一种视觉测量仪以及一种视觉测量方法技术

本申请公开了一种视觉测量仪及一种视觉测量方法,其中视觉测量仪包括：机身，水平度盘，垂直度盘，镜头，图像传感器以及水平传感器，距离传感器，水平方向调节旋钮，垂直方向调节旋钮；水平度盘的中心轴和镜头的主光轴均分别垂直于垂直度盘的中心轴，并且水平度盘的中心轴、镜头的主光轴和垂直度盘的中心轴相交于一点，镜头的主光轴与图像传感器的像平面垂直相交，距离传感器的测距光轴与镜头的主光轴平行或重合、并与水平度盘的中心轴相交布置，图像传感器的感光单元阵列的行阵与垂直度盘的中心轴平行，图像传感器的感光单元阵列的列阵与垂直度盘的中心轴垂直，水平传感器的中心轴与水平度盘的中心轴平行。本申请具有非接触、高精度、高效率的特点，并且提高了摄影测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种视觉测量仪以及一种视觉测量方法
本申请涉及视觉测量
，具体涉及一种视觉测量仪和视觉测量方法。
技术介绍
对于被测物体的空间三维尺寸和位置测量，一般采用激光跟踪仪系统或数字近景摄影测量系统。激光跟踪仪系统通过度盘测量角度以及激光测距，来获取被测物体的空间信息，其具有高精度、可靠性强等优点。数字近景摄影测量系统是通过相机在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的图像，经图像处理匹配等相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标，其具有非接触、高效率等显著优点。在航空航天、造船、核能、轨道交通、大科学装置等领域中，由于被测物体的一些特殊性，对测量仪器提出了非接触、高精度、高效率的要求。而激光跟踪仪系统在测量过程中，获取仪器至被测物体之间的距离和角度时，需要将反射镜直接安放在被测物体的表面，无法满足非接触测量的要求；同时，激光跟踪仪测量方式为逐点测量，效率较低，耗时较多。数字近景摄影测量系统，采用点阵测量，效率非常高，而且测量时可在被测物体上永久安装测量目标，可以满足非接触测量的要求。但是由于数字近景摄影测量系统需要解算不同测量站位的相机之间的相对位置和姿态关系，而完全依赖相机拍摄到的外部目标点来建立不同相机站位之间的联系，将无法达到较高的测量精度；同时，数字近景摄影测量系统没有垂线基准，无法直接获取被测物体的水平姿态和高差。Leica公司生产的TS16全站仪，除了具有度盘测量角度信息外，还在全站仪的望远镜上方加载了一个相机，因此，TS16也可以用来进行摄影测量，同时获取相片之间的角度信息。但是这样做的主要目的不是为了摄影测量，而是为了用相机图像辅助瞄准全站仪目标。全站仪都是采用人眼观测，即人眼通过望远镜的视准轴瞄准目标观测，这样人眼容易疲劳而且效率不高。TS16全站仪通过相机在触摸显示屏上显示望远镜视场的图像，用户触摸显示屏上的被测物体的图像，驱动全站仪的视准轴粗略瞄准被测对象，这样节省了瞄准时间。因此，TS16全站仪主要目的不是用来进行摄影测量，它主要还是采用度盘测角和电磁波测距来确定目标坐标。其缺点为：1、TS16相机的主光轴与全站仪的视准轴不同轴，相机的焦点或像平面与全站仪的仪器中心点没有确定的位置关系；2、TS16相机主要参数为：500万像素，视场为19.4°，相机传感器及镜头分辨率低、视场狭窄。虽然TS16可以通过用户自行标定的方法来确定主光轴与视准轴的关系以及相机的焦点或像平面与全站仪的仪器中心点的位置关系，但是在水平度盘和垂直度盘运动的综合作用下，系统复杂度大幅提升,无法达到较高精度。
技术实现思路
本申请的目的是：针对上述技术问题，本申请提出一种视觉测量仪及视觉测量方法，其具有非接触、高精度、高效率的特点，并且大大提高了摄影测量的精度。