专利名称：一种基于光束平差的三维重建方法
技术领域：
本发明涉及大尺寸摄影测量技术领域，特别涉及一种基于光束平差的三维重建方法。
背景技术：
随着我国国民经济的快速发展，在航空、航天、电子、汽车、武器装备等领域中的生产和加工中都对大尺寸测量精度提出了明确的期望和要求。如飞船推进舱测量(3m)、大型水轮机座环测量(12m)、大型雷达天线测量(10m)、大飞机机翼测量等，在这些大型工件装配生产过程中，都要精确定位工件的位置。随着数字化、自动化技术在大型工件装配过程中的广泛应用，大型工件的定位技·术已经由传统的手工定位向数字化、自动化和柔性化定位方向发展。大型工件的装配生产是一个复杂的系统工程，一个完整的装配体系应该是，在规定的时间内，按照统一的标准进行装配和调整，以装配出合格的产品。大型工业产品的在线生产过程包括装配，调整和检测。装配是其中的一个环节，在装配过程中，要通过一些测量手段获取到大型工件的定位位置。因此，对定位位置的测量精度和工件姿态的测量精度高低，直接影响到工件装配的质量效果。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光束平差的三维重建方法，提高对空间测量点的三维测量精度。本发明实施例提供一种基于光束平差的三维重建方法，包括在控制场，通过第一迭代过程标定数字相机的内方位参数；在测量场，将所述内方位参数作为已知值，通过具有第二迭代过程的空间后方交会方法标定所述数字相机的外方位参数；将所述内方位参数和所述外方位参数作为初始值，将所述测量场中的多个控制点和所述测量场的多个测量点的像点坐标作为观测值，通过基于共线条件方程式的光束平差法获取所述多个测量点的三维空间坐标值。本发明提供的基于光束平差的三维重建方法，通过第一迭代过程和第二迭代过程分别得到数字相机的内方位参数和外方位参数，并将通过第一迭代过程得到的内方位参数作为初始值参数到标定外方位参数的第二迭代过程，实现了对数字相机的内方位参数与外方位参数的分步标定，提高了数字相机的标定精度；将内方位参数和外方位参数作为初始值，通过基于共线条件方程式的光束平差方法获取空间测量点的三维空间坐标值，从而进一步提高了空间测量点在三维重建过程中的定位精度。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明基于光束平差的三维重建方法一个实施例的流程示意图；图2为本发明基于光束平差的三维重建方法又一个实施例的流程示意图；图3为本发明实施例中对空间测量点的三维重建示意图；图4为本发明实施例的重建结果与标准仪器的重建结果相比较的示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例中所述的光束平差(bundle adjustment)法,指的是把控制点的像点坐标、待定点(也可以为空间测量点)的像点坐标以及其他测量数据的一部分或全部均视为观测值，以整体地同时地求解它们的或是值(也即最终结果)和待定点空间坐标的解算方法。本发明实施例中通过光束平差法优化的参数包括数字相机的内方位参数(xo，10，f, kA，k3，P1, p2)、相机的外方位外参(Xs，Ys, Zs, Az, El, Roll)、空间测量点对应的物方空间坐标(X，Y, Z);其中，在内方位参数中，x0> y0表示主点坐标，f表示主距(包括第一坐标轴的轴向主距fx和第二坐标轴的轴向主距&)，匕、1^、1^、？1、？2表示数字相机的镜头的畸变系数，在外方位参数中，Xs、Ys、Zs表示数字相机的三个直线元素，Az、El、RolI表示数字相机的三个方位角元素。此外，本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中的控制场是用于为了标定摄像机的内方位参数而设置的，控制场中设置了多个编码标志点，多个编码标志点具体为具有高反射性能的人工标志点；本发明实施例中的测量场是为了测量被测目标所形成的测量场所，测量场中设置有需要进行三维重建的被测对象(被测对象例如可以为面型天线)，被测对象上设置有多个测量点。图I为本发明基于光束平差的三维重建方法一个实施例的流程示意图；如图I所示，本发明实施例具体包括如下步骤步骤101、在控制场，通过第一迭代过程标定得到数字相机的内方位参数；步骤102、在测量场，将内方位参数作为已知值，通过具有第二迭代过程的空间后方交会方法标定数字相机的外方位参数；步骤103、将内方位参数和外方位参数作为初始值，将测量场中的多个控制点和测量场中的多个测量点的像点坐标作为观测值，通过基于共线条件方程式的光束平差方法获取该多个测量点的三维空间坐标值。