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CN113177987A - 一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统 - Google Patents

一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统 Download PDF

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CN113177987A
CN113177987A CN202110479440.XA CN202110479440A CN113177987A CN 113177987 A CN113177987 A CN 113177987A CN 202110479440 A CN202110479440 A CN 202110479440A CN 113177987 A CN113177987 A CN 113177987A
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virtual
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pose
freedom turntable
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柴斌虎
刘福林
张广军
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Beihang University
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Beihang University
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Abstract

本发明涉及一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统。该方法包括：根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建的虚拟全向相机模型；获取待测量场景中控制点在WGS‑84坐标系下的三维坐标以及控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；将控制点在WGS‑84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；利用虚拟全向相机模型将方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；根据控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；根据因子化线性方程确定控制点对应的二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。本发明能够无需对视觉跟踪测量系统调平，并保证视觉跟踪测量系统标定的精度。

Description

一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统
技术领域
本发明涉及虚拟全向相机模型领域，特别是涉及一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统。
背景技术
视觉跟踪测量系统可以解算目标的位置、速度、姿态等信息。在预先获得目标GPS位置信息的基础上，也可以对目标进行实时跟踪引导。
上述两种情形都需要求解视觉跟踪测量系统的本体坐标系在局部大地坐标系下的位姿。位姿转换的精度直接影响目标测量的精度与实时跟踪引导的效果。
视觉跟踪测量系统一般都配置有千斤顶支腿。以往大部分的方法都先通过调节千斤顶支腿将视觉跟踪测量系统调平，将测量系统的姿态求解问题转化为定向问题。之后再通过GPS测量已有控制点三维坐标，视觉跟踪测量系统对控制点进行瞄准成像。通过GPS获得系统在局部大地坐标系的位置。
千斤顶支腿调平精度通常不高，且调节耗时繁琐。因此以视觉跟踪测量系统调平为基本假设的坐标系转换算法很难得到理想的精度。视觉跟踪测量系统位置移动后，需要重新通过GPS测量其在大地坐标系的位置。
因此，基于上述问题，亟需一种无需对视觉跟踪测量系统调平的外场全局标定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统，能够无需对视觉跟踪测量系统调平，并保证视觉跟踪测量系统标定的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法，所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法包括：
根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法确定z轴；
获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；
将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；
利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点；
根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；
根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
可选地，所述利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003048609980000021
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
利用公式
Figure BDA0003048609980000022
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
利用
Figure BDA0003048609980000031
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
可选地，所述根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿，具体包括：
根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
利用公式
Figure BDA0003048609980000032
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure BDA0003048609980000033
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure BDA0003048609980000034
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
可选地，所述根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿，具体包括：
将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；
根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统包括：
虚拟全向相机模型构建模块，用于根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法确定z轴；
参数获取模块，用于获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；
坐标转换模块，用于将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；
虚拟图像坐标确定模块，用于利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点；
因子化线性方程确定模块，用于根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；
东北天坐标系下的位姿确定模块，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
可选地，虚拟图像坐标确定模块具体包括：
虚拟图像坐标第一确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000041
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第二确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000051
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第三确定单元，用于利用
Figure BDA0003048609980000052
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
可选地，所述东北天坐标系下的位姿确定模块具体包括：
因子化线性解确定单元，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
因子化线性解优化单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000053
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure BDA0003048609980000054
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure BDA0003048609980000055
