面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法
2023-10-20 11:35:47 2
面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法，可用在文物微小變化檢測過程中對拍攝相機進行有效的重定位，恢復前一次拍攝時相機的位置和姿態。本發明包含兩個部分，第一部分是設備的組合與改良，涉及的主要設備包含了雷射測距儀，雷射標線儀及相機。第二部分是針對於這種設備組合而完成相機重定位的方法，該方法首先通過調節水平來消除相機姿態6個自由度中的2個自由度，對於其餘的4個自由度，利用雷射測距儀和雷射標線儀及牆壁上的基準點，通過記錄3類基準點的方式來確定並進行相機姿態恢復，從而完成相機的重定位工作。該方法具有重定位精度高、速度快、選點約束小、適應性更廣以及穩定性強等優點。
【專利說明】面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及文物保護領域，特別涉及一種文物微小變化檢測的相機三點重定位的新型技術，可用於在文物微小變化檢測過程中對拍攝相機進行有效的重定位，恢復上一次拍攝時相機的位置和姿態。
【背景技術】
[0002]目前，直接以恢復相機的位置和姿態為目標的相機重定位研究並不多，ShottonJ等[1]於2013年發表的論文研究了利用深度相機(RGB-D camera)實現相機重定位的方法，但該方法需要通過算法訓練已知的場景環境，然後藉助深度相機拍攝的帶有深度信息的圖像才能實現特定位置相機姿態估計，從而完成相機重定位工作。同時，重定位工作也一直是SLAM (及時定位與地圖構建)中研究的內容然而，該方面研究中重定位僅作為中間過程，其目標為了構建地圖和實現導航，其方法也往往藉助機器人不斷運動過程中連續採集的各種信息來構建場景，進而實現機器人位置的定位。因此，這些方法難以應用在針對某一特定位置來實現相機重定位而無需構建周圍整個場景信息的情況，本發明提出的相機重定位方法可以有效實現在特定位置下相機重定位工作，從而可以對拍攝內容發生的變化進行監測。
【發明內容】
[0003]本發明提供了一種面向文物亞微米(即0.1mm)級變化檢測的相機三點重定位方法，本方法藉助不同設備的功能組合和操作方案設計，從而實現對相機的位置和姿態的恢復，詳見下文描述:
[0004]一種面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法，所述方法包括首次定位和重定位步驟；
[0005](I)在水平雷射線上選取C類基準點，在兩條豎直雷射線上選取A類基準點和B類基準點；
[0006](2)記錄第一雷射測距儀和第二雷射測距儀到牆壁的距離讀數分別為第一距離和第二距離，則首次定位完成；
[0007](3)通過調整使水平雷射線過C類基準點；第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點；
[0008](4)打開第一雷射測距儀，旋轉載物平臺，使第一雷射測距儀投射的雷射點落在第一豎直雷射線上，移動支架位置，使第一雷射測距儀測距讀數接近第一距離；
[0009](5)打開第二雷射測距儀，旋轉第二雷射測距儀，使第二雷射測距儀投射的雷射點落在第二豎直雷射線上，調節支架位置，使第二雷射測距儀讀數接近第二距離；
[0010](6)重複步驟(4)和(5)，使得第一雷射測距儀讀數和第二雷射測距儀讀數逼近第一距離和第二距離，然後再次確認調節支架高度，使得第一雷射標線儀的水平雷射線過C類基準點，則重定位完成；[0011](7)通過圖像拼接算法把相機的初定位和重定位圖像拼接到一起。
[0012]所述在水平雷射線上選取C類基準點，在兩條豎直雷射線上選取A類基準點和B類基準點的操作具體為:
[0013]通過第一雷射標線儀獲取水平雷射線，在水平雷射線上選取一個或多個標誌點作為C類基準點；