本发明实施例提供的基于光束平差的三维重建方法，通过第一迭代过程和第二迭代过程分别得到数字相机的内方位参数和外方位参数，并将通过第一迭代过程得到的内方位参数作为初始值参与到第二迭代过程标定数字相机的外方位参数，实现了对数字相机的内方位参数与外方位参数进行分步标定，提高了数字相机的标定精度；再进一步将内方位参数和外方位参数作为初始值，通过基于共线条件方程式的光束平差方法获取空间测量点的三维空间坐标值，进一步提高了空间测量点在三维重建过程中的定位精度。图2为本发明基于光束平差的三维重建方法又一个实施例的流程示意图，本发明实施例以约束条件具体包括正交性制约条件和比例尺一致条件为例进行示例性说明；如图2所示，本发明实施例具体可以包括如下步骤步骤201、在控制场，将数字相机的图像坐标系的第一坐标轴和第二坐标轴设置为垂直关系，使得相机模型符合正交性制约条件；步骤202、将数字相机的第一坐标轴的轴向和第二坐标轴的轴向之间的像素间距设置为一致以及将第一坐标轴和第二坐标轴的比例尺度相同，使得相机模型符合比例尺一致条件；步骤203、对位于控制场中的多个编码标志点和该多个编码标志点相应的空间坐标通过直接线性变换方法标定该相机模型的内方位参数初值； 步骤204、将内方位参数初值和相机模型作为直接线性变换方法的已知量，通过第一迭代过程标定数字相机的内方位参数；步骤205、在测量场，通过数字相机获取设定数量不同方位的测量场中的多幅图像，该多幅图像上均包括多个控制点的像点和多个测量点的像点；步骤206、根据该多个控制点的三维空间坐标和多幅图像上相应的多个控制点的多个像点坐标通过第二迭代过程获取相应的共线条件方程的像点误差方程；步骤207、通过像点误差方程获取相机模型的外方位参数；步骤208、将步骤204得到的内方位参数作为内参初值，将步骤207得到的外方位参数作为外参初值，通过多片空间前方交会方法计算多个测量点的初始三维空间坐标；步骤209、根据像点误差方程式获取光束平差的第二误差方程矩阵；步骤210、通过内参初值、外参初值和多个测量点的初始三维空间坐标对第二误差方程矩阵进行平差处理，根据观测值确定是否停止该平差运算，并得到该多个测量点的三维空间坐标值。本领域普通技术人员可以理解的是，在直接线性变换(Direct LinearTransformation,简称DLT)方法中，由共线方程可以得出像点的图像坐标(x, y)和相应测量点的物方空间坐标(X，Y，Z)之间直接的线性关系式，该线性关系式可以通过11个λ系
厂 / I I 11
1I*3 4
数的矩阵L确定，其中矩阵i= /5 I6 I1 Z8，其中，(Hl3)和(15，16，17)无量纲，(14，
Illl
J9 iIO iIl 1 _
I8)是长度单位，(19，I10,111)的单位是长度的倒数；本领域技术人员可以理解的是，11个λ系数对应11个独立参数(Xs，Ys，Zs，(φ，ω，K)，X(l，yQ，f，ds，c^ )，其中，ds为比例尺不一致系数，(1β为不正交性角。在上述步骤201和步骤202中，将数字摄影测量系统中的数字相机的图像坐标系的第一坐标轴(具体可以为X轴)和第二坐标轴(具体可以为y轴)设置为垂直关系，从而使得相机模型符合正交性制约条件，即di3 =0 ;将数字相机的第一坐标轴的轴向和第二坐标轴的轴向之间的像素间距设置为一致，以及将第一坐标轴和第二坐标轴的比例尺度相同，从而使得相机模型符合比例尺一致条件，即ds=0。
在上述步骤203中，由测量场的控制点的像点坐标(X、y)和相应的物方空间坐标
(X，Y，Z)，通过DLT方法得出矩阵
权利要求
