一種長基線光學交會測量的像點快速匹配方法
【專利摘要】一種長基線布站相機間像點群快速匹配方法，先對兩站相機中像點進行畸變像差修正，再將相機1和相機2中像點投影變換到平行于兩相機測量基線的同一投影像面內(nèi),再將相機1和相機2像面變換到距三維空間坐標系水平軸同一水平高度，平行變換處理后,兩站相機像點分別按距三維坐標系水平軸的高度排序；若兩像點距三維空間坐標系水平軸高度差小于等于設定匹配閾值，則為正確匹配點。本發(fā)明只需比較像點與坐標系水平軸高度差，不需點到直線距離等復雜計算，有效減小像點匹配計算復雜度，省去大量重復計算，可實現(xiàn)兩站相機同名像點快速準確匹配，有效提高長基線光學交會測量像點群匹配速度和匹配正確率。
【專利說明】一種長基線光學交會測量的像點快速匹配方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間點群目標三維坐標光學交會測量和工業(yè)非接觸式立體測量技術(shù) 領域，涉及到多臺光電經(jīng)煒儀相機像點快速匹配方法的創(chuàng)新性改進。

【背景技術(shù)】
[0002] 在靶場光學交會測量和工業(yè)非接觸式三維測量等領域，利用兩臺或兩臺以上長基 線布站分布式光電經(jīng)煒儀相機組成的空間坐標測量系統(tǒng)，交會測量空間點群目標三維坐 標，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)點，已成為空間點群三維立體測量的 一種重要手段。一臺測量站相機可測出目標的在像面上的投影坐標位置，只有通過兩臺或 多臺相機之間的像面位置坐標交會計算才能得到目標的空間三維坐標。因此交會測量空間 點群目標三維坐標，需解決不同測量站像點同名點匹配問題，即任給空間多目標群中任意 一點，分別成像到兩臺相機，已知其在相機1像面中像點位置，精確尋求其在相機2像面的 對應位置，實現(xiàn)交會得到空間坐標。
[0003] 截止目前空間點群目標光學交會測量普遍采用"異面直線剔除誤匹配點法"進行 點群目標像點匹配，該方法具有形象、直觀的優(yōu)點。
[0004] 但該方法基于"兩個測量站之間先兩兩窮舉交會，再利用空間交會點異面直線之 間的距離剔除誤匹配點"的思想進行匹配，由于窮舉交會，視場中目標增多時，計算量呈幾 何級數(shù)增加，該方法存在以下問題：1)設兩臺相機正確匹配點對為n，則運算量為2*nn數(shù)量 級，重復計算量巨大且匹配效率低下；2)由于窮舉交會得到大量誤匹配點，該方法會得到# 個匹配點對，其中η*(η-1)個為誤匹配點，誤匹配點太多，剔除誤匹配點運算量巨大；3)剔 除誤匹配點困難，存在正確匹配率低的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種長基線光學交會測量的像點快速高效匹配方法，該方法基 于像面投影極線約束原理，將投影像面平行歸一化校正處理，可有效地提高匹配正確率和 效率，從而提高多目標點群光學交會三維空間坐標測量的實時性和自動化程度，克服了現(xiàn) 有匹配方法正確率和效率低下問題，解決了多站光電經(jīng)煒儀長基線布站測量多目標像點的 匹配實時性和自動交會問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] 一種長基線光學交會測量的像點快速匹配方法，包括以下步驟：
[0008] 1)獲取像點坐標值：
[0009] 獲取三維空間點群在相機1和相機2成像像面上的像點坐標值；
[0010] 2)投影面平行歸一化計算：
[0011] 2. 1)由相機1和相機2攝影模型的投影中心Ol和02的連線得到測量基線01-02 ;
[0012] 2. 2)相機1像面變換到平行于測量基線01-02投影像面；
[0013] 2. 3)相機2像面變換到平行于測量基線01-02投影像面；
[0014] 3)像點群快速匹配：
[0015] 3. 1)相機 1 像點群{Ρ1_Γ，Ρ1_2'，Ρ1_3'}和相機 2 像點群{Ρ2_Γ，Ρ2_2'，Ρ2_3'} 中所有點按像點距坐標系OXY水平X軸高度由高到低排序；
[0016] 3. 2)依序由像點距三維空間坐標系OXY水平X軸高度，從高到低遍歷比較相機1 和相機2像點高度；
[0017] 若相機1與相機2像點距三維坐標系OXZ水平面高度差|d|小于等于設定的匹配 閾值Ε，則兩相機像點為正確匹配點對；
[0018] 若兩站相機像點高度差|d|大于設定的匹配閾值Ε，則繼續(xù)判斷d大于零還是小于 零：
[0019] 若d〈0,則選取相機2像點群中距水平X軸次高點P2_2'（X22,Y22)，同理計算兩像 點y軸坐標之差d，直到找到相機2中像點與相機1像點Ρ1_Γy軸坐標之差IdI〈 =E，則 相機2中該像點為相機1像點Ρ1_Γ中正確匹配點；若搜尋完相機2中所有像點，仍找不 到|d|〈=E的像點，則相機1中像點Ρ1_Γ在相機2中無正確匹配點，選取相機1中像點 Pl_2'重新開始上述匹配；
[0020] 若d>0,則相機1像點Ρ1_Γ在相機2中無正確匹配像點；直接選取相機1中第2 個像點Pl_2'重新開始上述步驟迭代匹配；
[0021] 3. 3)依次類推，直至遍歷完相機1像面上所有像點為止。
[0022] 上述方法還包括投影面平行歸一化計算步驟之前對相機1和相機2的像點群進行 修正的像點匹配像差修正處理步驟：
