CN103604411B - 基于图像识别的经纬仪自动准直方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别的自动经纬仪准直测量方法，其测量设备由内置驱动马达的电子经纬仪、微型测量相机和固定工装组成，通过微型测量相机对电子经纬仪进行自动准直测量的引导，标定图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系以及标定焦距处于准直观测状态下电子经纬仪偏转角度量与微型测量相机像素数量的关系，自动提取准直返回光和电子经纬仪目镜十字丝和偏差关系并直到准直。本发明采用的基于图像识别的经纬仪自动准直方法，由图像记录和分析的方法替代传统的人眼观测的方法，保证了在长时间测量情况下的测量稳定性，提高了测量的工作效率。

Description

基于图像识别的经纬仪自动准直方法

技术领域

本发明属于工业测量领域，具体涉及一种用于经纬仪自动准直测量的方法。

背景技术

精度测量是卫星和星上仪器可靠运行的重要保证环节。为了保证卫星的正常飞行和工作，必须在地面总装时对卫星的结构外形和有精度要求的仪器设备进行几何精度测量，如卫星上的地球敏感器、太阳和星敏感器、惯性器件等姿态敏感仪器；10N推力器、490N发动机等推力组件；天线、相机等传感通信设备。被测量的设备一般被测设备上已被标定的光学立方镜进行表征，被测仪器的坐标系坐标轴由光学立方镜的反射面法线代表。目前的测量方法是采用高精度的电子经纬仪进行人工准直测量。经纬仪内置有同目镜观测十字丝重合的十字光源，测量时首先将经纬仪的望远镜镜筒调焦至无穷远状态，利用十字光源照射被测立方镜面并通过目镜观测镜面的返回光，操作经纬仪使得返回光同目镜十字丝重合，此时经纬仪的观测光轴（十字光源照射方向）同镜面法向一致，通过对经纬仪的水平和竖直角度的数据记录完成对镜面法向的测量。

高精度电子经纬仪测量技术的实时性、非接触、机动性及高精度显著地提高了航天器精测的速度和精度，为目前航天器精测任务的顺利完成提供了重要的设备支持。但是目前的测量方法主要依赖于人工的观测和操作，其内置驱动马达的功能并未被有效利用，在长时间、远距离、多任务的情况下，测量误差会因为人眼的观测误差而变大，同时测量效率也会降低。特别是随着型号研制任务的不断增加，经常都会出现人少工作量大的任务情况，人眼的观测误差也逐渐成为了影响系统测量精度的一个重要环节。比如工人在连续测量超过4个小时后，人眼的观测误差会变大，尤其在晚上加班测量时，工人会因视觉疲劳而造成视力下降，人眼的瞄准精度将会更低，这都将会引起测量效率和测量精度的降低，甚至会耽误任务的进度。

而近年来，由于具有检测速度快、测量精度高、非接触测量等优点，图像传感器技术在实现现场检测、提高生产自动化程度以及实现特大尺寸的检测等方面展现出非常强大的发展前景。视觉引导测量技术能够克服人眼的观测误差，在很大程度上提高工作的效率，成为国内外测量领域内研究发展的热点和重点。

但是，这些现有的控制方式都无法做到随动控制，不够真实地反映装配需求并进行实时的控制。

发明内容

本发明的基于图像识别的自动经纬仪准直测量方法，是为了通过可视化的图像对经纬仪准直测量状态进行监视，利用图像的可量化分析特性指导经纬仪进行自动准直，最终实现经纬仪的自动准直测量，在提高测量效率的同时，消除人眼的观测误差，保证甚至提高经纬仪的测量精度。

本发明的技术方案如下：

基于图像识别的自动经纬仪准直测量方法，其测量设备由内置驱动马达的电子经纬仪、微型测量相机和固定工装组成，通过微型测量相机对电子经纬仪进行自动准直测量的引导，包括如下步骤：

