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        相機(jī)與激光跟蹤儀相對位姿標(biāo)定方法的研究

        2018-08-08 01:53:28范百興楊聚慶周維虎李祥云
        測繪工程 2018年9期
        關(guān)鍵詞:位姿標(biāo)定靶點(diǎn)

        范百興,楊聚慶,周維虎,李祥云

        (1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.北京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)理學(xué)院,北京 100124;3.中國科學(xué)院光電研究院,北京 100094)

        隨著現(xiàn)代工業(yè)測量的需要,在航空、航天和裝配等領(lǐng)域不僅需要對空間目標(biāo)的位置進(jìn)行精確測量,需要姿態(tài)信息,即目標(biāo)的六自由度。長期以來,六自由度測量的方式多依賴于光學(xué)測量傳感器、激光干涉儀[1]、多相機(jī)協(xié)作的視覺測量系統(tǒng)[2],傳統(tǒng)的六自由度測量方式儀器組合多、難以實現(xiàn)跟蹤測量和使用復(fù)雜等缺點(diǎn)。

        在現(xiàn)代精密工程測量中,激光跟蹤儀具有在單點(diǎn)測量中的精度高、動態(tài)測量、實時快速等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字化設(shè)計、制造和裝配檢測中的應(yīng)用越來越廣泛[3];視覺測量具有無接觸、多目標(biāo)、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),在研究物體的幾何尺寸以及在空間中的位姿中的應(yīng)用越來越廣泛[4]。近年來,由于兩者在測量中的優(yōu)勢,使兩者的聯(lián)合測量在六自由度精密測量中成為一種新的測量技術(shù)。在國外,leica T-mac是激光跟蹤儀測量技術(shù)與視覺測量技術(shù)相結(jié)合的目標(biāo)六自由度測量技術(shù),實現(xiàn)目標(biāo)六自由度跟蹤測量[5]。而在國內(nèi)此技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)較少,為了實現(xiàn)這種高精度、輕便的六自由度測量,必然存在著相機(jī)與激光跟蹤儀位姿模型的標(biāo)定。標(biāo)定中所用的算法有:基于Canny算子的標(biāo)志中心坐標(biāo)提?。换?個非共線控制點(diǎn)的單像空間后方交會;坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法有奇異值分解、四元數(shù)法及羅德里格矩陣法[6]。奇異值分解的方法比較依賴于矩陣的性質(zhì),不一定得到旋轉(zhuǎn)矩陣,特殊性較強(qiáng),四元數(shù)解算速度較快,但是精度不容易控制,而羅德里格矩陣在任意角度的姿態(tài)轉(zhuǎn)換解算中的嚴(yán)密性,在迭代中可以設(shè)置精度閾值,使用較為方便,因此本文在模型標(biāo)定中采用羅德里格矩陣的方法。

        1 相機(jī)坐標(biāo)系下靶點(diǎn)坐標(biāo)的解算

        本文首先利用Canny算子對含有靶點(diǎn)的圖像進(jìn)行邊緣檢測,通過標(biāo)志輪廓檢測、模式識別、最小二乘擬合橢圓中心的方法得到標(biāo)志中心坐標(biāo)[7],再由內(nèi)方位元素得到靶點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)。最后通過一種基于4個非共線控制點(diǎn)的單張像片空間后方交會算法可直接求得單張像片的外方位元素[8]。算法流程如圖1所示。

        經(jīng)過圖像處理可以方便準(zhǔn)確的得到靶點(diǎn)的圖像像素坐標(biāo)(ui,vi),再由相機(jī)內(nèi)部參數(shù)得到像點(diǎn)坐標(biāo):

        (1)

        式中:u0,v0是相片尺寸長和寬的一半,dx,dy像素大小。在像點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上,除了利用相機(jī)內(nèi)參數(shù)的主距f和主點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0),還有鏡頭徑向畸變(k1,k2,k3)、偏心畸變(p1,p2)及平面畸變(b1,b2)等7個內(nèi)參數(shù)可以修正像點(diǎn)坐標(biāo),本文修正像點(diǎn)坐標(biāo)的10參數(shù)模型為

        (2)

        如圖2所示,物方點(diǎn)A,B,C在激光跟蹤儀下的坐標(biāo)為(XL1,YL1,ZL1),(XL2,YL2,ZL2),(XL3,YL3,ZL3),到相機(jī)中心S的距離分別為AS,BS,CS,相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)分別為A′(x1,y1),B′(x2,y2),C′(x3,y3);ΔABC邊長分別記為AB,AC,BC;∠ASB,∠BSC,∠ASC分別記為α,β,γ。

        圖2 利用4個控制點(diǎn)計算外方位元素

        根據(jù)圖中的幾何結(jié)構(gòu)及余弦定理可得

        (3)

        其中:

        (4)

        設(shè)AS∶BS∶CS=1∶n∶m,即BS=nAS,CS=mAS,將三者比例關(guān)系代入式(3),消去AS,m整理得

        w1n4+w2n3+w3n2+w4n+w5=0.

