一種水面目標的測量方法
【專利摘要】本發明一種水面目標的測量方法，涉及計算機視覺的三維測量，是利用帶有校平的標定裝置來確定參考平面與水面平行，根據攝像機的成像原理以及單視圖計算機視覺理論，推導出一種水面目標的測量方法，步驟是：配置用于水面目標測量的設備、確定參考平面與水面平行、圖像采集、計算攝像機的內參數和求解水面的法向量、需要時加之目標高度計算模型、度量重建、度量重建到歐氏重建和誤差分析。本發明方法克服了現有水面目標的測量方法存在的費時費力且不安全，測量結果不穩定和測量方法復雜的缺陷。
【專利說明】一種水面目標的測量方法

【技術領域】
[0001] 本發明的技術方案涉及計算機視覺的三維測量，具體地說是一種水面目標的測量 方法。

【背景技術】
[0002] 由于水面的開闊性和復雜性，使水面目標的測量有一定的困難。從目前公開的文 獻和技術手段來看，水面目標的測量主要有以下兩種方法：人工測量法和激光測量法。人 工測量法費時費力，且不安全；激光測量法是一種非接觸式測量方法，當激光光束射向水面 時，一方面激光會射入水中產生非常大的能量損耗，另一方面，由于水的波動性，激光射入 水中會產生較大的漫反射，導致測量結果不穩定。雖然三維測量方法已經應用于目標的測 量，CN103376071A公開了三維測量系統與三維測量方法，CN102954770A披露了三維測量設 備和三維測量方法，但是，這些三維測量方法均不能用于水面目標的測量。CN104061865A公 開了一種航行船舶高度測量系統及其測量方法，但是存在測量方法復雜的缺陷。


【發明內容】

[0003] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種水面目標的測量方法，是采用帶校平的 標定裝置來確定參考平面與水面平行，根據攝像機的成像原理以及單視圖計算機視覺理 論，推導出一種水面目標的測量方法，該方法克服了現有水面目標的測量方法存在的費時 費力且不安全，測量結果不穩定和測量方法復雜的缺陷。
[0004] 本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：一種水面目標的測量方法，是利用 帶校平的標定裝置來確定參考平面與水面平行，根據攝像機的成像原理以及單視圖計算機 視覺理論，推導出一種水面目標的測量方法，步驟如下：
[0005] 第一步，配置用于水面目標測量的設備：
[0006] 這些設備包括一個攝像機、帶校平的標定裝置、三腳架和長度為Im和寬度為5cm 的長方形木片；
[0007]上述帶校平的標定裝置包括一個參考平面、一個棋盤格和兩個水平尺，將一個規 格為50cmX50cm的正方形塑料平板作為參考平面，在上面固定一個棋盤格和兩個水平尺， 棋盤格由9X7個黑白相間的28mmX28mm的正方形組成，放置在參考平面的中部偏右下方， 兩個水平尺的長度均為40cm，兩個水平尺相互垂直，分別固定在參考平面的左邊和上邊；
[0008] 第二步，確定參考平面與水面平行：
[0009] 在水面上無大風浪的氣象條件下，水面近似為平面，采用帶校平的標定裝置來確 定參考平面和水面平行，具體方法是，通過調節該參考平面，使兩個水平尺上的水平泡位于 中心，以確定參考平面與水面平行；
[0010] 第三步，圖像采集：
[0011] 將上述第一步配備的攝像機固定在三腳架的云臺上，第一次拍攝是將第一步配備 的棋盤格置于任意平面上，使用攝像機對該棋盤格進行多角度拍攝，拍攝十五張圖像；第二 次拍攝，將第一步帶校平的標定裝置置于水邊合適的位置，調整參考平面使之與水面平行， 通過調整三腳架的云臺來調節攝像機的角度，使水面目標和該棋盤格在一張圖像內，然后 固定攝像機，多次水平移動三腳架，拍攝十張圖像；第三次拍攝是在第二次拍攝的基礎上， 調整三腳架的位置，撤去帶校平的標定裝置，將第一步配備的長方形木片放入水中設定位 置，用攝像機對水面目標和長方形木片進行拍攝，得到一張圖像；
[0012] 第四步，計算攝像機的內參數和求解水面的法向量：
[0013] 空間任何一點P在圖像上的成像位置用針孔模型近似表示，空間任何一點P在圖 像上的投影位置為P，P為光心C與空間任何一點P的連線PC與圖像平面的交點，設P在 世界坐標系下的坐標為（XW，YW，ZW)，它在攝像機坐標系下的坐標為（^。，2。)，投影位置為？ 點的坐標為（u，v)，攝像機的內參數為K，表示如下：
[0014]