为了达到上述目的，本申请的技术方案是：一种视觉测量仪,包括：机身；水平度盘，所述水平度盘连接在所述机身上，并能够绕该水平度盘竖直布置的中心轴旋转运动；垂直度盘，所述垂直度盘连接在所述机身上，并能够绕该垂直度盘水平布置的中心轴旋转运动；固定在所述垂直度盘上且相互连接的镜头和图像传感器；与所述镜头固定的距离传感器；以及与所述机身固定的水平传感器；所述水平度盘的中心轴和所述镜头的主光轴均分别垂直于所述垂直度盘的中心轴，所述水平度盘的中心轴、镜头的主光轴和垂直度盘的中心轴相交于一点，所述镜头的主光轴与所述图像传感器的像平面垂直相交，所述距离传感器的测距光轴与所述镜头的主光轴平行或重合布置，并且所述距离传感器的测距光轴与所述水平度盘的中心轴相交布置，所述图像传感器的感光单元阵列的行阵与所述垂直度盘的中心轴平行，所述图像传感器的感光单元阵列的列阵与所述垂直度盘的中心轴垂直，所述水平传感器的中心轴与所述水平度盘的中心轴平行。所述机身上设置有与所述水平度盘传动连接的水平方向调节旋钮。所述机身上设置有与所述垂直度盘传动连接的垂直方向调节旋钮。所述机身上设置有与所述图像传感器、所述水平度盘、所述垂直度盘、所述水平传感器和所述距离传感器均相连的显示屏。所述机身通过设于所述水平度盘底部的三爪连接件锁紧固定在仪器支架上。所述镜头上固定设置有闪光灯。一种视觉测量方法，其特征在于，该方法利用上述结构的视觉测量仪实施，定义所述水平度盘中心轴、所述镜头主光轴和所述垂直度盘中心轴的交点为仪器中心点，定义所述镜头的主光轴与所述图像传感器的像平面的交点为像主点，定义所述仪器中心点到所述距离传感器的测距光轴的垂足为测距基准点，该方法包括以下步骤：1)在被测的目标物周围布设一定密度的至少三个控制点；2)将视觉测量仪布置在第一测量站位，利用所述水平传感器将视觉测量仪调整至水平；3)通过转动所述水平度盘和所述垂直度盘，而使所述距离传感器依次对准至少三个所述控制点，并且在每对准一个所述控制点时，利用所述距离传感器测取所述测距基准点与所述控制点的距离，而且在每个控制点进行测距的同时，记录下水平度盘和垂直度盘的角度信息、以及水平传感器的姿态信息；4)通过转动所述水平度盘和所述垂直度盘，而改变所述镜头的拍摄角度，使所述镜头对准所述目标物的不同部位，从而在同一个测量站位获取目标物不同拍摄角度的多张图像；每次拍摄时，记录下拍摄的图像、水平度盘和垂直度盘的角度信息、以及水平传感器的姿态信息；5)将视觉测量仪搬至下一个测量站位，重复上述步骤2)至步骤4)；6)如此重复上述步骤5)若干次，从而在多个测量站位对目标物进行拍摄,保证目标物至少被测量2次；；7)多站测量完成后，将所有单站拍摄的图像和单站拍摄图像时的水平角、垂直角和水平传感器的姿态信息，以及所有单站测量的距离和单站测量距离时的水平角、垂直角和水平传感器的姿态信息一起进行整体计算；全局坐标系下目标点的坐标(XG,YG,ZG)与其在图像传感器上的投影点在视觉测量仪的像素坐标系下的坐标(u,v)数学关系式为式(7)，全局坐标系下目标点的坐标(XG,YG,ZG)与距离传感器测得的目标点与测距基准点的距离s的数学关系式为式(8)：其中，上述式(7)和式(8)中，矩阵M1、M2为视觉测量仪的内部参数矩阵，共有16个参数，这些参数与视觉测量仪的图像传感器、镜头、距离传感器、水平度盘和垂直度盘的角度信息、水平传感器的姿态信息以及它们相互间的位置关系有关；矩阵M3为视觉测量仪的外部参数矩阵，共有6个参数，这些参数为视觉测量仪初态坐标系与全局坐标系的平移旋转参数；u、v、hz、vt、s为已知观测量，分别为像素坐标系下的像素点坐标、水平度盘的角度值、垂直度盘的角度值、距离传感器测得的测距基准点和目标点的距离；XG、YG、ZG为被测目标点在全局坐标系下的坐标值；内参数矩阵M1、M2中，dx和dy为每一个像素分别在行向和列向上的物理尺寸；u0和v0为像主点在像素坐标系下的坐标；f为镜头的有效焦距；RID矩阵中的α为竖盘指标差，RDC矩阵中的β、γ为摄像机坐标系与视觉测量仪动态坐标系之间转换旋转角，RDS中θ、η为测距坐标系与视觉测量仪动态坐标系之间转换旋转角，TDC、TDS分别为一个3×1阶平移矩阵；外参数矩阵M3中，旋转矩阵RGI中的εX，εY，εZ为视觉测量仪初态坐标系与全局坐标系的旋转角，TGI为一个3×1阶平移矩阵。