具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供的视觉测量系统结构参数测量的方法属于数字摄影测量，数字摄影测量是指基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的测量方法。

本发明实施例提供的视觉测量系统结构参数测量的方法，可以适用于视觉测量系统，也可以适用于手眼系统。

需要说明的是，视觉测量是根据摄像机获得的视觉信息对目标的位置和姿态进行测量。手眼系统是摄像机和机械手构成的机器人视觉系统。

进一步地，在一种可能的实施方式中，手眼系统为摄像机安装在机械手末端并随机械手一起运动的视觉系统。在另一种可能的实施方式中，为随云台或其他旋转机构运动的视觉系统。

本发明实施例提供的视觉测量系统结构参数测量的方法，可以适用于如图1所示的系统架构中，该系统架构包括载体100、陀螺仪200、摄像机300、靶标400以及服务器500。

具体的，载体100搭载陀螺仪200和摄像机300。针对多靶标，摄像机300拍摄同一靶标400多个主靶点的图像，每个主靶点的图像对应不同的摄像机300的拍摄位姿。

需要说明的是，当载体100围绕着载体世界坐标系的原点进行旋转时，陀螺仪200和摄像机300随着云台100的旋转而转动。

本发明实施例中，载体可以为云台、机械臂等旋转机构，本发明实施例对此不做具体限定。

摄像机300用于根据通过镜头聚焦于像平面的光线生成图像。

进一步地，靶标400有多个，每个靶标平面上随摄像机300拍摄位姿不同而有多个主靶点。

靶标400用于在被光照系统照射后将主靶点反射的光线被摄像机300捕捉。

服务器500用于获取摄像机300发送的图像并根据图像信息迭代求取主光轴旋转半径和焦切距。

需要说明的是，图1仅是本发明实施例系统架构的一种示例，本发明对此不做具体限定。

基于上述所示意的系统架构，图2为本发明实施例提供的一种视觉测量系统结构参数测量的方法所对应的流程示意图，如图2所示，该方法包括：

步骤201，获取主靶点相对于载体世界坐标系空间姿态的两种表达参数。

在多靶标各自靶内，对多组不同姿态的样本，将靶点和图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差迭代运算得到多组外方位元素和其中用于表示靶标坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵

需要说明的是，外方位元素包括六个参数，其中三个元素，用于描述摄影中心的空间坐标值另外三个是角元素，用于描述像平面的空间姿态

本发明实施例中，共线条件表达有两种，一种是表达靶点、像点和焦点三点位于一条直线的数学关系式；另一种是表达主靶点、焦点和主光轴旋转球的切点这三点共线，并利用主靶点矢量差代换，进行共球交会。

在一种可能的实施方式中，基于靶标相对于摄像机的后方交会所得姿态，主靶点相对于载体世界坐标系的空间姿态的具体计算如下：

其中，为靶标坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵，为摄像机坐标系到载体坐标系的旋转矩阵，为载体坐标系到陀螺初始位坐标系的旋转矩阵，为陀螺初始位坐标系到载体世界坐标系的旋转矩阵。

需要说明的是，陀螺初始位坐标系由导航模块决定。

本发明实施例中，载体坐标系即陀螺坐标系。

具体的，本发明实施例中的导航坐标系属于地心大地坐标系，因为卫星导航系统的全球性，这种坐标系基本上都是全球地心坐标系，也可以采用其他导航坐标系，本发明实施例对此不做具体限定。

进一步地，后方交会是指仅在待定点上设站，向两个已知控制点观测一个水平夹角A，从而计算待定点的坐标，称为后方交会。

具体的，本发明实施例中，基于靶标相对于摄像机的后方交会所得姿态，以摄像机的焦点为待定点即未知点，向两个已知点观测，两个已知点分别为靶标平面上的主靶点以及像平面上的像点。