[0023] 通過相機標定法得到相機1和相機2各自的透鏡畸變系數(shù)，依據(jù)各自的透鏡畸變 系數(shù)對光測像點像面坐標值光學畸變像差進行修正。
[0024] 上述相機1像面變換到平行于測量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟：
[0025]a.由測量基線01-02與相機1像平面空間位置關(guān)系，得到相機1像面平行于測量 基線01-02且通過相機1像面中心Ml的坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣；
[0026]b.由a中得到的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，對相機1像面中像點群{Pl_l，Pl_2,Pl_3}進行同 樣的坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到相機1平行變換處理后的點群{Ρ1_Γ，P1_2'，P1_3' };
[0027]c.相機1像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換到通過相機1像面中心ΜΓ且平行于測量基線01-02 的投影成像像面Tl。
[0028] 上述相機2像面變換到平行于測量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟：
[0029]a.由測量基線01-02與相機2像平面空間位置關(guān)系，得到相機2像面平行于測量 基線01-02且通過相機2像面中心M2的坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣；
[0030] b.經(jīng)上述旋轉(zhuǎn)變換后的相機2投影像面再沿三維空間坐標系深度軸方向0Z，前后 移動到與相機1像面中心ΜΓ同一深度，即相機2平移后像面中心M2'與相機1像面中心 Ml距三維空間坐標系垂直面OXY距離相同；最后再將相機2投影像面沿三維空間坐標系垂 直軸方向0Y，上下移動到與相機1像面中心ΜΓ同一水平高度，即相機2平移后像面中心 M2'與相機1像面中心ΜΓ距三維空間坐標系水平面OXZ距離相同；
[0031] C.由2.3)中旋轉(zhuǎn)變換矩陣和兩次平移變換矩陣，對相機2像面中像點群 {P2_l，P2_2,P2_3}進行同樣的坐標旋轉(zhuǎn)和平移變換得到相機2平行變換歸一化處理后的 點群{Ρ2_Γ，P2_2'，P2_3' };
[0032] d.相機2像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)和坐標平移變換到通過相機2平移后像面中心M2'且平行 于測量基線01-02的投影成像像面T2。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 1)現(xiàn)有光學交會測量像點匹配方案是先窮舉匹配交會，再剔除錯誤匹配點對。而 本發(fā)明利用兩站相機投影像點滿足匹配像差修正后的投影極線約束原理，同現(xiàn)有窮舉匹 配法比較，像點搜索范圍由原來的二維平面搜索范圍，縮小為一維線搜索范圍，節(jié)約了計算 量，提高了匹配速度。
[0035] 2)本發(fā)明在極線約束匹配的基礎上，進一步提出投影像面平行于相機測量基線的 平行歸一化快速匹配方法，該方法通過坐標旋轉(zhuǎn)和平移變換，將兩站相機像面變換到距三 維空間坐標系水平面同一高度的投影像面上，在兩站相機像點匹配時，只需判斷兩站像點 距距三維空間坐標系水平面高度是否小于設定匹配閾值，即可完成像點間的快速匹配，不 需要常規(guī)極線約束匹配方案中，點到直線距離的大量重復性復雜運算。該方法可完成像點 的有序匹配，降低了匹配計算的復雜度，匹配速度呈加速趨勢，可大大提高匹配速度，從而 實現(xiàn)兩站相機像點群的快速準確匹配，突破了長基線點群目標交會測量的像點快速準確匹 配技術(shù)瓶頸，通過實驗驗證該方法同現(xiàn)有方法比較，具有計算量小、匹配速度快、正確率高、 實現(xiàn)簡單的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0037] 圖2是共面投影極線約束示意圖；
[0038] 圖3平行歸一化后像點匹配示意圖；
[0039] 圖4匹配閾值誤差帶示意圖。

【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明方法的實施流程如圖1所示，主要包括匹配像差修正、投影面平行歸一化 計算和點群快速匹配步驟。
[0041] 1.匹配像差修正
[0042] 光學交會測量通常布設多臺測量站相機測量基線長度從幾百米到幾十公里不等， 由于各站透鏡畸變影響不同，需先對各站光測像點位置分別進行匹配像差修正。
[0043] 1)透鏡畸變像差修正：三維空間點群{Dl，D2,D3}分別成像投影到相機1和相機 2像面得到相機1像點{Pl_l，Pl_2,Pl_3}和相機2像點{P2_l，P2_2,P2_3}，由兩站相機圖 象得到像點坐標位置；
[0044] 2)通過兩相機各自的透鏡畸變模型，修正光學畸變誤差。
[0045] 透鏡畸變校正模型為：
