專利名稱：一種真空激光光斑中心精密網(wǎng)格定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑物位移監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
國內(nèi)真空激光準直位移監(jiān)測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在直線型建筑物的水平及垂直位移 監(jiān)測上。常見的形式是在發(fā)射端設(shè)一個點光源，在測點處設(shè)菲涅耳半波帶片、即波帶板，在 接收端設(shè)成像及圖像采集裝置，每個測點波帶板在主控機的控制下分別進入光路，在接收 端形成光斑，通過計算光斑中心的位移變化來監(jiān)測測點的位移。目前，國內(nèi)同類產(chǎn)品在光斑圖像采集及中心計算的控制方式主要有兩種一是以 攝像機所拍攝圖像的左下角為觀測坐標原點，這個原點只能在拍攝的圖像中看到，無法與 實物對應(yīng)，是個虛的原點，并要求攝像機的行掃瞄線與地平線平行，所以要求攝像機精確定 位，并要求精確率定攝像機的像素間距與觀測坐標系上實際距離的對應(yīng)關(guān)系，一旦更換攝 像機時需重新固定、重新調(diào)整焦距及光圈，會使觀測坐標原點的定位發(fā)生變化，無法保證測 值的連續(xù)性。二是在接收幕的4個角上設(shè)置發(fā)光二極管，以左下角的為觀測坐標原點，其它 的三個作為觀測坐標系內(nèi)的已知點來校正攝像機像素坐標與觀測坐標系的關(guān)系，這樣可解 決觀測坐標原點定位問題，但4個發(fā)光點只能布置在接收幕的4個角上，即在圖像的邊緣 上，而因攝像機鏡頭產(chǎn)生的圖像非線性變形，是隨著遠離圖像中心而增大的，所以用這4個 點所確定的攝像機像素坐標系與觀測坐標系的關(guān)系存在很大的誤差。另外，目前國內(nèi)同類產(chǎn)品的光斑中心的確定及圖像分析計算方法還是使用像素為 基本單位，只是簡單的率定單個像素代表的真實尺寸，并未考慮及消除攝像機鏡頭非線性 畸變產(chǎn)生的觀測誤差的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種真空激光光斑中心精密網(wǎng)格定位方法，以解決監(jiān)測中誤差大的問 題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，包括下列步驟
(一)在接收端安裝精密網(wǎng)格定位幕，接收端的坐標原點設(shè)在定位幕網(wǎng)格的左下角，定 位幕不隨攝像機移動，調(diào)整更換攝像機時，只要將幕的全景調(diào)整到攝像機的有效拍攝范圍 內(nèi)即可，該精密網(wǎng)格定位幕是由若干等間距方格和加粗的邊框組成，精密網(wǎng)格定位幕與一 套可自動控制的電機驅(qū)動支架配合，以實現(xiàn)自動控制幕的閉合及拉開；具體的數(shù)據(jù)采集控 制流程為
(1)在計算機的控制下向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕閉合命令，接收端控制器 驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的閉合；
(2)數(shù)據(jù)采集程序判斷定精密網(wǎng)格定位幕閉合正常后，通過控制架設(shè)在接收端的高精 度攝像機對精密網(wǎng)格定位幕的圖像進行捕捉、并判斷捕捉的圖像是否正常；如果捕捉的圖 像符合程序要求，保存圖像到內(nèi)存或硬盤，并向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕拉開命令，接收端控制器驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的拉開，切換到激光光斑接收幕；
(3)數(shù)據(jù)采集程序判斷精密網(wǎng)格定位幕拉開正常后，依次控制各個測點波帶板進入光 路，在光斑接收幕上形成測點光斑，攝像機依次完成各個測點光斑圖像的捕捉，并利用圖像 計算方法雙峰法，計算出光斑中心在攝像機像素坐標系上的坐標值；