[0014]第一雷射測距儀在牆壁上投射一個第一雷射點，旋轉第二雷射測距儀投射出第二雷射點，打開地面上的第二雷射標線儀和第三雷射標線儀，使投射的第一豎直雷射線和第二豎直雷射線分別經過第一雷射點和第二雷射點，在第一豎直雷射線上選取一個或多個特徵點作為A類基準點，第二豎直雷射線上選取一個或多個特徵點作為B類基準點。
[0015]所述通過調整使水平雷射線過C類基準點；第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點的操作具體為:
[0016]打開第一雷射標線儀，根據C類基準點調節支架，使水平雷射線過C類基準點；
[0017]在第二相機拍攝的A類、B類基準點圖片找出A類、B類基準點，打開第二雷射標線儀和第三雷射標線儀，使第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點。
[0018]本發明提供的技術方案的有益效果是:本發明在現有設備的基礎上，選取合適的設備進行組合，自主設計了一套合理的面向文物微小變化檢測的相機三點重定位方法，有效解決了相機重定位的問題，定位過程快，操作靈活，具體來說，有如下優點:
[0019]a.重定位精度高:本發明採用了雷射測距儀和雷射標線儀來輔助重定位，普通手持式雷射測距儀測距誤差往往在2毫米(參考文獻[6])，而雷射標線儀的誤差與其投射的雷射線寬度和人眼識別基準點精度有關，往往也在毫米級別，實際重定位操作時反映在拍攝圖片上物理誤差上可精確在毫米級別。
[0020]b.重定位速度快。當操作上採取合理的調節策略可使雷射測距儀讀數迅速收斂到第一距離dl和第二距離d2，同時藉助雷射標線儀來迅速恢復相機高度，保證操作效率。[0021 ] c.基準點選擇較為靈活，包含自由點。在基準點選擇上，理論上可使第二雷射測距儀LDM2可旋轉任意角度來確定B類基準點，即B類基準點為自由點，從而保證了 B類基準點選擇的靈活度。
[0022]d.同類基準點可選擇多個，保證了重定位的穩定性。在基準點選擇上，無論是A類、B類還是C類基準點，都可以選擇所對應水平或者豎直雷射線上的多個點，從而較好地消除了單個基準點的不穩定性誤差，增強了重定位的穩定性。
[0023]e.環境條件約束少，適應範圍廣。本發明對環境的條件要求上，只需要在拍攝區域方向上(即拍攝前方)存在一面牆壁或遮擋物即可保證重定位。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1:重定位方法場景及基準點不意圖；
[0025]圖2:初次定位操作流程圖；
[0026]圖3:重定位操作流程；
[0027]圖4:重定位誤差分布直方圖；
[0028]圖5:第一組初定位拍攝結果圖；
[0029]圖6:第一組重定位拍攝結果圖；[0030]圖7:第一組變化檢測的結果圖；
[0031]圖8:第二組初定位拍攝結果圖；
[0032]圖9:第二組重定位拍攝結果圖；
[0033]圖10:第二組變化檢測的結果圖；
[0034]圖11:第三組初定位拍攝結果圖；
[0035]圖12:第三組重定位拍攝結果圖；
[0036]圖13:第三組變化檢測的結果圖。
【具體實施方式】
[0037]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0038]測距儀作為一種精密的測量工具，已經廣泛的應用到各個領域。測距儀可以分為超聲波測距儀、紅外線測距儀和雷射測距儀(參見文獻[5]和[6])。前兩種測距儀由於精度和距離受到限制已經不再生產。雷射測距儀是利用雷射對目標的距離進行準確測定的儀器。雷射測距儀在工作時向目標射出一束很細的雷射，由光電元件接收目標反射的雷射束，計時器測定雷射束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。
[0039]雷射標線儀(參見文獻[7])是用雷射形成一條高亮度的扇形面，當雷射投射到物體上時形成一條高亮度的雷射線的設備，常在建築領域和裝潢領域用於找平、找準和劃線等。現有的雷射標線儀可輸出兩互相成90度的雷射交叉線，有的還可以輸出多條標誌線:如I條水平線、4條垂直線，或者4條水平線、4條垂直線的情況。藉助於雷射標線儀，可以確定水平面，或者確定兩個互相垂直的垂直面，利用這些良好的性質，可以有效輔助完成重定位工作。