(1)固定工装将微型测量相机同电子经纬仪进行连接固定，微型测量相机可通过电子经纬仪镜筒对电子经纬仪的测量视场进行无遮挡观测；

(2)标定微型测量相机与经纬仪的空间关系作为系统的工作内部参数，依次包括相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系（偏转系数和平移量）和焦距处于无穷远测状态（经纬仪进行准直时的焦距状态）下电子经纬仪角度偏量与微型测量相机拍摄图像中像素偏量的比例系数（水平十字丝方向比例系数和竖直方向比例系数）；

a.相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系（偏转系数和平移量）标定方法为：

设坐标系XOY为经纬仪目镜十字丝表征的基准坐标系，xoy为引导相机的像平面坐标系，两个坐标系为同平面同比例的旋转和平移线性变换，设这个转换关系为

X=p×x+q，Y=p×y+q （1）

式中（X,Y）为目标点在基准坐标系中的坐标值，基准坐标系通过对图像中的经纬仪十字丝进行提取，计算目标点到两个坐标轴的距离（像素数计量）即为这一坐标值；（x,y）为同一目标点在像平面坐标系中的坐标值，像平面坐标系以图像中心为坐标原点，平行像素排列方向和垂直像素排列方向构成坐标轴，计算目标点到两个坐标轴的距离（像素数计量）即为这一坐标值；p、q为转换关系系数；

在图像中任意取两个已知点A、B，设A在基准坐标系中的坐标值为（A1，A2），在像平面坐标系中的坐标值为（a1，a2），B在基准指标系中的坐标值为（B1，B2），在像平面坐标系中的坐标值为（b1，b2），通过这四组坐标值即可求解出基准坐标系与像平面坐标系的转换关系；

b.焦距处于准直观测状态下电子经纬仪偏转角度量与微型测量相机像素数量的关系的标定方法为：

将已固定连接微型测量相机的电子经纬仪稳定于状态1，记录状态1条件下经纬仪的水平角度和竖直角度，记录状态1条件下的微型测量相机的图像，将电子经纬仪进行水平角度和垂直角度偏转，稳定于状态2，记录状态2条件下经纬仪的水平角度和竖直角度，记录状态2条件下的微型测量相机的图像；

计算状态1和状态2中图像偏移的像素量，通过（1）中的标定关系将这一偏移量装换到在电子经纬仪观测坐标系下的两个偏移分量，对应于电子经纬仪状态1和状态2的水平角度和竖直角度的偏量，分别计算在电子经纬仪观测坐标系下两个坐标轴方向上的电子经纬仪的偏转角度量同微型测量相机像素偏差量的关系参数；在距离经纬仪视准轴不同偏转角的位置，电子经纬仪的偏转角度量同微型测量相机像素偏差量的关系并不是完全的线性关系，基于图像网格分布的参数标定方法，即将图像分割为N×M的若干区域，对每个区域都按照步骤（2）中的方法进行一次标定，在需要使用这一参数时根据目标位于图像的区域按照就近的原则选择对应区域的参数；

（3）自动提取准直返回光和电子经纬仪目镜十字丝和偏差关系

利用准直返回光和电子经纬仪目镜十字丝在图像中形状特征，通过基于灰度分析的方法在图像中提取出十字返回光的中心坐标以及电子经纬仪目镜十字丝的坐标，计算二者在图像中的像素偏差量；通过步骤（2）中标定的关系参数将像素偏差量转化为在电子经纬仪观测坐标系下水平轴和竖直轴的角度偏差量；

（4）将（3）中计算的角度偏差量以指令形式发送给电子经纬仪，驱动经纬仪按照设定角度进行偏转，直到完成准直。

上述方案中，采用的电子经纬仪为具有自准直功能和内置有驱动马达的电子经纬仪，可直接采用成熟的电子经纬仪产品；

上述方案中，采用的微型测量相机为微型定焦测量相机，可直接采用成熟的测量相机产品；

上述方案中，采用的固定工装为配合目镜及微型测量相机尺寸的工装，能够将微型测量相机固定在经纬仪目镜位置的同时，通过平行固定的方式保证微型测量相机的光轴与经纬仪的视准轴基本一致。

本发明采用的基于图像识别的经纬仪自动准直方法，由图像记录和分析的方法替代传统的人眼观测的方法，保证了在长时间测量情况下的测量稳定性，提高了测量的工作效率。

附图说明

图1为实施本发明的自动准直方法过程中相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间转换关系标定示意图。其中实线示意的XOY为经纬仪目镜十字丝表征的基准坐标系，虚线示意的xoy为由图像平面确定的像平面坐标系。

图2为实施本发明的自动准直方法过程中基于图像网格分布的参数标定方法即将图像分割为N×M的若干区域，对每个格网点都按照焦距处于准直观测状态下标定的示意图。其中白色点为图像中心点，黑色点为图像的格网点。

图3为基于图像识别的经纬仪自动准直测量系统的整体示意图。

其中，1为经纬仪目镜；2为固定工装；3为微型测量相机。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

如图3所示，本发明的基于图像识别的自动经纬仪准直测量方法使用的设备包括微型测量相机，该微型测量相机通过固定工装固定于经纬仪的目镜处，微型测量相机和固定工装之间以及固定工装与目镜之间采用螺钉卡紧的方式固定。通过电子经纬仪的测量镜筒对电子经纬仪的视场进行观测，进行测量时依次进行两种标定，具体实施方式如下：

