多個測量點的三維空間坐標值。本發明提供的基于光束平差的三維重建方法，通過第一迭代過程和第二迭代過程分別得到數字相機的內方位參數和外方位參數，并將通過第一迭代過程得到的內方位參數作為初始值參數到標定外方位參數的第二迭代過程，實現了對數字相機的內方位參數與外方位參數的分步標定，提高了數字相機的標定精度；將內方位參數和外方位參數作為初始值，通過基于共線條件方程式的光束平差方法獲取空間測量點的三維空間坐標值，從而進一步提高了空間測量點在三維重建過程中的定位精度。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明基于光束平差的三維重建方法一個實施例的流程示意圖；圖2為本發明基于光束平差的三維重建方法又一個實施例的流程示意圖；圖3為本發明實施例中對空間測量點的三維重建示意圖；圖4為本發明實施例的重建結果與標準儀器的重建結果相比較的示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明實施例中所述的光束平差(bundle adjustment)法,指的是把控制點的像點坐標、待定點(也可以為空間測量點)的像點坐標以及其他測量數據的一部分或全部均視為觀測值，以整體地同時地求解它們的或是值(也即最終結果)和待定點空間坐標的解算方法。本發明實施例中通過光束平差法優化的參數包括數字相機的內方位參數(xo，10，f, kA，k3，P1, p2)、相機的外方位外參(Xs，Ys, Zs, Az, El, Roll)、空間測量點對應的物方空間坐標(X，Y, Z);其中，在內方位參數中，x0> y0表示主點坐標，f表示主距(包括第一坐標軸的軸向主距fx和第二坐標軸的軸向主距&)，匕、1^、1^、？1、？2表示數字相機的鏡頭的畸變系數，在外方位參數中，Xs、Ys、Zs表示數字相機的三個直線元素，Az、El、RolI表示數字相機的三個方位角元素。此外，本領域技術人員可以理解的是，本發明實施例中的控制場是用于為了標定攝像機的內方位參數而設置的，控制場中設置了多個編碼標志點，多個編碼標志點具體為具有高反射性能的人工標志點；本發明實施例中的測量場是為了測量被測目標所形成的測量場所，測量場中設置有需要進行三維重建的被測對象(被測對象例如可以為面型天線)，被測對象上設置有多個測量點。圖I為本發明基于光束平差的三維重建方法一個實施例的流程示意圖；如圖I所示，本發明實施例具體包括如下步驟步驟101、在控制場，通過第一迭代過程標定得到數字相機的內方位參數；步驟102、在測量場，將內方位參數作為已知值，通過具有第二迭代過程的空間后方交會方法標定數字相機的外方位參數；步驟103、將內方位參數和外方位參數作為初始值，將測量場中的多個控制點和測量場中的多個測量點的像點坐標作為觀測值，通過基于共線條件方程式的光束平差方法獲取該多個測量點的三維空間坐標值。本發明實施例提供的基于光束平差的三維重建方法，通過第一迭代過程和第二迭代過程分別得到數字相機的內方位參數和外方位參數，并將通過第一迭代過程得到的內方位參數作為初始值參與到第二迭代過程標定數字相機的外方位參數，實現了對數字相機的內方位參數與外方位參數進行分步標定，提高了數字相機的標定精度；再進一步將內方位參數和外方位參數作為初始值，通過基于共線條件方程式的光束平差方法獲取空間測量點的三維空間坐標值，進一步提高了空間測量點在三維重建過程中的定位精度。圖2為本發明基于光束平差的三維重建方法又一個實施例的流程示意圖，本發明實施例以約束條件具體包括正交性制約條件和比例尺一致條件為例進行示例性說明；如圖2所示，本發明實施例具體可以包括如下步驟步驟201、在控制場，將數字相機的圖像坐標系的第一坐標軸和第二坐標軸設置為垂直關系，使得相機模型符合正交性制約條件；步驟202、將數字相機的第一坐標軸的軸向和第二坐標軸的軸向之間的像素間距設置為一致以及將第一坐標軸和第二坐標軸的比例尺度相同，使得相機模型符合比例尺一致條件；步驟203、對位于控制場中的多個編碼標志點和該多個編碼標志點相應的空間坐標通過直接線性變換方法標定該相機模型的內方位參數初值； 步驟204、將內方位參數初值和相機模型作為直接線性變換方法的已知量，通過第一迭代過程標定數字相機的內方位參數；步驟205、在測量場，通過數字相機獲取設定數量不同方位的測量場中的多幅圖像，該多幅圖像上均包括多個控制點的像點和多個測量點的像點；步驟206、根據該多個控制點的三維空間坐標和多幅圖像上相應的多個控制點的多個像點坐標通過第二迭代過程獲取相應的共線條件方程的像點誤差方程；步驟207、通過像點誤差方程獲取相機模型的外方位參數；步驟208、將步驟204得到的內方位參數作為內參初值，將步驟207得到的外方位參數作為外參初值，通過多片空間前方交會方法計算多個測量點的初始三維空間坐標；步驟209、根據像點誤差方程式獲取光束平差的第二誤差方程矩陣；步驟210、通過內參初值、外參初值和多個測量點的初始三維空間坐標對第二誤差方程矩陣進行平差處理，根據觀測值確定是否停止該平差運算，并得到該多個測量點的三維空間坐標值。本領域普通技術人員可以理解的是，在直接線性變換(Direct LinearTransformation,簡稱DLT)方法中，由共線方程可以得出像點的圖像坐標(x, y)和相應測量點的物方空間坐標(X，Y，Z)之間直接的線性關系式，該線性關系式可以通過11個λ系
廠 / I I 11
1I*3 4
數的矩陣L確定，其中矩陣i= /5 I6 I1 Z8，其中，(Hl3)和(15，16，17)無量綱，(14，