在另一种可能的实施方式中，基于载体预设位，所述载体预设位与载体世界坐标系一致，主靶点对应的载体实际位相对于载体预设位的空间姿态的具体计算如下：

其中，为载体预设位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵，为陀螺初始位到载体预设位的旋转矩阵，为陀螺初始位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵。

需要说明的是，本发明实施例中，载体预设位即陀螺预设位。

具体的，本发明实施例中，基于靶标相对于摄像机与载体世界坐标系的相对姿态、陀螺值、焦点矢量和主靶点坐标，以视觉系统结构参数主光轴旋转半径ρ₀和焦切距d_z为待测参数，以这两种方式表达同一靶标内任意两主靶点间的矢量差，共球交会获得待测参数。

为了高效准确地测量结构参数，本发明实施例采用与载体世界坐标系一致的载体预设位，当载体预设位与载体世界坐标系不一致，在上述的基础上加入计算载体预设位到载体实际位的旋转矩阵，本发明实施例对此不做具体限定。

上述方案，通过两种不同的方式获取主靶点相对于载体世界坐标系空间姿态的两种表达参数，一种是基于靶标相对于摄像机的后方交会姿态、摄像机坐标系与载体坐标系的姿态、载体坐标系与陀螺初始位姿态和陀螺初始位坐标系到载体世界坐标系的姿态，另一种是从陀螺值出发，基于载体预设位和主靶点相对于载体实际位空间姿态的表达参数的获取，为结构参数测量精度的提高奠定了基础。

步骤202，建立两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量。

具体的，在一种可能的实施方式中，根据旋转矩阵得到主靶点A_n在载体世界坐标系中的第一种矢量表达：

其中，为主靶点在靶标坐标系中的矢量表达，为主靶点在载体世界坐标系中的矢量表达，为任一拍摄位姿时靶标坐标系到载体世界坐标系的旋转矩阵。

需要说明的是，上述针对同一靶标平面内的主靶点A_n。

在另一种可能的实施方式中，根据交会中心确定对应的主靶点以及主光轴与以主光轴为切线的旋转球的切点P_n，主靶点是像主点在前方靶标上的投影组A_n；主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线；主靶点A_n在载体世界坐标系中依据A_n、F_n和P_n三点共切线得到第二种矢量表达：

其中，为任一拍摄位姿时载体预设位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵，ρ₀为主光轴旋转半径，d_z为焦切距。

需要说明的是，本发明实施例中，交会中心为摄像机的焦点，旋转球为主光轴旋转过程中形成的切球体，焦切距为焦点F_n和切点P_n之间的距离。

上述方案，基于主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线，在线性空间解析的基础上建立两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量，使得视觉测量系统可以基于本身的结构建立世界坐标系。

步骤203，根据两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量，针对多靶标建立同一靶标内不同拍摄位姿的各主靶点间的矢量差表达。

具体的，根据第一种矢量表达建立第一矢量差表达为：

根据第二种矢量表达建立第二矢量差表达为：

其中，ρ₀为主光轴旋转半径，d_z为焦切距。

上述方案，根据两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量表达，建立同一靶标内不同拍摄位姿的各主靶点间的矢量差表达，通过采用矢量差使得共球交会比较简便。

步骤204，根据两种空间姿态参数表达的各主靶点间的矢量差，建立平差误差方程，根据共球交会迭代求取主光轴旋转半径和焦切距。

具体的，将第一矢量差使用泰勒方程在第二矢量差处展开，保留一次项：

其中

误差方程为：

其中，

误差方程表示为矩阵形式：

V＝AX-L

其中，V＝[v_x,v_y,v_z]^T，L＝[l_x,l_y,l_z]^T；

解得第n次迭代改正数为X＝(A^TA)^-1A^TL；

迭代运算X＝[dρ₀,d(d_z)]^T求取主光轴旋转半径ρ₀和焦切距d_z。

上述方案，通过建立平差误差方程，根据共球交会迭代求取主光轴旋转半径和焦切距，提高了视觉测量系统结构参数的精确度，使得可以基于测量系统本身的结构建立世界坐标系，进而可以实现基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。