(二)在兩次捕捉圖像精密網(wǎng)格定位幕圖像及光斑圖像的過程中，攝像機的位置沒有 發(fā)生任何變化，因此，兩幅圖像的像素坐標是重合的；將計算出來的光斑中心像素坐標αρ， ζρ)按像素方式映射到已捕捉的精密網(wǎng)格定位幕的圖像中；
(三)根據(jù)已知的精密網(wǎng)格真實寬度及光斑中心像素坐標αρ，、)在某一個網(wǎng)格中的位 置，對該網(wǎng)格采取計算機圖形計算方法即可計算出光斑中心的真實坐標(I，&)，具體的圖 像計算方法如下
設(shè)觀測坐標原點在整個網(wǎng)格的左下角，網(wǎng)格的間距為l，則光斑中心在網(wǎng)格坐標系的位 置為
Xr = NxXL+ Xn(1 - 1)
Zr = NzXL + Zn(1 - 2)
式中
Nx——從光斑中心向左完整網(wǎng)格的數(shù)量 Nz——從光斑中心向下完整網(wǎng)格的數(shù)量 Xn——在一個網(wǎng)格內(nèi)距左側(cè)格線的距離 Zn—在一個網(wǎng)格內(nèi)距底部格線的距離
從圖及計算公式中可看出，鏡頭的非線性誤差影響被縮小在了一個網(wǎng)格內(nèi)，即χη、4中 帶有非線性的影響，網(wǎng)格尺寸為5mmX5mm，所有網(wǎng)格的實際寬度均為L，光斑中心所在網(wǎng)格 的水平像素數(shù)目為Lxp個，左側(cè)網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lxp。，光斑中心所在網(wǎng)格的垂直像 素數(shù)目為Lzp個，底部網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lzp。，則W由下式確定
Xn = (Xp - Lxpo) / LxpXL(2 — 1)
Zn = (Zp-Lzpo) / LzpXL(2-2)
實際中網(wǎng)格的水平線不可能與攝像機的行掃瞄線平行，即使部分平行，由于鏡頭非線 性其它部分也還會有夾角；計算時要先查找出網(wǎng)格4個角的坐標，Plt (X15Z1)^Prt (X2, Z2), Plb (X3，W、Prb (X4, Z4)),并根據(jù)這4個點的像素坐標確定出4條像素坐標直線方程
網(wǎng)格水平向頂部格線方程(Plt(X1'Z1)、]D rt(X2，Z2))(3 -網(wǎng)格水平向底部格線方程(Plb(X3，Z^)、]D rb(X4J Τ- ))(3-2)網(wǎng)格垂直向左側(cè)格線方程(Plt(X1'Z1)、]〕lb(X3，)):(3-3)網(wǎng)格垂直向右側(cè)格線方程(Prt(X2，Zr)、]D rb(X4J Τ- ))(3-4)
由于其中水平的兩條線斜率Kxl、Kx2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kxl =Kx2 = O,垂直的兩條斜率Kzl、Kz2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kzl =Kz2 = 1，再根據(jù)光斑坐標(Xpjp)做出斜率分別*KX、KZ的兩條經(jīng)光斑中心的十字 線，禾Ij用這6條線分別計算出，LXP、LXP。、LZP、Izp。，再帶入上式計算，求出Xn、&。
本發(fā)明的有益效果是，在接收端安裝精密網(wǎng)格定位幕，接收端的坐標原點設(shè)在定 位幕網(wǎng)格的左下角，定位幕不隨攝像機移動，調(diào)整更換攝像機時，只要將幕的全景調(diào)整到攝 像機的有效拍攝范圍內(nèi)即可，不需精確調(diào)整，不需重新律定攝像機像素與實際距離的對應(yīng)關(guān)系，降低了對攝像機定位精度的要求；方便了設(shè)備的維護，保證了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；利 用精密網(wǎng)格確定攝像機像素坐標與網(wǎng)格坐標的關(guān)系，減小了攝像機鏡頭非線性畸變產(chǎn)生的 觀測誤差，并可精確計算光斑中心位置的真實變化。極大的提高了系統(tǒng)的觀測精度。定位幕 的復(fù)位精度在士0. 02mm之內(nèi)，網(wǎng)格的精度在士0. 005mm之內(nèi)，觀測的定位誤差為士0. 05mm, 非線性誤差為士0. 02mm。


