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1、(10)申请公布号 CN 102506900 A (43)申请公布日 2012.06.20 CN 102506900 A *CN102506900A* (21)申请号 201110364476.X (22)申请日 2011.11.17 G01C 25/00(2006.01) (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市高新园区凌工路 2 号 (72)发明人 杜海 李木国 孟娟 张群 王静 (74)专利代理机构 大连星海专利事务所 21208 代理人 徐淑东 (54) 发明名称 视觉测量系统中坐标方向校正方法及装置 (57) 摘要 本发明公开了一种视觉测量系统中坐标方向 校正装。
2、置及方法。本装置由三个发红光的 LED、 两个水平仪以及一个直角结构体组成 ； 两个水平 仪分别设置在直角结构体的两个直角边上 ； 三个 LED 分别设置在直角结构的三个角上， 作为三个 标志点， 并成直角排列， 发光面为平面。本发明可 以很好的解决工程应用中视觉测量系统的测量坐 标方向校正问题。将本发明加入到视觉测量系统 中可以将此作为一个模块， 从而更加推动视觉测 量系统的集成化 （出厂前做好视觉测量系统的定 标后， 出场后仅需按本发明的操作即可完成各种 测量需求， 无需再次进行定标操作） ， 大大简化视 觉测量系统的应用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图。
3、 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种视觉测量系统中坐标方向校正装置， 其特征在于， 所述视觉测量系统中坐标方 向校正装置由三个发红光的 LED、 两个水平仪以及一个直角结构体组成 ； 两个水平仪分别 设置在直角结构体的两个直角边上 ； 三个 LED 分别设置在直角结构的三个角上， 作为三个 标志点， 并成直角排列， 发光面为平面。 2. 根据权利要求 1 所述的视觉测量系统中坐标方向校正装置， 其特征在于， 所述直角 结构体表面主色调为黑色。 3. 一种视觉测量系统中坐标方向校正方法，。
4、 利用如权利要求 1 或 2 所述的视觉测量系 统中坐标方向校正装置进行方向校正， 包括以下步骤 ： 步 骤 A ： 确 定 直 角 结 构 体 的 坐 标 系 ： x 轴 向 与 直 角 结 构 体 的 一 条 直 角 边 相 同， y 轴 向 与 直 角 结 构 体 的 另 一 条 直 角 边 相 同， 坐 标 原 点 置 在 直 角 结 构 体 的 直 角 顶 点 处 的 标 志 点 的 中 心， 同 时 记 录 这 三 个 标 志 点 的 坐 标 值， 记 为 ，； 步骤 B ： 进行测量坐标方向的校正 ： 将该三角形结构体上的 LED 点亮， 然后按照需要的 测量坐标方向摆好该三角形。
5、结构体， 同时使用已经固定好的视觉测量系统进行三个标志点 的位置定位， 计算相应的坐标值， 记为，； 步骤 C ： 求解旋转矩阵 ： 设， 式中为当前坐标系到需要校正坐标系的三 行三列的旋转矩阵， 为平移矩阵 ； 步骤 D ： 令 ，； ，； 则有 ： ； 解得 ： ； 步骤 E ： 将视觉系统测量到的标志点的坐标使用旋转矩阵进行修正， 从而完成测量 坐标的修正。 权 利 要 求 书 CN 102506900 A 2 1/4 页 3 视觉测量系统中坐标方向校正方法及装置 技术领域 0001 本发明属于非接触式浮体运动测量装置利用计算机视觉原理通过图像处理 以及表征目标物的标志点的三维重构来实现。
6、运动目标的六个自由度运动测量， 本发明涉及 视觉测量系统中坐标方向校正方法及装置。 背景技术 0002 在海洋工程物理模型模拟试验中， 精确测量浮体在风， 浪， 流， 潮作用下的三维运 动轨迹， 对工程设计和科研十分重要。以往由于测量手段简单， 数据处理能力较差， 测量时 均是想办法将被测物理量转化为电信号， 再由相关仪器设备读出数据。这就要求测试用的 传感器必须与被测浮体接触在一起， 或是置于被测浮体内 （例如使用陀螺仪测量浮体的摇 角） ， 或是与被测浮体连接在一起 （例如用接触式六分量仪， 将被测浮体运动姿态的各个物 理量引出来） 。这两种方法中传感器都会或大或小的影响到被测浮体的运动状。