进一步地，如图3所示，为主靶点相对于载体世界坐标系的空间姿态及矢量差示意图。

具体的，从图中可以看出，本发明实施例采用多个靶标，分为为靶标N、靶标N-1、靶标N-2等，点O_W为载体世界坐标系的坐标原点。

以靶标N为例，靶标N的靶标平面内包含多个主靶点A_n、A_n-1、A_n-2等，坐标系O_tN为靶标坐标系，坐标系O_i为导航坐标系，坐标系O_w为载体世界坐标系。

具体的，每一个主靶点对应一个摄像机位姿，一个摄像机位姿对应一条主光轴。

进一步地，以主靶点A_n所在的主光轴为例，O_bn为陀螺坐标系，O_cn为像平面坐标系，点O_cn为像主点，点O_cn为主靶点A_n在摄像机中的像，也就是说，点O_cn和主靶点A_n为一组对应投影点。

进一步地，从图中可以看出，主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线，从而主靶点A_n在载体世界坐标系中依据A_n、F_n和P_n三点共切线得到第二种矢量表达。

基于同样的原理，主靶点A_n-1、焦点F_n-1和切点P_n-1共线。

上述方案，由于主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线，主靶点A_n-1、焦点F_n-1和切点P_n-1共线，通过两组三点共切线分别表达A_n相对于O_W的矢量以及A_n-1相对于O_W的矢量，获得矢量差A_nA_n-1，使得结构参数的测量更加高效精确。

进一步地，如图4所示，为主靶点相对于载体预设位的空间姿态及矢量差示意图。

具体的，从图中可以看出，点O_W为载体世界坐标系的坐标原点。

以靶标N为例，靶标N的靶标平面内包含多个主靶点A_n、A_n-1、A_n-2等，坐标系O_i为导航坐标系，坐标系O_w为载体世界坐标系。

需要说明的是，点A_p为载体预设位时的虚拟主靶点，同样的，A_p、F_p、P_p三点共线。本发明实施例中，根据F_p、P_p的空间姿态获得A_p的空间姿态。

本发明实施例中，为了高效准确地测量结构参数，本发明实施例采用与载体世界坐标系一致的载体预设位，当载体预设位与载体世界坐标系不一致，采用载体预设位到载体世界坐标系的旋转矩阵，本发明实施例对此不做具体限定。

具体的，每一个主靶点对应一个摄像机位姿，一个摄像机位姿对应一条主光轴。

进一步地，以主靶点A_n所在的主光轴为例，O_bn为陀螺在载体实际位的坐标系。

进一步地，从图中可以看出，主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线，从而主靶点A_n在载体世界坐标系中依据A_n、F_n和P_n三点共切线得到第二种矢量表达。

基于同样的原理，主靶点A_n-1、焦点F_n-1和切点P_n-1共线。

上述方案，从陀螺仪出发，基于载体预设位，得到主靶点A_n在载体世界坐标系中的第二种矢量表达，在线性空间解析的基础上，实现结构参数的精准获取，使得视觉测量系统可以基于本身的结构建立世界坐标系，为进一步进行无靶标测量奠定了基础。

进一步地，实验证明，本发明实施例提供的视觉测量系统结构参数测量的方法得到的结构参数用于前方交会测量，误差为2.5％，实现了基于视觉测量系统自身结构参数的无标精确测量。

基于同一发明构思，图5示例性的示出了本发明实施例提供的一种视觉测量系统结构参数测量的系统，该系统可以为一种视觉测量系统结构参数测量的方法的流程。

所述系统，包括：

获取模块501，用于获取主靶点相对于载体世界坐标系空间姿态的两种表达参数；

处理模块502，用于建立两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量；

处理模块502，还用于根据两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量，针对多靶标建立同一靶标内不同拍摄位姿的各主靶点间的矢量差表达；