在所述步骤3)中，在每对准所述控制点时，还利用所述镜头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视觉测量仪,包括：机身(1)；水平度盘(2)，所述水平度盘连接在所述机身上，并能够绕该水平度盘竖直布置的中心轴旋转运动；垂直度盘(3)，所述垂直度盘连接在所述机身上，并能够绕该垂直度盘水平布置的中心轴旋转运动；固定在所述垂直度盘上且相互连接的镜头(4)和图像传感器(5)；与所述镜头(4)固定的距离传感器(10)；以及与所述机身固定的水平传感器(6)；所述水平度盘(2)的中心轴和所述镜头(4)的主光轴均分别垂直于所述垂直度盘(3)的中心轴，所述水平度盘(2)的中心轴、镜头(4)的主光轴和垂直度盘(3)的中心轴相交于一点，所述镜头(4)的主光轴与所述图像传感器(5)的像平面垂直相交，所述距离传感器(10)的测距光轴与所述镜头(4)的主光轴平行或重合布置，并且所述距离传感器(10)的测距光轴与所述水平度盘(2)的中心轴相交布置，所述图像传感器(5)的感光单元阵列的行阵与所述垂直度盘(3)的中心轴平行，所述图像传感器(5)的感光单元阵列的列阵与所述垂直度盘(3)的中心轴垂直，所述水平传感器(6)的中心轴与所述水平度盘(2)的中心轴平行。

【技术特征摘要】
1.一种视觉测量仪,包括：机身(1)；水平度盘(2)，所述水平度盘连接在所述机身上，并能够绕该水平度盘竖直布置的中心轴旋转运动；垂直度盘(3)，所述垂直度盘连接在所述机身上，并能够绕该垂直度盘水平布置的中心轴旋转运动；固定在所述垂直度盘上且相互连接的镜头(4)和图像传感器(5)；与所述镜头(4)固定的距离传感器(10)；以及与所述机身固定的水平传感器(6)；所述水平度盘(2)的中心轴和所述镜头(4)的主光轴均分别垂直于所述垂直度盘(3)的中心轴，所述水平度盘(2)的中心轴、镜头(4)的主光轴和垂直度盘(3)的中心轴相交于一点，所述镜头(4)的主光轴与所述图像传感器(5)的像平面垂直相交，所述距离传感器(10)的测距光轴与所述镜头(4)的主光轴平行或重合布置，并且所述距离传感器(10)的测距光轴与所述水平度盘(2)的中心轴相交布置，所述图像传感器(5)的感光单元阵列的行阵与所述垂直度盘(3)的中心轴平行，所述图像传感器(5)的感光单元阵列的列阵与所述垂直度盘(3)的中心轴垂直，所述水平传感器(6)的中心轴与所述水平度盘(2)的中心轴平行。2.如权利要求1所述的视觉测量仪,其特征在于，所述机身(1)上设置有与所述水平度盘(2)传动连接的水平方向调节旋钮(7)。3.如权利要求1所述的视觉测量仪,其特征在于，所述机身(1)上设置有与所述垂直度盘(3)传动连接的垂直方向调节旋钮(8)。4.如权利要求1所述的视觉测量仪,其特征在于，所述机身(1)上设置有与所述图像传感器(5)、所述水平度盘(2)、所述垂直度盘(3)、所述水平传感器(6)和所述距离传感器(10)均相连的显示屏(9)。5.如权利要求1所述的视觉测量仪,其特征在于，所述机身(1)通过设于所述水平度盘(2)底部的三爪连接件锁紧固定在仪器支架上。6.如权利要求1所述的视觉测量仪,其特征在于，所述镜头(4)上固定设置有闪光灯。7.一种视觉测量方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-6中任一所述的视觉测量仪实施，定义所述水平度盘(2)中心轴、所述镜头(4)主光轴和所述垂直度盘(3)中心轴的交点为仪器中心点，定义所述镜头(4)的主光轴与所述图像传感器(5)的像平面的交点为像主点，定义所述仪器中心点到所述距离传感器(10)的测距光轴的垂足为测距基准点，该方法包括以下步骤：1)在被测的目标物周围布设一定密度的至少三个控制点；2)将视觉测量仪布置在第一测量站位，利用所述水平传感器(6)将视觉测量仪调整至水平；3)通过转动所述水平度盘(2)和所述垂直度盘(3)，而使所述距离传感器(10)依次对准至少三个所述控制点，并且在每对准一个所述控制点时，利用所述距离传感器(10)测取所述测距基准点与所述控制点的距离，而且在每个控制点进行测距的同时，记录下水平度盘和垂直度盘的角度信息、以及水平传感器的姿态信息；4)通过转动所述水平度盘(2)和所述垂直度盘(3)，而改变所述镜头(4)的拍摄角度，使所述镜头(4)对准所述目标物的不同部位，从而在同一个测量站位获取目标物不同拍摄角度的多张图像；每次拍摄时...

【专利技术属性】
技术研发人员：董岚，王铜，梁静，罗涛，朱洪岩，柯志勇，何振强，马娜，李波，王小龙，门玲鸰，
申请(专利权)人：东莞中子科学中心，
类型：发明
国别省市：广东,44