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種長基線光學交會測量的像點快速匹配方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 獲取像點坐標值： 獲取三維空間點群在相機1和相機2成像像面上的像點坐標值； 2) 投影面平行歸一化計算： 2. 1)由相機1和相機2攝影模型的投影中心01和02的連線得到測量基線01-02 ; 2. 2)相機1像面變換到平行于測量基線01-02投影像面； 2. 3)相機2像面變換到平行于測量基線01-02投影像面； 3) 像點群快速匹配： 3. 1)相機 1 像點群，Pl_2'，Pl_3' }和相機 2 像點群{P2_l'，P2_2'，P2_3' } 中所有點按像點距坐標系〇XY水平X軸高度由高到低排序； 3. 2)依序由像點距三維空間坐標系0XY水平X軸高度，從高到低遍歷比較相機1和相 機2像點高度； 若相機1與相機2像點距三維坐標系0XZ水平面高度差| d |小于等于設定的匹配閾值 E，則兩相機像點為正確匹配點對； 若兩站相機像點高度差|d|大于設定的匹配閾值E，則繼續(xù)判斷d大于零還是小于零： 若d〈0,則選取相機2像點群中距水平X軸次高點P2_2'（X22, Y22)，同理計算兩像點y 軸坐標之差d，直到找到相機2中像點與相機1像點Pl_l' y軸坐標之差| d |〈 = E，則相機 2中該像點為相機1像點Pl_l'中正確匹配點；若搜尋完相機2中所有像點，仍找不到| d|〈 =E的像點，則相機1中像點Pl_l'在相機2中無正確匹配點，選取相機1中像點Pl_2'重 新開始上述匹配； 若d>0,則相機1像點Pl_l'在相機2中無正確匹配像點；直接選取相機1中第2個像 點Pl_2'重新開始上述步驟迭代匹配； 3. 3)依次類推，直至遍歷完相機1像面上所有像點為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長基線光學交會測量的像點快速匹配方法，其特征在于：還 包括投影面平行歸一化計算步驟之前對相機1和相機2的像點群進行修正的像點匹配像差 修正處理步驟： 通過相機標定法得到相機1和相機2各自的透鏡畸變系數(shù)，依據(jù)各自的透鏡畸變系數(shù) 對光測像點像面坐標值光學畸變像差進行修正。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長基線光學交會測量的像點快速匹配方法，其特征在 于： 所述相機1像面變換到平行于測量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟： a. 由測量基線01-02與相機1像平面空間位置關(guān)系，得到相機1像面平行于測量基線 01-02且通過相機1像面中心Ml的坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣； b. 由a中得到的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，對相機1像面中像點群{Pl_l，Pl_2, Pl_3}進行同樣的 坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到相機1平行變換處理后的點群{Pl_l'，P1_2'，P1_3' }; c. 相機1像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換到通過相機1像面中心Ml'且平行于測量基線01-02的投 影成像像面T1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的長基線光學交會測量的像點快速匹配方法，其特征在 于： 所述相機2像面變換到平行于測量基線01-02投影像面，主要包括以下步驟： a. 由測量基線01-02與相機2像平面空間位置關(guān)系，得到相機2像面平行于測量基線 01-02且通過相機2像面中心M2的坐標旋轉(zhuǎn)變換矩陣； b. 經(jīng)上述旋轉(zhuǎn)變換后的相機2投影像面再沿三維空間坐標系深度軸方向0Z，前后移動 到與相機1像面中心Ml'同一深度，即相機2平移后像面中心M2'與相機1像面中心Ml距 三維空間坐標系垂直面0XY距離相同；最后再將相機2投影像面沿三維空間坐標系垂直軸 方向0Y，上下移動到與相機1像面中心Ml'同一水平高度，即相機2平移后像面中心M2'與 相機1像面中心Ml'距三維空間坐標系水平面0XZ距離相同； c. 由2.3)中旋轉(zhuǎn)變換矩陣和兩次平移變換矩陣，對相機2像面中像點群 {P2_l，P2_2, P2_3}進行同樣的坐標旋轉(zhuǎn)和平移變換得到相機2平行變換歸一化處理后的 點群{P2_l'，P2_2'，P2_3' }; d. 相機2像面中經(jīng)旋轉(zhuǎn)和坐標平移變換到通過相機2平移后像面中心M2'且平行于測 量基線01-02的投影成像像面T2。
【文檔編號】G06T7/00GK104504683SQ201410723550
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】程志遠, 折文集, 李艷, 張欣 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所