圖1是本發(fā)明精密網(wǎng)格定位幕示意圖； 圖2是本發(fā)明記錄的光斑及像素坐標值；
圖3是本發(fā)明激光光斑映射在精密網(wǎng)格定位幕上； 圖4是本發(fā)明一種光斑在網(wǎng)格中的計算示意圖； 圖5是本發(fā)明另一種光斑在網(wǎng)格中的計算示意圖。
具體實施例方式(一)在接收端安裝精密網(wǎng)格定位幕，接收端的坐標原點設(shè)在定位幕網(wǎng)格的左下 角，定位幕不隨攝像機移動，調(diào)整更換攝像機時，只要將幕的全景調(diào)整到攝像機的有效拍攝 范圍內(nèi)即可，該精密網(wǎng)格定位幕是由若干等間距方格和加粗的邊框組成，如圖1所示，精密 網(wǎng)格定位幕與一套可自動控制的電機驅(qū)動支架配合，以實現(xiàn)自動控制幕的閉合及拉開；具 體的數(shù)據(jù)采集控制流程為
(1)在計算機的控制下向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕閉合命令，接收端控制器 驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的閉合；
(2)數(shù)據(jù)采集程序判斷定精密網(wǎng)格定位幕閉合正常后，通過控制架設(shè)在接收端的高精 度攝像機對精密網(wǎng)格定位幕的圖像進行捕捉、并判斷捕捉的圖像是否正常；如果捕捉的圖 像符合程序要求，保存圖像到內(nèi)存或硬盤，并向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕拉開命 令，接收端控制器驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的拉開，切換到激光光斑接收幕；
(3)數(shù)據(jù)采集程序判斷精密網(wǎng)格定位幕拉開正常后，依次控制各個測點波帶板進入光 路，在光斑接收幕上形成測點光斑，攝像機依次完成各個測點光斑圖像的捕捉，并利用圖像 計算方法雙峰法，計算出光斑中心在攝像機像素坐標系上的坐標值，如圖2所示；
(二)在兩次捕捉圖像精密網(wǎng)格定位幕圖像及光斑圖像的過程中，攝像機的位置沒有 發(fā)生任何變化，因此，兩幅圖像的像素坐標是重合的；將計算出來的光斑中心像素坐標αρ， Zp)按像素方式映射到已捕捉的精密網(wǎng)格定位幕的圖像中，如圖3，圖4所示；
(三)根據(jù)已知的精密網(wǎng)格真實寬度及光斑中心像素坐標αρ，、)在某一個網(wǎng)格中的位 置，對該網(wǎng)格采取計算機圖形計算方法即可計算出光斑中心的真實坐標(Xp 4)，具體的圖 像計算方法如下
設(shè)觀測坐標原點在整個網(wǎng)格的左下角，網(wǎng)格的間距為L，則光斑中心在網(wǎng)格坐標系的位 置為
Xr = NxXL+ Xn(1 - 1)
Zr = NzXL + Zn(1 - 2)
式中
6Nx——從光斑中心向左完整網(wǎng)格的數(shù)量 Nz——從光斑中心向下完整網(wǎng)格的數(shù)量 Xn——在一個網(wǎng)格內(nèi)距左側(cè)格線的距離 Zn—在一個網(wǎng)格內(nèi)距底部格線的距離
從圖及計算公式中可看出，鏡頭的非線性誤差影響被縮小在了一個網(wǎng)格內(nèi)，即χη、4中 帶有非線性的影響，網(wǎng)格尺寸為5mmX5mm，所有網(wǎng)格的實際寬度均為L，光斑中心所在網(wǎng)格 的水平像素數(shù)目為Lxp個，左側(cè)網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lxp。，光斑中心所在網(wǎng)格的垂直像 素數(shù)目為Lzp個，底部網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lzp。，則W由下式確定