7、态， 使测量和 计算分析产生较大误差。实验室中研究缩小的模型的运动状态时， 接触式测量带给小比尺 模型的影响会更大， 从而影响实验的测量精度。 0003 非接触式浮体运动测量系统又称非接触式六分量仪 （如图 1 所示） ， 一般由工业相 机、 传输线缆、 图像采集卡以及微型计算机所组成。该系统的构建是根据计算机视觉原理， 利用图像分析对目标物运动的六个自由度参数的实时计算与数据显示。 因此， 该系统可以 非接触式地对目标物进行运动测量避免了接触式传感器对目标运动的干扰。 0004 当使用非接触式浮体运动测量系统对目标进行运动测量前， 为了更加准确的追踪 到目标物的运动， 需要在目标物上安装三个。
8、发光标志点 ； 测量过程中， 首先需要对视觉系统 进行定标， 完成图像坐标系统到世界坐标系统之间的转换 通过标志点的图像采集 - 目标识别 - 立体匹配 - 三维重构 - 运动量计算与六自由 度参量分解等几个步骤完成目标运动的动态监测、 记录与显示。 0005 在工程实践中， 使用上述的非接触式浮体运动测量系统对目标物进行测量时， 首 先得到的是测量坐标系下的标志点的坐标信息， 然后再根据三个标志点的坐标值进行运动 六个分量 （三个平移量与三个旋转量） 的分解计算， 因此测量坐标系的选定十分重要， 将直 接影响测量的结果。然而， 在实际使用时， 由于具体测试的内容不同， 需要在不同测量坐标 系。
9、下实时观测目标浮体运动的六个自由度的变化量。目前为了满足模型试验的实际需求， 往往通过以下两种方式进行测量坐标方向的确定或校正 ： 方法一 在现场通过系统的重复定标来完成 ： 将定标靶面与测量坐标系两个轴向所在 的平面重合， 同时使得靶面上的点的坐标符合测量坐标系。 这样定标完成后， 系统所测得的 六个自由度运动量便是在测量坐标方向下的映射量， 从而完成测量坐标系方向的校正。 0006 方法二 通过调整测量系统的位置来完成 ： 视觉系统定标完成后， 将这个视觉系统 进行位置调整， 使得测量后的结果与目的测量坐标方向下的测量结果相一致， 从而完成测 量坐标方向的校正。 0007 以上两种方法均可。
10、以对测量坐标系的方向进行确定或校正， 但操作过程较为复 说 明 书 CN 102506900 A 3 2/4 页 4 杂。 有时为了更换一下测量坐标系的方向， 需要很多的时间去做定标， 或者去进行视觉测量 系统的位置调整， 这一过程不仅严重影响了测量过程的效率， 而且某些时候是不可行的。 例 如， 当在深水水槽中进行浮体运动测量时， 测量系统的位置往往固定在一个特定的位置， 而 该位置受实验环境条件的影响是不可以更改的， 另外水槽中的水也不可能因为要改变测量 坐标方向而完全泄放掉 （资源的浪费） 。为了解决这些问题， 本发明提出了一套测量坐标校 正方法， 该方法的引入可以更好的完善非接触式浮体。
11、运动测量系统， 提高测量实验效率， 同 时也适用于绝大部分的视觉测量系统， 从而有利于视觉测量技术的推广。 发明内容 0008 为了克服上述现有技术视觉测量系统使用过程中的坐标方向校正问题， 本发明提 供了一种视觉测量系统中坐标方向校正装置。 0009 为了达到上述目的， 本发明提供的一种视觉测量系统中坐标方向校正装置由三个 发红光的 LED、 两个水平仪以及一个直角结构体组成 ； 两个水平仪分别设置在直角结构体 的两个直角边上 ； 三个 LED 分别设置在直角结构的三个角上， 作为三个标志点， 并成直角排 列， 发光面为平面。 0010 所述直角结构体表面主色调为黑色。 0011 本发明还提。
12、供了一种视觉测量系统中坐标方向校正方法， 利用上述视觉测量系统 中坐标方向校正装置进行方向校正， 包括以下步骤 ： 步 骤 A ： 确 定 直 角 结 构 体 的 坐 标 系 ： x 轴 向 与 直 角 结 构 体 的 一 条 直 角 边 相 同， y 轴 向 与 直 角 结 构 体 的 另 一 条 直 角 边 相 同， 坐 标 原 点 置 在 直 角 结 构 体 的 直 角 顶 点 处 的 标 志 点 的 中 心， 同 时 记 录 这 三 个 标 志 点 的 坐 标 值， 记 为 ，。 0012 步骤 B ： 进行测量坐标方向的校正 ： 将该三角形结构体上的 LED 点亮， 然后按照需 要的。