        (5)

        其中系數(shù)wi均可由物方點(diǎn)坐標(biāo),α,β及γ求得。該一元四次方程可能有4個根,再加一個靶控制點(diǎn)D,選取兩組解中相同的根即為正確的n值。進(jìn)而可得

        (6)

        在相機(jī)坐標(biāo)系OCXCYCZC中,像點(diǎn)的坐標(biāo)為A′(x1,y1,-f),B′(x2,y2,-f),C′(x3,y3,-f),由圖2知,根據(jù)AS與SA′、BS與SB′和CS與SC′之間的比例關(guān)系可得各靶點(diǎn)在坐標(biāo)系OCXCYCZC中的坐標(biāo)(XCi,YCi,ZCi):

        (7)

        2 基于羅德里格矩陣的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

        當(dāng)已知3個靶點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下和在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)時,根據(jù)公共點(diǎn)求得相機(jī)坐標(biāo)系和激光跟蹤儀坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣。當(dāng)多于3個靶點(diǎn)時,公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換一般需要先求初值再進(jìn)行平差迭代[9],本文利用基于羅德里格矩陣的方法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

        設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系和激光跟蹤儀坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣為Tr,

        .

        (8)

        由靶點(diǎn)分別在兩坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可得

        .

        (9)

        其中R,T分別是位姿轉(zhuǎn)換矩陣Tr中的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量。本文利用3個控制點(diǎn)求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移參數(shù)的初值。其中R用羅德里格矩陣表示

        R=(I-S)-1(I-S).

        (10)

        其中I為單位陣,

        .

        (11)

        ,(i=1,2,3).

        (12)

        其中,

        .

        (13)

        將式(13)代入式(12)得

        .

        (14)

        由式(14)可知,n對公共點(diǎn)對應(yīng)3n個觀測方程,將其寫成矩陣形式為

        (15)

        其中

        ,

        艾滋病可經(jīng)過母嬰傳播、性傳播以及血液傳播等,機(jī)體感染艾滋病病毒后引發(fā)病毒血癥,病毒在咨詢者肝細(xì)胞內(nèi)復(fù)制并引發(fā)病變,此外,艾滋病病毒表達(dá)產(chǎn)物存在肝臟毒性,會導(dǎo)致肝功能下降。若咨詢者艾滋病抗體實驗室檢查結(jié)果為陽性、近期有流行病史,則可診斷為艾滋病急性期[4] 。大部分艾滋病感染咨詢者在感染2個月后即可檢出艾滋病抗體,感染后3個月可全部檢出艾滋病抗體。當(dāng)前,我國主要通過疫苗預(yù)防艾滋病感染,同時加強(qiáng)艾滋病宣傳,及時發(fā)現(xiàn)艾滋病并采取病情控制措施,有助于使艾滋病毒損傷得到控制并可使病毒傳播得到減少[5] 。

        (16)

        當(dāng)n=3時,此時沒有多于觀測量,直接求解D,那么:

        D=(AT·A)-1·(AT·l).

        (17)

        將解得的a,b,c,u,v,w作為D的初值D0,并將其余公共點(diǎn)代入式(15)組成觀測方程,

        A·(D0+ΔD)=l.

        (18)

        進(jìn)而求改正值,

        ΔD=(AT·A)-1·[AT·(l-A·D0)].

        (19)

        判斷此時改正值是否小于閾值ε,否則代回式(17)修正初值D0,并繼續(xù)求解修正值直到滿足閾值條件。最后,將經(jīng)過迭代后的D0代入式(10)、式(11)和式(13)可求得位姿變換矩陣R,T。

        3 算例和分析

        3.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

        測量過程使用的工業(yè)相機(jī)為basler ACA 2500-20 gm,鏡頭為computer m0814-MP,CCD成像個數(shù)為(2 592像素×2 048像素),像素大小為 0.004 8 mm×0.004 8 mm。首先對相機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,利用教研室標(biāo)定場,采用基于有限元模型的數(shù)字工業(yè)攝影測量相機(jī)二次檢校的方法檢校相機(jī)[10],標(biāo)定結(jié)果為:x0=-0.128 630 6 mm,y0=0.202 353 3 mm,f=11.860 89 mm,k1=7.659 920×10-4,k2=-4.942 919-6,k3= 3.922 201-9,p1=-6.417 617-6,p2= -2.753 530-6,b1=-6.517 062-6,b2=-5.578 664-5;使用的激光跟蹤儀為Leica AT901-B型,配合CCR1.5角隅棱鏡靶球,在2.5 m×5 m×10 m的工作范圍內(nèi)三維點(diǎn)坐標(biāo)測量精度為±(15 μm+6 μm/m)。