处理模块502，还用于根据两种空间姿态参数表达的各主靶点间的矢量差，建立平差误差方程，根据共球交会迭代求取主光轴旋转半径和焦切距。

进一步地，所述获取模块501具体用于：

在多靶标各自靶内，对多组不同姿态的样本，将每一姿态的靶点和图像两个平面上的一组对应投影点建立共线条件方程，进行光束平差迭代运算得到多组外方位元素和其中用于表示靶标坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵

基于靶标相对于摄像机的后方交会所得姿态，主靶点相对于载体世界坐标系的空间姿态的具体计算如下：

其中，为靶标坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵，为摄像机坐标系到载体坐标系的旋转矩阵，为载体坐标系到陀螺初始位坐标系的旋转矩阵，为陀螺初始位坐标系到载体世界坐标系的旋转矩阵；

基于载体预设位，所述载体预设位与载体世界坐标系一致，主靶点对应的载体实际位相对于载体预设位的空间姿态的具体计算如下：

其中，为载体预设位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵，为陀螺初始位到载体预设位的旋转矩阵，为陀螺初始位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵。

进一步地，所述处理模块502具体用于：

根据旋转矩阵得到主靶点A_n在载体世界坐标系中的第一种矢量表达：

其中，为主靶点在靶标坐标系中的矢量表达，为主靶点在载体世界坐标系中的矢量表达，为任一拍摄位姿时靶标坐标系到载体世界坐标系的旋转矩阵；

根据交会中心确定对应的主靶点以及主光轴与以主光轴为切线的旋转球的切点P_n，主靶点是像主点在前方靶标上的投影组A_n；主靶点A_n、焦点F_n和切点P_n共线；主靶点A_n在载体世界坐标系中依据A_n、F_n和P_n三点共切线得到第二种矢量表达：

其中，为任一拍摄位姿时载体预设位到主靶点对应的载体实际位的旋转矩阵，ρ₀为主光轴旋转半径，d_z为焦切距。

进一步地，所述处理模块502具体用于：

根据所述第一种矢量表达建立第一矢量差表达为：

根据所述第二种矢量表达建立第二矢量差表达为：

其中，ρ₀为主光轴旋转半径，d_z为焦切距。

进一步地，所述处理模块具体用于：

将所述第一矢量差使用泰勒方程在所述第二矢量差处展开，保留一次项：

其中

误差方程为：

其中，

误差方程表示为矩阵形式：

V＝AX-L

其中，V＝[v_x,v_y,v_z]^T，L＝[l_x,l_y,l_z]^T；

解得第n次迭代改正数为X＝(A^TA)^-1A^TL；

迭代运算X＝[dρ₀,d(d_z)]^T求取主光轴旋转半径ρ₀和焦切距d_z。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图6，所述电子设备具体包括如下内容：处理器601、存储器602、通信接口603和通信总线604；

其中，所述处理器601、存储器602、通信接口603通过所述通信总线604完成相互间的通信；所述通信接口603用于实现各设备之间的信息传输；

所述处理器601用于调用所述存储器602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述测量系统结构参数测量的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取主靶点相对于载体世界坐标系空间姿态的两种表达参数；建立两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量；根据两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量，针对多靶标建立同一靶标内不同拍摄位姿的各主靶点间的矢量差表达；根据两种空间姿态参数表达的各主靶点间的矢量差，建立平差误差方程，根据共球交会迭代求取主光轴旋转半径和焦切距。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述视觉测量系统结构参数测量的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取主靶点相对于载体世界坐标系空间姿态的两种表达参数；建立两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量；根据两种空间姿态参数表达的主靶点世界坐标矢量，针对多靶标建立同一靶标内不同拍摄位姿的各主靶点间的矢量差表达；根据两种空间姿态参数表达的各主靶点间的矢量差，建立平差误差方程，根据共球交会迭代求取主光轴旋转半径和焦切距。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，用户生活模式预测装置，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，用户生活模式预测装置，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的用户生活模式预测方法。

此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。