（1）相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系（偏转系数和平移量）标定方法为：

设p、q为转换关系系数。如图1所示为相机拍摄的图像，采用人工绘制的方法用鼠标选取十字丝上的两点来获取水平十字丝线和竖直十字丝线，记录十字丝中心以及水平十字丝上的点和竖直十字丝上的点在图像中的像素位置。图像的中心点为o，像素排列的行方向为ox，像素排列的列方向为oy，经纬仪目镜十字丝中心在图像中显示为O，水平十字丝方向为OX，竖直十字丝方向为OY。设坐标系XOY为十字丝表征的基准坐标系，xoy为引导相机的图像平面坐标系。两个坐标系为同平面内的旋转和平移，数学关系为线性关系，设这个转换关系为

X=p×x+q，Y=p×y+q （1）

式中（X,Y）为目标点在基准坐标系中的像素坐标值，基准坐标系通过对图像中的经纬仪十字丝进行提取，计算目标点到两个坐标轴的距离（像素数计量）即为这一坐标值；（x,y）为同一目标点在图像平面坐标系中的像素坐标值，像平面坐标系以图像中心为坐标原点，平行像素排列方向和垂直像素排列方向构成坐标轴，计算目标点到两个坐标轴的距离（像素数计量）即为这一坐标值。

在图像中任意取点A，设A在基准坐标系中的坐标值为（A1，A2），在像平面坐标系中的坐标值为（a1，a2）。则有方程;

A1=p×a1+q和A2=p×a2+q;

求解方程可得：p=（A1-A2）/（a1-a2）,q=A1-（A1-A2）×/（a1-a2）。

（2）焦距处于无穷远测状态（经纬仪进行准直时的焦距状态）下电子经纬仪角度偏量与微型测量相机拍摄图像中像素偏量的比例系数标定方法为：

设K为水平方向上的比例系数，K′为竖直方向上的比例系数。在图像中设有两点C、D，C点在xoy坐标系下的像素坐标值为（C，D），D点在xoy坐标系下的像素坐标值为（c，d）,经过坐标系XOY与xoy的转换关系可以得到C点在XOY坐标系下的像素坐标值为（C′，D′），D点在XOY坐标系下的像素坐标值为（c′，d′）。经纬仪瞄准C点时，经纬仪的角度显示为（α（水平角），β（竖直角）），经纬仪瞄准D点时，经纬仪的角度显示为（α′（水平角），β′（竖直角））。

则水平方向上的比例系数K为：K=|α′-α|/|C′-C|;（如经纬仪瞄准D点时经纬仪转过了水平角度零点，则K=|α′+360-α|/|C′-C|;）

竖直方向上的比例系数K′为：K′=|β′-β|/|D′-D|。

由于在距离经纬仪视准轴不同偏转角的位置电子经纬仪的偏转角度量同微型测量相机像素偏差量的关系并不是完全的线性关系，因此采用基于图像网格分布的参数标定方法，如图2，将图像按照图像的行列方向分割为N×M的若干区域，其中白色原点为图像中心，定义其他行列交点（黑色点）为（D1，D2……）选在进行（2）的②标定时选取图像中心点位C，依次选取（D1，D2……）为D点进行标定，得出在每个D1、D2……点的水平方向上的比例系数K和竖直方向上的比例系数K′。

(3)在测量状态下通过微型测量相机对经纬仪的准直测量视场进行图像记录，在记录图像中采用steger法对图像中的准直十字光进行分割，提取出电子经纬仪的准直返回光的水平中心线点和竖直中心线点，再通过基于Hough变换的直线提取方法准直返回光中心线，通过交会计算得到十字丝中心在图像坐标系xoy下的像素坐标值（m,n），计算与（m,n）点距离最为接近的行列交点(D1，D2……)，设此交点处水平方向上的比例系数为K，竖直方向上的比例系数为K′。通过（2）中标定的内部参数转化为电子经纬仪的角度驱动量（γ，δ），具体计算方法为：

γ=(m×p+q)×K；

δ=(n×p+q)×K′。

(4)根据(3)中的电子经纬仪角度驱动量由计算机发送控制指令驱动电子经纬仪按照（γ，δ）进行角度偏转，达到准直状态。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (5)