[0040]為了實現對相機的位置和姿態的恢復，本發明實施例提供了一種面向文物亞微米(即0.1mm)級變化檢測的相機三點重定位方法，該方法包括:一是設備的改進與組合方案，二是基於上述設備方案的重定位操作方法，詳見下文描述:
[0041]101:設備組合方案:列舉了本發明所需要的主要設備及對設備的改進與設備組合方式。
[0042]a)雷射標線儀3個:第一雷射標線儀LMI1、第二雷射標線儀LMI2和第三雷射標線儀LMI3，使用的雷射標線儀可在水平方向和兩個相互垂直的豎直方向產生3個交叉的雷射線。
[0043]b)雷射測距儀2個:第一雷射測距儀LDMl和第二雷射測距儀LDM2。
[0044]c)第一相機Cl (用於拍攝文物變化區域圖片)、第二相機C2 (用於記錄基準點)，光源、支架等相關拍攝設備。
[0045]d)設備的改進與組合:改進的第一雷射標線儀LMII，第一相機Cl，第一雷射測距儀LDMl和第二雷射測距儀LDM2，三種設備並排放置於載物平臺(載物平臺位於三腳架上)上並保持水平固定，固定後，第一雷射標線儀LMI1、第一相機Cl、第一雷射測距儀LDMl的相對位置和旋轉方向不發生變化，第二雷射測距儀LDM2位於第一雷射測距儀LDMl上方(或下方)，可水平方向繞軸旋轉。
[0046]其中，第一雷射標線儀LMIl改進後內部鉛錘與載物平面垂直，其投射的水平雷射線和豎直雷射線不再分別與水平面平行或垂直，而是隨載物平面的變化而變化，始終保證分別與載物平面平行或垂直。
[0047]102:相機重定位操作方法:相機重定位是根據首次定位時記錄的相關信息進行重新恢復相機的位置和姿態，其完整過程包含了首次定位與重定位過程兩個部分，其示意圖見圖1。圖中A』，B』和P』分別為A，B，P在水平地面垂直投影點。
[0048]a.首次定位:將三腳架置於拍攝位置，使用第一相機Cl進行首次拍攝，並記錄第一相機Cl重定位時所需要的定位信息，流程圖如圖2，其操作步驟如下:
[0049]步驟S1:連接相關設備，根據目標拍攝區域的位置，將三腳架置於文物前方合適拍攝位置和高度，使得第一相機Cl與目標區域高度基本相等，第一相機Cl拍攝圖像大小範圍對應於目標區域，然後調節相機擺角使第一相機Cl正對目標拍攝區域，並調節載物平面水平。
[0050]步驟S2:打開載物平臺上的第一雷射標線儀LMI1，其在前方牆壁上投射出水平雷射線，在該水平雷射線上選取一個或多個具有明顯特徵的標誌點作為C類基準點。其中，基準點的選擇應保證容易識別，例如:文物圖像中十字交叉點、線的交匯點，獨立的黑點，圖像中物體或文字的頂點、尖點，圖像上弧線與雷射線相切點等，將上述容易識別的點定義為基準點。
[0051]步驟S3:打開第一雷射測距儀LDMl和第二雷射測距儀LDM2，第一雷射測距儀LDMl在牆壁上投射一個第一雷射點1，旋轉第二雷射測距儀LDM2投影到合適位置(即保證第二雷射測距儀LDM2投射的第二雷射點2所在垂線上有儘可能多且明顯的特徵點)，投射出第二雷射點2，並打開地面上的第二雷射標線儀LMI2和第三雷射標線儀LMI3，使其前方豎直方向上投射的第一豎直雷射線LI和第二豎直雷射線L2分別經過第一雷射點I和第二雷射點2，在第一豎直雷射線LI上選取一個或多個特徵點作為A類基準點，第二豎直雷射線L2上選取一個或多個特徵點作為B類。其中，A類基準點、B類基準點的選擇標準和C類基準點一致，本方法在此不作贅述。
[0052]步驟S4:使用第二相機C2拍攝和記錄A、B、C三類基準點，同時拍攝一張圖片用於記錄三腳架的大概位置；同時，記錄第一雷射測距儀LDMl和第二雷射測距儀LDM2到牆壁的距離讀數分別為第一距離dl和第二距離d2。
[0053]b.相機重定位:進行二次拍攝時恢復第一相機Cl上次拍攝時的位置和姿態信息，流程圖如圖3。其操作步驟如下:
[0054]步驟Tl:連接以上設備電源及第一相機Cl與電腦接線，根據第二相機C2記錄的大概位置圖片將三腳架初步放置到合適位置，調節支架水平。