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I8)是長度單位，(19，I10,111)的單位是長度的倒數；本領域技術人員可以理解的是，11個λ系數對應11個獨立參數(Xs，Ys，Zs，(φ，ω，K)，X(l，yQ，f，ds，c^ )，其中，ds為比例尺不一致系數，(1β為不正交性角。在上述步驟201和步驟202中，將數字攝影測量系統中的數字相機的圖像坐標系的第一坐標軸(具體可以為X軸)和第二坐標軸(具體可以為y軸)設置為垂直關系，從而使得相機模型符合正交性制約條件，即di3 =0 ;將數字相機的第一坐標軸的軸向和第二坐標軸的軸向之間的像素間距設置為一致，以及將第一坐標軸和第二坐標軸的比例尺度相同，從而使得相機模型符合比例尺一致條件，即ds=0。
在上述步驟203中，由測量場的控制點的像點坐標(X、y)和相應的物方空間坐標
(X，Y，Z)，通過DLT方法得出矩陣
權利要求
1.一種基于光束平差的三維重建方法，其特征在于，所述方法包括 在控制場，通過第一迭代過程標定數字相機的內方位參數； 在測量場，將所述內方位參數作為已知值，通過具有第二迭代過程的空間后方交會方法標定所述數字相機的外方位參數； 將所述內方位參數和所述外方位參數作為初始值，將所述測量場中的多個控制點和所述測量場的多個測量點的像點坐標作為觀測值，通過基于共線條件方程式的光束平差法獲取所述多個測量點的三維空間坐標值。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述通過第一迭代過程標定數字相機的內方位參數的步驟之前還包括 將數字相機的圖像坐標系的第一坐標軸和第二坐標軸設置為垂直關系，使得相機模型符合正交性制約條件； 將所述數字相機的所述第一坐標軸的軸向和所述第二坐標軸的軸向之間的像素間距設置為一致，以及將所述第一坐標軸和所述第二坐標軸的比例尺度相同，使得所述相機模型符合所述比例尺一致條件。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述通過第一迭代過程標定數字攝影測量系統中的數字相機的內方位參數的步驟包括 對位于所述控制場中的多個編碼標志點和所述編碼標志點相應的空間坐標通過直接線性變換方法標定所述相機模型的內方位參數初值； 將所述內方位參數初值和所述相機模型作為直接線性變換方法的已知量，通過第一迭代過程標定所述數字相機的內方位參數。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一迭代過程的步驟包括 對所述相機模型進行線性化平差運算，得到所述相機模型對應的第一誤差方程矩陣； 通過所述第一誤差方程矩陣中的迭代判據確定是否停止所述平差運算。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述利用空間后方交會方法通過第二迭代過程標定所述數字相機的外方位參數的步驟包括 通過所述數字相機獲取設定數量不同方位的所述測量場中的多幅圖像，所述多幅圖像上均包括多個控制點的像點和多個測量點的像點； 根據所述多個控制點的三維空間坐標和所述多幅圖像上相應的多個控制點的多個像點坐標通過第二迭代過程獲取相應的共線條件方程的像點誤差方程； 通過所述像點誤差方程獲取所述相機模型的外方位參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二迭代過程的步驟包括 將所述數字相機的外方位參數初值代入所述像點誤差方程的像點法方程中，計算得到多個控制點的像點坐標； 將所述多個控制點的像點坐標作為再次迭代的初值代入所述像點法方程中進行迭代，直到所述像點誤差方程符合收斂判據，所述收斂判據為所述像點坐標的偏差的均方根誤差小于第二預設閾值。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述通過基于共線條件方程式的光束平差方法獲取所述空間測量點的三維空間坐標值的步驟包括 將所述內方位參數作為內參初值，所述外方位參數作為外參初值，通過多片空間前方交會方法計算所述多個測量點的初始三維空間坐標； 根據像點誤差方程式獲取光束平差的第二誤差方程矩陣； 通過所述初始值和所述多個測量點的初始三維空間坐標對所述第二誤差方程矩陣進行平差處理，根據所述觀測值確定是否停止所述平差運算，并得到所述多個測量點的三維空間坐標值。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述在得到所述多個測量點的三維空間坐標值之后還包括 將所述多個測量點的三維空間坐標值作為觀測值，通過所述平差運算對所述內方位參數和所述外方位參數進行優化。
9.根據權利要求I 8任一所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過所述數字攝影測量系統的測量誤差、標準儀器的測量誤差、所述測量場的最大長度獲取測量精度值。
全文摘要
本發明涉及一種基于光束平差的三維重建方法，該方法包括在控制場，通過第一迭代過程標定數字相機的內方位參數；在測量場，將所述內方位參數作為已知值，通過具有第二迭代過程的空間后方交會方法標定所述數字相機的外方位參數；將所述內方位參數和所述外方位參數作為初始值，將所述測量場中的多個控制點和所述測量場的多個測量點的像點坐標作為觀測值，通過基于共線條件方程式的光束平差法獲取所述多個測量點的三維空間坐標值。本發明實施例提供的基于光束平差的三維重建方法可以提高空間測量點在三維重建過程中的定位精度。
文檔編號G01C11/00GK102889882SQ20121032265
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者董明利, 王君, 孫鵬, 祝連慶, 婁小平, 杜葉飛 申請人:北京信息科技大學