【權利要求】
1. 一種水面目標的測量方法，其特征在于：是利用帶有校平的標定裝置來確定參考平 面與水面平行，根據攝像機的成像原理以及單視圖計算機視覺理論，推到出一種水面目標 的測量方法，步驟如下： 第一步，配置用于水面目標測量的設備： 這些設備包括一個攝像機、帶校平的標定裝置、三腳架和長度為lm和寬度為5cm的長 方形木片； 上述帶校平的標定裝置包括一個參考平面、一個棋盤格和兩個水平尺，將一個規格為 50cmX50cm的正方形塑料平板作為參考平面，在上面固定一個棋盤格和兩個水平尺，棋盤 格由9X7個黑白相間的28mmX28mm的正方形組成，放置在參考平面的中部偏右下方，兩個 水平尺的長度均為40cm，兩個水平尺相互垂直，分別固定在參考平面的左邊和上邊； 第二步，確定參考平面與水面平行： 在水面上無大風浪的氣象條件下，水面近似為平面，采用帶校平的標定裝置來確定參 考平面和水面平行，具體方法是，通過調節該參考平面，使兩個水平尺上的水平泡位于中 心，以確定參考平面與水面平行； 第三步，圖像采集： 將上述第一步配備的攝像機固定在三腳架的云臺上，第一次拍攝是將第一步配備的棋 盤格置于任意平面上，使用攝像機對該棋盤格進行多角度拍攝，拍攝十五張圖像；第二次拍 攝，將第一步配備的帶校平的標定裝置置于水邊合適的位置，調整參考平面使之與水面平 行，通過調整三腳架的云臺來調節攝像機的角度，使水面目標和該棋盤格在一張圖像內，然 后固定攝像機，多次水平移動三腳架，拍攝十張圖像；第三次拍攝是在第二次拍攝的基礎 上，調整三腳架的位置，撤去帶校平的標定裝置，將第一步配備的長方形木片放入水中設定 位置，用攝像機對水面目標和長方形木片進行拍攝，得到一張圖像； 第四步，計算攝像機的內參數和求解水面的法向量： 空間任何一點P在圖像上的成像位置用針孔模型近似表示，空間任何一點P在圖像上 的投影位置為P，P為光心C與空間任何一點P的連線PC與圖像平面的交點，設P在世界坐 標系下的坐標為（Xw，Yw，Zw)，它在攝像機坐標系下的坐標為（X。，Y。，Z。)，投影位置為p點的 坐標為（u，v)，攝像機的內參數為K，表示如下：
其中，:^和fy為攝像機在x軸和y軸方向的焦距，（ud，vd為攝像機的主點坐標， 攝像機的外參數包括旋轉矩陣R和平移矩陣t，旋轉矩陣R表示為=r2 /]根據 中心攝影定理和張正友的攝像機平面標定法，得到如下公式：
通過上述公式又得到：
利用第三步中第一次拍攝得到的十五張圖像和利用matlab相機標定工具箱進行攝 像機標定，得到攝相機的內參數K，并分別求取第三步中第二次拍攝過程中的十張圖像 的外參數旋轉矩陣R和平移矩陣t，旋轉矩陣R中的r3為參考平面的法向量，將它設為 r3Q，r31，r32，…，r39，求取最佳的參考平面法向量n，設n=[nin2n3]T，利用最小二乘法LMSE
求解出參考平面的最佳法向量n，由于水面與參考平面平行，水面的法向量也為n; 第五步，需要時加之目標高度計算模型： 在有需要時，加之對水面目標的高度進行測量，方法是：設待測高度的目標點為P，P的 背投影點為G，P在參考平面的垂點為M，這些點都是世界坐標系中的點，根據小孔成像原 理，得到攝像機的光心C，C在參考平面的正投影點為0,P、C和G三點共線，M、G和0三點 共線，PM的高度通過相似三角形得到，具體計算方法如下： 根據目標點P在攝像機成像圖像上的成像點P點，通過單應性矩陣映射，計算出G在參 考平面上的物理坐標為單應矩陣，》=[;cjlf，G=[X7lf，H為單 應矩陣，通過二維測量，確G、M和0在參考平面上的物理坐標，從而確定GM、GO的距離：
第六步，度量重建： 在攝像機坐標系下，設攝像機光心C到攝像機坐標系下水面的距離為1，水面的法向量 由上述第四步中得到，那么能夠得到：