[0055]步驟T2:打開第一雷射標線儀LMIl，根據C類基準點調節支架到合適高度，使第一雷射標線儀LMIl的水平雷射線過C類基準點。
[0056]步驟T3:根據第二相機C2拍攝的A類、B類基準點圖片找出A類、B類基準點，打開第二雷射標線儀LMI2和第三雷射標線儀LMI3，使其前方第一豎直雷射線L1、第二豎直雷射線L2分別過A類和B類基準點。
[0057]步驟T4:打開第一雷射測距儀LDMl，旋轉載物平臺，使第一雷射測距儀LDMl投射的雷射點落在第一豎直雷射線LI上，移動支架位置，使第一雷射測距儀LDMl測距讀數接近第一距離dl。[0058]步驟T5:打開第二雷射測距儀LDM2，旋轉第二雷射測距儀LDM2，使第二雷射測距儀LDM2投射的雷射點落在第二豎直雷射線L2上，此時根據第二雷射測距儀LDM2的讀數與第二距離d2的大小關係判斷需要支架移動方向，調節支架位置，使第二雷射測距儀LDM2讀數接近第二距離d2。
[0059]步驟T6:重複幾次步驟T4和T5，使得第一雷射測距儀LDMl讀數和第二雷射測距儀LDM2讀數精確逼近第一距離dl和第二距離d2，然後再次確認調節支架高度，使得第一雷射標線儀LMIl的水平雷射線過C類基準點，則重定位完成。
[0060]103:通過圖像拼接算法把相機的初定位和重定位圖像拼接到一起。
[0061]在重定位的基礎上，為了實現文物0.1mm級細微小變化檢測，實現初次拍攝圖像和重定位圖像的更進一步精確配準，在上述工作基礎上，本發明藉助計算機技術進一步修正相機姿態誤差，採用圖像拼接算法把相機的初定位和重定位圖像拼接到一起，該算法通過提取兩張圖像的特徵點，計算兩張圖像拍攝時對應的姿態變化，然後通過仿射變換的方式將兩張圖像精確匹配到同一個尺度和位置上，分別提取兩張變換後圖像的公共區域，並在此基礎上採用合適的變化檢測技術對圖像進行變化檢測，變化檢測圖像見附圖，圖4為統計多次重定位後第一相機Cl位置和首次定位時第一相機Cl位置之間的實際距離差異得到的重定位誤差範圍分布圖，從分布圖上可以看出，重定位在位置精度上均在mm級，且主要集中在O?3mm範圍，說明本方法達到了很好的重定位精度。
[0062]下面以具體的試驗來驗證本方法的可行性，詳見下文描述:
[0063]以下三組實驗均是在實驗室環境，光線充足穩定條件下，以室內大型仿製壁畫的多處場景為拍攝目標，利用以上設備和方法，在拍攝距離為I?2米條件下，分別對第一相機Cl進行初次定位拍攝後，人工模擬製造細微變化，然後對第一相機Cl重定位得到的圖像。其中圖5、圖8和圖11分別為三次實驗初次定位時第一相機Cl的拍攝圖像，圖6、圖9和圖12為分別為重定位後第一相機Cl的拍攝圖像，圖7，圖10，圖13分別為圖像變化檢測的結果。圖5，圖6，圖7，變化檢測結果線寬:0.82mm,線長:80.7mm ;圖8，圖9，圖10，變化結果窄處線寬:0.41mm;圖11，圖12，圖13，點最大直徑:3.2mm。這些結果表明通過該重定位方法能在圖像檢測出0.1mm級別的變化，給出了變化檢測的精度，同時也通過變化檢測的精度反映了重定位的良好效果。
[0064]參考文獻
[0065][I]Shotton J, Glocker B, Zach C，et al.Scene coordinate regression forestsfor camera relocalization in RGB-D images[C]//Computer Vision and PatternRecognition (CVPR), 2013IEEE Conference on.1EEE, 2013:2930-2937.[0066][2]ffilliams B, Klein G, Reid 1.Automatic relocalization and loop closingfor real-time monocular SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEETransactions on, 2011,33 (9):1699-1712.