        首先在試驗場布置5個靶座,靶座上既可以放置角隅棱鏡靶球也可以放置人工標(biāo)志工裝,激光跟蹤儀所測靶球中心和視覺測量的標(biāo)志中心理論上為同一點(diǎn);然后將人工標(biāo)志工裝放置于靶座上,用固定好的相機(jī)采集包含人工標(biāo)志的圖像,隨后撤掉人工標(biāo)志工裝并用激光跟蹤儀(配合靶球)測量靶座中心坐標(biāo);最后用羅德里格矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

        對采集到圖像首先利用Opencv中Canny算子對標(biāo)志進(jìn)行檢測邊緣,并用橢圓擬合算法求出圓形標(biāo)志的中心坐標(biāo),此時坐標(biāo)為圖像像素坐標(biāo)系下,需由式(1)轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo)系下,結(jié)果如表1所示。

        表1 橢圓擬合得到的標(biāo)志中心坐標(biāo) mm

        利用激光跟蹤儀和靶球分別測量各個靶座上的中心坐標(biāo),得到坐標(biāo)結(jié)果如表2所示。

        表2 跟蹤儀坐標(biāo)系下各靶座中心坐標(biāo) mm

        通過測量和預(yù)處理,表1為經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù),表2為激光跟蹤儀直接測量所得到的數(shù)據(jù)。在所采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上即可進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和精度分析。

        3.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和精度分析

        在對應(yīng)的5組坐標(biāo)中選取4組作為求解坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的數(shù)據(jù),為了保證4點(diǎn)非共線以及各靶點(diǎn)與相機(jī)中心S的連線之間的夾角盡量大,實驗所用點(diǎn)號分別為1、2、3以及4,根據(jù)相機(jī)坐標(biāo)系下靶點(diǎn)坐標(biāo)的解算理論,可能會解出兩組相近的n值,利用兩組n值分別求出坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù),進(jìn)而利用共線方程反算像點(diǎn)坐標(biāo),反算結(jié)果與表1進(jìn)行比較,結(jié)果相近的為正解,結(jié)果如表3所示。

        表3 靶點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo) mm

        利用表2和表3中4組對應(yīng)的公共點(diǎn),用羅德里格矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,先用其中3組數(shù)據(jù)解算轉(zhuǎn)換參數(shù)的初值,利用初值和全部數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘迭代,直到平差精度滿足設(shè)定閾值為止。最終所得跟蹤儀與相機(jī)相對位姿模型為

        (20)

        為了驗證坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度,本文利用矩陣T及共線方程反算像點(diǎn)坐標(biāo),將結(jié)果與橢圓擬合所得結(jié)果進(jìn)行比較,比較結(jié)果如表4所示,

        (21)

        表4僅僅為相機(jī)在某一個位姿下的標(biāo)定精度,為了說明算法的普適性,將相機(jī)調(diào)整位姿繼續(xù)拍攝兩張照片,標(biāo)定結(jié)果如表5和表6所示。

        綜合表4、表5和表6得計算結(jié)果,位姿標(biāo)定模

        表4 坐標(biāo)反算結(jié)果與橢圓擬合坐標(biāo)對比表 mm

        表5 相機(jī)位姿一次調(diào)整后的標(biāo)定結(jié)果 mm

        表6 相機(jī)位姿二次調(diào)整的標(biāo)定結(jié)果 mm

        4 結(jié) 論

        在六自由度精密測量中,針對激光跟蹤儀與視覺測量聯(lián)合應(yīng)用中的相機(jī)與激光跟蹤儀相對位姿的標(biāo)定問題,本文利用基于羅德里格矩陣的方法標(biāo)定了兩者之間的相對位姿以及利用共線方程反算標(biāo)志中心坐標(biāo)驗證了轉(zhuǎn)換精度。實驗結(jié)果證明,所得相機(jī)坐標(biāo)系與激光跟蹤儀相對位姿模型總體精度保持在0.01 mm以下,基本滿足了激光跟蹤儀與相機(jī)聯(lián)合精密測量中的需要。

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