Xn = (Xp - Lxpo) / LxpXL(2 — 1)
Zn = (Zp-Lzpo) / LzpXL(2-2)
實際中網(wǎng)格的水平線不可能與攝像機的行掃瞄線平行，即使部分平行，由于鏡頭非線 性其它部分也還會有夾角；計算時要先查找出網(wǎng)格4個角的坐標，如圖5所示Plt (XijZ1), prt (x2, z2),Plb (x3, z3)>prb α4，ζ4))，并根據(jù)這4個點的像素坐標確定出4條像素坐標直 線方程
網(wǎng)格水平向頂部格線方程(Plt(X1'Z1)、]D rt(X2，Z2))(3 -網(wǎng)格水平向底部格線方程(Plb(X3，Z^)、]D rb(X4J Τ- ))(3-2)網(wǎng)格垂直向左側(cè)格線方程(Plt(X1'Z1)、]〕lb(X3，)):(3-3)網(wǎng)格垂直向右側(cè)格線方程(Prt(X2，Zr)、]D rb(X4J Τ- ))(3-4)
由于其中水平的兩條線斜率Kxl、Kx2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kxl =Kx2 = O,垂直的兩條斜率Kzl、Kz2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kzl =Kz2 = 1，再根據(jù)光斑坐標(Xpjp)做出斜率分別*ΚΧ、ΚΖ的兩條經(jīng)光斑中心的十字 線，禾_這6條線分別計算出，、、、。、、、Izp。，再帶入上式計算，求出Χη、Ζη。其算法較為 簡單，這里就不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種真空激光光斑中心精密網(wǎng)格定位方法，其特征在于包括下列步驟(一)在接收端安裝精密網(wǎng)格定位幕，接收端的坐標原點設(shè)在定位幕網(wǎng)格的左下角，定 位幕不隨攝像機移動，調(diào)整更換攝像機時，只要將幕的全景調(diào)整到攝像機的有效拍攝范圍 內(nèi)即可，該精密網(wǎng)格定位幕是由若干等間距方格和加粗的邊框組成，精密網(wǎng)格定位幕與一 套可自動控制的電機驅(qū)動支架配合，以實現(xiàn)自動控制幕的閉合及拉開；具體的數(shù)據(jù)采集控 制流程為(1)在計算機的控制下向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕閉合命令，接收端控制器 驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的閉合；(2)數(shù)據(jù)采集程序判斷定精密網(wǎng)格定位幕閉合正常后，通過控制架設(shè)在接收端的高精 度攝像機對精密網(wǎng)格定位幕的圖像進行捕捉、并判斷捕捉的圖像是否正常；如果捕捉的圖 像符合程序要求，保存圖像到內(nèi)存或硬盤，并向接收端控制器發(fā)送精密網(wǎng)格定位幕拉開命 令，接收端控制器驅(qū)動電機完成精密網(wǎng)格定位幕的拉開，切換到激光光斑接收幕；(3)數(shù)據(jù)采集程序判斷精密網(wǎng)格定位幕拉開正常后，依次控制各個測點波帶板進入光 路，在光斑接收幕上形成測點光斑，攝像機依次完成各個測點光斑圖像的捕捉，并利用圖像 計算方法雙峰法，計算出光斑中心在攝像機像素坐標系上的坐標值；(二)在兩次捕捉圖像精密網(wǎng)格定位幕圖像及光斑圖像的過程中，攝像機的位置沒有 發(fā)生任何變化，因此，兩幅圖像的像素坐標是重合的；將計算出來的光斑中心像素坐標αρ， Zp)按像素方式映射到已捕捉的精密網(wǎng)格定位幕的圖像中；(三)根據(jù)已知的精密網(wǎng)格真實寬度及光斑中心像素坐標αρ，、)在某一個網(wǎng)格中的位 置，對該網(wǎng)格采取計算機圖形計算方法即可計算出光斑中心的真實坐標(U》。