1.一种基于光束平差的三维重建方法，其特征在于，所述方法包括 在控制场，通过第一迭代过程标定数字相机的内方位参数； 在测量场，将所述内方位参数作为已知值，通过具有第二迭代过程的空间后方交会方法标定所述数字相机的外方位参数； 将所述内方位参数和所述外方位参数作为初始值，将所述测量场中的多个控制点和所述测量场的多个测量点的像点坐标作为观测值，通过基于共线条件方程式的光束平差法获取所述多个测量点的三维空间坐标值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述通过第一迭代过程标定数字相机的内方位参数的步骤之前还包括 将数字相机的图像坐标系的第一坐标轴和第二坐标轴设置为垂直关系，使得相机模型符合正交性制约条件； 将所述数字相机的所述第一坐标轴的轴向和所述第二坐标轴的轴向之间的像素间距设置为一致，以及将所述第一坐标轴和所述第二坐标轴的比例尺度相同，使得所述相机模型符合所述比例尺一致条件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过第一迭代过程标定数字摄影测量系统中的数字相机的内方位参数的步骤包括 对位于所述控制场中的多个编码标志点和所述编码标志点相应的空间坐标通过直接线性变换方法标定所述相机模型的内方位参数初值； 将所述内方位参数初值和所述相机模型作为直接线性变换方法的已知量，通过第一迭代过程标定所述数字相机的内方位参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一迭代过程的步骤包括 对所述相机模型进行线性化平差运算，得到所述相机模型对应的第一误差方程矩阵； 通过所述第一误差方程矩阵中的迭代判据确定是否停止所述平差运算。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述利用空间后方交会方法通过第二迭代过程标定所述数字相机的外方位参数的步骤包括 通过所述数字相机获取设定数量不同方位的所述测量场中的多幅图像，所述多幅图像上均包括多个控制点的像点和多个测量点的像点； 根据所述多个控制点的三维空间坐标和所述多幅图像上相应的多个控制点的多个像点坐标通过第二迭代过程获取相应的共线条件方程的像点误差方程； 通过所述像点误差方程获取所述相机模型的外方位参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二迭代过程的步骤包括 将所述数字相机的外方位参数初值代入所述像点误差方程的像点法方程中，计算得到多个控制点的像点坐标； 将所述多个控制点的像点坐标作为再次迭代的初值代入所述像点法方程中进行迭代，直到所述像点误差方程符合收敛判据，所述收敛判据为所述像点坐标的偏差的均方根误差小于第二预设阈值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过基于共线条件方程式的光束平差方法获取所述空间测量点的三维空间坐标值的步骤包括 将所述内方位参数作为内参初值，所述外方位参数作为外参初值，通过多片空间前方交会方法计算所述多个测量点的初始三维空间坐标； 根据像点误差方程式获取光束平差的第二误差方程矩阵； 通过所述初始值和所述多个测量点的初始三维空间坐标对所述第二误差方程矩阵进行平差处理，根据所述观测值确定是否停止所述平差运算，并得到所述多个测量点的三维空间坐标值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在得到所述多个测量点的三维空间坐标值之后还包括 将所述多个测量点的三维空间坐标值作为观测值，通过所述平差运算对所述内方位参数和所述外方位参数进行优化。
9.根据权利要求I 8任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过所述数字摄影测量系统的测量误差、标准仪器的测量误差、所述测量场的最大长度获取测量精度值。
全文摘要
本发明涉及一种基于光束平差的三维重建方法，该方法包括在控制场，通过第一迭代过程标定数字相机的内方位参数；在测量场，将所述内方位参数作为已知值，通过具有第二迭代过程的空间后方交会方法标定所述数字相机的外方位参数；将所述内方位参数和所述外方位参数作为初始值，将所述测量场中的多个控制点和所述测量场的多个测量点的像点坐标作为观测值，通过基于共线条件方程式的光束平差法获取所述多个测量点的三维空间坐标值。本发明实施例提供的基于光束平差的三维重建方法可以提高空间测量点在三维重建过程中的定位精度。
文档编号G01C11/00GK102889882SQ20121032265
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者董明利, 王君, 孙鹏, 祝连庆, 娄小平, 杜叶飞 申请人:北京信息科技大学