1.基于图像识别的自动经纬仪准直测量方法，其测量设备由内置驱动马达的电子经纬仪、微型测量相机和固定工装组成，通过微型测量相机对电子经纬仪进行自动准直测量的引导，包括如下步骤：

(1)固定工装将微型测量相机同电子经纬仪进行连接固定，微型测量相机可通过电子经纬仪镜筒对电子经纬仪的测量视场进行无遮挡观测；

(2)标定微型测量相机与经纬仪的空间关系作为系统的工作内部参数，包括相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系即偏转系数和平移量和焦距处于无穷远观测状态即经纬仪进行准直时的焦距状态下电子经纬仪角度偏量与微型测量相机拍摄图像中像素偏量的比例系数；其中，

a.相机所拍摄图像的图像平面坐标系与经纬仪目镜十字丝观测坐标系间的转换关系即偏转系数和平移量标定方法为：

设坐标系XOY为经纬仪目镜十字丝表征的基准坐标系，xoy为引导相机的像平面坐标系，两个坐标系为同平面同比例的旋转和平移线性变换，设这个转换关系为

X＝p×x+q，Y＝p×y+q (1)

式中(X,Y)为目标点在基准坐标系中的坐标值，基准坐标系通过对图像中的经纬仪十字丝进行提取，计算目标点到两个坐标轴的距离即为这一坐标值；(x,y)为同一目标点在像平面坐标系中的坐标值，像平面坐标系以图像中心为坐标原点，平行像素排列方向和垂直像素排列方向构成坐标轴，计算目标点到两个坐标轴的距离即为这一坐标值；p、q为转换关系系数；

在图像中任意取两个已知点A、B，设A在基准坐标系中的坐标值为(A1，A2)，在像平面坐标系中的坐标值为(a1，a2)，B在基准值坐标系中的坐标值为(B1，B2)，在像平面坐标系中的坐标值为(b1，b2)，通过这四组坐标值即可求解出基准坐标系与像平面坐标系的转换关系；

b.焦距处于准直观测状态下电子经纬仪角度偏量与微型测量相机像素数量的关系的标定方法为：

将已固定连接微型测量相机的电子经纬仪稳定于状态1，记录状态1条件下经纬仪的水平角度和竖直角度，记录状态1条件下的微型测量相机的图像，将电子经纬仪进行水平角度和垂直角度偏转，稳定于状态2，记录状态2条件下经纬仪的水平角度和竖直角度，记录状态2条件下的微型测量相机的图像；

计算状态1和状态2中图像偏移的像素量，通过(1)中的标定关系将这一偏移量转换到在电子经纬仪观测坐标系下的两个偏移分量，对应于电子经纬仪状态1和状态2的水平角度和竖直角度的偏量，分别计算在电子经纬仪观测坐标系下两个坐标轴方向上的电子经纬仪角度偏量同微型测量相机像素偏差量的关系参数；在距离经纬仪视准轴不同偏转角的位置，电子经纬仪角度偏量同微型测量相机像素偏差量的关系并不是完全的线性关系，基于图像网格分布的参数标定方法，即将图像分割为N×M的若干区域，对每个格网交点都按照(b)中的方法进行一次标定，在需要使用这一参数时根据目标与图像中所有格网点的距离按照就近的原则选择对应格网点位置的参数；

(3)自动提取准直返回光和电子经纬仪目镜十字丝和偏差关系

利用准直返回光和电子经纬仪目镜十字丝在图像中形状特征，通过基于灰度分析的方法在图像中提取出准直返回光的中心坐标以及电子经纬仪目镜十字丝的坐标，计算二者在图像中的像素偏差量；通过(2)中标定的关系参数，将像素偏差量转化为在电子经纬仪观测坐标系下水平轴和竖直轴的角度偏差量；

(4)将(3)中计算的角度偏差量以指令形式发送给电子经纬仪，驱动经纬仪按照设定角度进行偏转，直到完成准直。

2.如权利要求1所述的方法，其中，电子经纬仪角度偏量与微型测量相机拍摄图像中像素偏量的比例系数包括水平十字丝方向比例系数和竖直十字丝方向比例系数。

3.如权利要求1所述的方法，其中，电子经纬仪为具有自准直功能和内置有驱动马达的电子经纬仪。

4.如权利要求1所述的方法，其中，采用的微型测量相机为微型定焦测量相机。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，采用的固定工装为配合目镜及微型测量相机尺寸的工装，能够将微型测量相机固定在经纬仪目镜位置的同时，通过平行固定的方式保证微型测量相机的光轴与经纬仪的视准轴基本一致。