[0067][3]Davison A J, Reid I D, Molton N D, et al.MonoSLAM: Real-time singlecamera SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactionson, 2007，29(6):1052-1067.[0068][4]Durrant-Whyte H, Bailey T.Simultaneous localization and mapping:partI[J].Robotics&Automation Magazine, IEEE, 2006, 13(2):99-110.[0069][5]王建波.雷射測距儀原理及應用[J].有色設備，2002 (6): 15-16.[0070][6]小樣.雷射紅外線測距儀的原理及其分類，http://www.cnhwx.com/news/show/669/,2013-03-18.[0071][7]姚興宇，曹笑宇.雷射標線儀原理與檢測方法[J].中國計量，2012(7):106-107.[0072]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0073]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法，其特徵在於，所述方法包括首次定位和重定位步驟； (1)在水平雷射線上選取C類基準點，在兩條豎直雷射線上選取A類基準點和B類基準佔.(2)記錄第一雷射測距儀和第二雷射測距儀到牆壁的距離讀數分別為第一距離和第二距離，則首次定位完成； (3)通過調整使水平雷射線過C類基準點；第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點； (4)打開第一雷射測距儀，旋轉載物平臺，使第一雷射測距儀投射的雷射點落在第一豎直雷射線上，移動支架位置，使第一雷射測距儀測距讀數接近第一距離； (5)打開第二雷射測距儀，旋轉第二雷射測距儀，使第二雷射測距儀投射的雷射點落在第二豎直雷射線上，調節支架位置，使第二雷射測距儀讀數接近第二距離； (6)重複步驟(4)和(5)，使得第一雷射測距儀讀數和第二雷射測距儀讀數逼近第一距離和第二距離，然後再次確認調節支架高度，使得第一雷射標線儀的水平雷射線過C類基準點，則重定位完成； (7)通過圖像拼接算法把相機的初定位和重定位圖像拼接到一起。
2.根據權利要求1所述的一種面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法，其特徵在於，所述在水平雷射線上選取C類基準點，在兩條豎直雷射線上選取A類基準點和B類基準點的操作具體為: 通過第一雷射標線儀獲取水平雷射線，在水平雷射線上選取一個或多個標誌點作為C類基準點； 第一雷射測距儀在牆壁上投射一個第一雷射點，旋轉第二雷射測距儀投射出第二雷射點，打開地面上的第二雷射標線儀和第三雷射標線儀，使投射的第一豎直雷射線和第二豎直雷射線分別經過第一雷射點和第二雷射點，在第一豎直雷射線上選取一個或多個特徵點作為A類基準點，第二豎直雷射線上選取一個或多個特徵點作為B類基準點。
3.根據權利要求1所述的一種面向文物亞微米級變化檢測的相機三點重定位方法，其特徵在於，所述通過調整使水平雷射線過C類基準點；第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點的操作具體為: 打開第一雷射標線儀，根據C類基準點調節支架，使水平雷射線過C類基準點； 在第二相機拍攝的A類、B類基準點圖片找出A類、B類基準點，打開第二雷射標線儀和第三雷射標線儀，使第一豎直雷射線、第二豎直雷射線分別過A類和B類基準點。
【文檔編號】G01C11/00GK103900536SQ201410085396
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】馮偉, 孫濟洲, 田飛鵬, 雒偉群, 張屹峰 申請人:天津大學