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述一種真空激光光斑中心精密網(wǎng)格定位方法，其特征在于步驟 (三)中具體的圖像計算方法如下設(shè)觀測坐標原點在整個網(wǎng)格的左下角，網(wǎng)格的間距為L，則光斑中心在網(wǎng)格坐標系的位 置為Xr = NxXL+ Xn(1 - 1)Zr = NzXL + Zn(1 - 2)式中Nx——從光斑中心向左完整網(wǎng)格的數(shù)量 Nz——從光斑中心向下完整網(wǎng)格的數(shù)量 Xn——在一個網(wǎng)格內(nèi)距左側(cè)格線的距離 Zn—在一個網(wǎng)格內(nèi)距底部格線的距離從圖及計算公式中可看出，鏡頭的非線性誤差影響被縮小在了一個網(wǎng)格內(nèi)，即χη、4中 帶有非線性的影響，網(wǎng)格尺寸為5mmX5mm，所有網(wǎng)格的實際寬度均為L，光斑中心所在網(wǎng)格 的水平像素數(shù)目為Lxp個，左側(cè)網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lxp。，光斑中心所在網(wǎng)格的垂直像 素數(shù)目為Lzp個，底部網(wǎng)格線的起始像素坐標為Lzp。，則W由下式確定 Xn = (Xp - Lxpo) / LxpXL(2 — 1)Zn = (Zp-Lzpo) / LzpXL(2-2)實際中網(wǎng)格的水平線不可能與攝像機的行掃瞄線平行，即使部分平行，由于鏡頭非線 性其它部分也還會有夾角；計算時要先查找出網(wǎng)格4個角的坐標，Plt (X15Z1)^Prt (X2, Z2),Plb (X3，W、Prb (X4, Z4)),并根據(jù)這4個點的像素坐標確定出4條像素坐標直線方程網(wǎng)格水平向頂部格線方程(Plt(X1'Z1)、]D rt(X2，Z2))(3 -1)網(wǎng)格水平向底部格線方程(Plb(X3，Z^)、]D rb(X4J Τ- ))(3 -2)網(wǎng)格垂直向左側(cè)格線方程(Plt(X1'Z1)、]〕lb(X3，)):(3 -3)網(wǎng)格垂直向右側(cè)格線方程(Prt(X2，Zr)、]D rb(X4J Τ- ))(3 -4)由于其中水平的兩條線斜率Kxl、Kx2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kxl =Kx2 = O,垂直的兩條斜率Kzl、Kz2相同，當(dāng)網(wǎng)格的水平線與攝像機的行掃瞄線平行 時，Kzl =Kz2 = 1，再根據(jù)光斑坐標(Xpjp)做出斜率分別*KX、KZ的兩條經(jīng)光斑中心的十字 線，利用這6條線分別計算出，LXP、LXP。、LZP、Izp。，再帶入上式計算，求出Xn、&。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種真空激光光斑中心精密網(wǎng)格定位方法，屬于建筑物位移監(jiān)測領(lǐng)域。在接收端安裝精密網(wǎng)格定位幕，接收端的坐標原點設(shè)在定位幕網(wǎng)格的左下角，定位幕不隨攝像機移動，根據(jù)已知的精密網(wǎng)格真實寬度及光斑中心像素坐標在某一個網(wǎng)格中的位置，對該網(wǎng)格采取計算機圖形計算方法即可計算出光斑中心的真實坐標。利用精密網(wǎng)格確定攝像機像素坐標與網(wǎng)格坐標的關(guān)系，減小了攝像機鏡頭非線性畸變產(chǎn)生的觀測誤差，并可精確計算光斑中心位置的真實變化，極大的提高了系統(tǒng)的觀測精度。
文檔編號G01C11/12GK102072724SQ20101055558
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者姜盛吉, 孟中, 徐小武, 徐巖彬, 李俊富, 李克綿, 王德庫, 王科峰, 蘇加林, 苑潤保, 范寶山, 金正浩 申請人:中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司