根據公式（8)，已知圖像上點的坐標，就能解出點X的坐標； 第七步，度量重建到歐氏重建： 通過第六步求出水面上兩點的坐標，進而得到兩點距離，此距離與真實的距離相差一 個尺度因子A，尺度因子A通過水面上的標志物來確定，標志物為放入水中的第一步配備 的長方形木片，根據第三步第三次拍攝到的一張圖像中找到表示長方形木片長度的兩個點 pJPp2，利用找到的圖像上的兩個點，根據第六步的方法，求解出這兩個成像點在攝像機坐 標系下的原點P:(XpypzD和P2(x2,y2,z2)，求解出兩者間的距離d，
尺度因子A由上述距離d和木片的長度s得到，S卩A=s/d，在求解兩點間的真實距 離D時都要乘以這個尺度因子； 第八步，誤差分析： 采用一種誤差模型來對測量結果進行誤差分析，當一幅圖像被噪聲污染后，圖像上的 點與真實值之間會有一定的偏差，用這些點計算出的三維空間中目標的幾何距離也會有一 定的偏差，假設被噪聲影響前圖像上的一點為P(x，y)，它是由攝像機坐標系下的P(X，Y，Z) 映射到圖像上的，P被噪聲影響后的坐標記作：
其中[八x八y]表示在圖像平面中x軸方向和y軸方向上的噪聲，關于八x和八y的 協方差矩陣表不為：
假設0xy= 0yx=〇,這表明Ax和Ay是相互獨立的，通常來說，Ax和Ay是隨機 的高斯白噪聲，均值為〇,方差分別為〇 y， 假設攝像機的內參數中fx=fy=f，攝像機的主點位置位于圖片中心1^= 0. 5*11_和vQ= 0. 5*v_，那么攝像機的內參數簡單記作：
圖像中的點P首先經過平移P' = [x-uQy_vQ] = [x'y']， 根據P的求解條件，平面和反投影相交，得到如下的一個對應關系：

用上述誤差分析方法求出帶有噪聲的點恢復成三維空間中的坐標(尤:和沒有噪 聲的點恢復出的三維空間中的坐標（X，Y，Z)間的誤差，同理，得到水面上兩點間距離的誤 差和目標高度的誤差，恢復三維空間的幾何距離的誤差還需要乘上尺度因子， 3S誤差分析方法的原則為，根據正態分布：
該距離的誤差分布在平均值正負3S范圍內的概率為99. 7%，每次得到的測量誤差都 在這之間，通過進行泰勒展開舍棄高次項的方法結合3S誤差分析原理，對兩點間的距離 進行誤差分析； 上述各個步驟中所述的攝像機均為第一步中配備的攝像機。
2.根據權利要求1所述一種水面目標的測量方法，其特征在于：所述的攝像機為型號IXUS132的佳能數碼相機，三腳架為云騰VT-888三腳架，水平尺均為40cm科勝牌水平尺。
【文檔編號】G01C11/00GK104482921SQ201410812640
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月23日 優先權日:2014年12月23日
【發明者】胡釗政, 張蘭, 柏東芳, 趙斌, 夏克文, 劉國忠, 李冰 申請人:河北工業大學