13、测量坐标方向摆好该三角形结构体， 同时使用已经固定好的视觉测量系统进行三个标 志点的位置定位， 计算相应的坐标值， 记为，。 0013 步骤 C ： 求解旋转矩阵 ： 设， 式中为当前坐标系到需要校正坐标系 的旋转矩阵 （三行三列） ， 为平移矩阵 （由于现实使用中运动参量的改变仅与坐标方向有 关， 而与坐标系更换后坐标中心位置的改变无关， 因此不需对进行求解） 。 0014 步骤 D ： 令 ，； ，； 则有 ： ； 解得 ： 。 0015 步骤 E ： 将视觉系统测量到的标志点的坐标使用旋转矩阵进行修正， 从而完成 说 明 书 CN 102506900 A 4 3/4 页 5 测量坐标的修。
14、正。 0016 有益效果 ： 本发明可以很好的解决工程应用中视觉测量系统的测量坐标方向校正 问题。将本发明加入到视觉测量系统中可以将此作为一个模块， 从而更加推动视觉测量系 统的集成化 （出厂前做好视觉测量系统的定标后， 出场后仅需按本发明的操作即可完成各 种测量需求， 无需再次进行定标操作） ， 大大简化视觉测量系统的应用。 附图说明 0017 图 1 非接触式浮体运动测量系统结构框图。 0018 图 2 视觉系统中坐标方向校正装置。 具体实施方式 0019 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。 0020 1) 视觉测量系统中坐标方向校正装置 （简称为靶标） 的制作 ： 首先制作一个直。
15、角 三角形结构， 然后将三个红光 LED 标志点安装到该结构上 （为了使用方便， 将三个标志点按 直角排列） ， 如图 2 所示， 1 为 LED ； 2 为水平仪。 0021 在图 2 中， 靶标主要由三个发红光的 LED、 两个水平仪以及一个直角结构所组成。 该装置设计为直角结构是为了方便对准需求的测量坐标系的两个轴， 其他一个轴向可以根 据右手坐标系统三轴关系来确定 ； 结构体表面主色调为黑色， 其目的是为了避免反射的干 扰 ； 两个水平仪主要是为了进行轴向角度标识， 方便确定测量坐标系轴向使用 ； 三个 LED 在 该结构面上成直角排列， LED 的选型为红光， 发光面为平面， 发光均。
16、匀。 0022 2) 确定该三角结构体的坐标系 ： x 轴向与一条直角边相同， y 轴向与另一条直角边 相同， 坐标原点置在直角顶点处的那个标志点的中心， 同时记录这三个标志点的坐标值， 记 为，。 0023 3) 进行测量坐标方向的校正时， 只需将该三角形结构上的 LED 点亮， 然后按照需 要的测量坐标方向摆好该结构体， 同时使用已经固定好的视觉测量系统进行三个标志点的 位置定位， 计算相应的坐标值， 记为，。 0024 4) 设， 式中为当前坐标系到需要校正坐标系的旋转矩阵， 为平移 矩阵。 0025 由于测量过程中仅需要改变测量坐标系的方向， 与两个坐标系的原点位置无关， 所以只需对旋。
17、转矩阵进行求解。 0026 令 ， ，。 0027 则有 ： 。 0028 解得 ： 说 明 书 CN 102506900 A 5 4/4 页 6 。 0029 5) 将视觉系统测量到的标志点的坐标使用旋转矩阵进行修正， 从而完成测量 坐标的修正。 0030 总结 ： 使用本发明的装置与方法进行海洋平台模型实验时整个视觉测量系统无需 再次进行定标， 测量系统集成为一整体， 需要在不同轴向上测量运动时 , 仅需进行上述靶 标的一次拍照即可完成不同来流方向上的海洋平台模型运动的实时分析与显示。 0031 以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明， 不能认定发明的 具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明 的构思的前提下， 还可以做出简单的推演及替换， 都应当视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 102506900 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102506900 A 7 。