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
可选地，所述东北天坐标系下的位姿确定模块具体包括：
WGS-84坐标系下的位姿确定单元，用于将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；
东北天坐标系下的位姿确定单元，用于根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统，根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型，即采用三个正交虚拟成像平面的虚拟全向相机模型将二自由度转台的方位角、俯仰角转化为三个虚拟成像面上的虚拟图像坐标，有效地解决了虚拟相机模型在大角度范围时的全局标定误差急剧放大的问题。进而根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程，提出了扩展的因子化线性方法解决了三正交方向联合求解的难题，该方法有效地降低了由虚拟图像坐标与控制点世界坐标导致的测量矩阵的误差，提高了解算精度。最后通过根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿；即通过东北天坐标系与WGS-84坐标系之间的几何约束，将二自由度转台的位姿转换至当地东北天坐标系，便于对测量目标的位姿进行计算与评估。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法流程示意图；
图2为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法原理示意图；
图3为本发明所提供的视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型示意图；
图4为本发明所提供的以πz为像平面的虚拟单成像面相机模型示意图；
图5为本发明所提供的位姿变换示意图；
图6为本发明所提供的WGS-84坐标系与大地坐标系的几何约束示意图；
图7为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统结构示意图。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法及系统，能够无需对视觉跟踪测量系统调平，并保证视觉跟踪测量系统标定的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法流程示意图，图2为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法原理示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法。所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法包括：
S101，根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台旋转中心为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法则确定z轴。
所述虚拟全向相机模型如图3所示，其中，虚拟全向相机坐标系o-xcyczc固定于转台。其原点o为转台的中心。平面xcozc平行于水平度盘。轴xc与方位角零位方向相同。yc轴方向为垂直于水平度盘竖直向下。zc轴通过右手法则确定。三个虚拟像平面πx,πy,πz分别位于xc＝fx,yc＝fy,zc＝fz。
虚拟像平面坐标系Oz-XY,Ox-YZ,Oy-XZ,它们是分别在三个虚拟成像平面πz(第一个虚拟成像平面)上的二维坐标系,πx(第二个虚拟成像平面),πy(第三个虚拟成像平面)。其中，如图4为以πz为像平面的虚拟单成像面相机模型示意图。
S102，获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角。
利用高精度差分GPS测量控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标(xw,yw,zw)。以及控制二自由度转台对控制点进行精确瞄准并记录其方位角、俯仰角(α,β)。
其中，WGS-84坐标系记为oe-xeyeze,WGS84地心坐标系的原点oe为地心，ze轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，xe轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，ye与xe、ze构成右手坐标系。
S103，将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标。
由于控制点的数量级非常大，远远超过对应图像点坐标的数量级。因此，将坐标系oe-xeyeze的原点平移至控制点的质心而得到质心坐标系op-xpypzp可有效地降低控制点的数量级。
S104，利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点。
S104具体包括：
利用公式
Figure BDA0003048609980000081
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
利用公式
Figure BDA0003048609980000091
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
利用
Figure BDA0003048609980000092
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
S104具体的确定过程为：
在平面πz上建立一个2d直角坐标系Oz-XY。原点Oz为zc轴与平面Oz-XY的交点。X轴与Y轴分别与xc轴与yc轴共线，如图4所示。虚拟图像点
Figure BDA0003048609980000093
与3d控制点p＝(xc,yc,zc)T存在如下关系。
Figure BDA0003048609980000094
等式用齐次坐标的形式表达为
Figure BDA0003048609980000095
从上往下看，方位角α∈[0,360)增加的方向为顺时针，俯仰角β＝0平行于水平度盘，俯仰角变化范围为(-90,90)，瞄准控制点位于水平面以下时，俯仰角为正。因此将方位角α与俯仰角β转化为平面πz上的虚拟图像坐标。
Figure BDA0003048609980000096
在平面πx上建立一个2d直角坐标系。原点Ox为xc轴与平面πx的交点。Y轴与Z轴分别与yc轴与zc轴共线。虚拟图像点
Figure BDA0003048609980000097
与3d控制点p＝(x,y,z)T存在如下关系。
Figure BDA0003048609980000098
等式用齐次坐标的形式表达为
Figure BDA0003048609980000101
将方位角α与俯仰角β转化为平面πx上的虚拟图像坐标。
Figure BDA0003048609980000102
在平面πy上建立一个2d直角坐标系Oy-XZ。原点为yc轴与平面Oy-XZ的交点。X轴与Z轴分别与xc轴与zc轴共线。虚拟图像点
Figure BDA0003048609980000103
与控制点p＝(x,y,z)T存在如下关系。
Figure BDA0003048609980000104
等式用齐次坐标的形式表达为
Figure BDA0003048609980000105
将方位角α与俯仰角β转化为平面πy上的虚拟图像坐标。
Figure BDA0003048609980000106
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
S105，根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程。
S105具体包括：
虚拟图像平面πx相机模型的投影方程为：
Figure BDA0003048609980000111
Figure BDA0003048609980000112
通过下式构建：
Figure BDA0003048609980000113
测量矩阵被分解为如下所示的两个因子矩阵：
Figure BDA0003048609980000114
虚拟像平面πy相机模型的投影方程是：
Figure BDA0003048609980000115
Figure BDA0003048609980000116
通过下式构建：
Figure BDA0003048609980000117
测量矩阵被分解为如下所示的两个因子矩阵：
Figure BDA0003048609980000118
以平面πz为虚拟图像平面的相机模型的投影方程是：
Figure BDA0003048609980000121
Figure BDA0003048609980000122
通过下式构建：
Figure BDA0003048609980000123
测量矩阵被分解为如下所示的两个因子矩阵：
Figure BDA0003048609980000124
将虚拟单像平面πx相机模型投影方程、将虚拟单像平面πy相机模型投影方程、将虚拟单像平面πz相机模型投影方程组合在一起构成虚拟全向相机的投影方程，每个虚拟单图像平面相机模型的投影矩阵都是相同的。
引进中间变量
Figure BDA0003048609980000125
构建在虚拟全向相机模型中虚拟像平面πx上的新的测量子矩阵。
Figure BDA0003048609980000126
引进中间变量
Figure BDA0003048609980000127
构建在虚拟全向相机模型中虚拟像平面πy上的新的测量子矩阵。
Figure BDA0003048609980000128
引进中间变量
Figure BDA0003048609980000129
构建在虚拟全向相机模型中虚拟像平面πz上的新的测量子矩阵。
Figure BDA0003048609980000131
构建将三个测量子矩阵组合起来构建测量矩阵Mnew,x,y,z。
Figure BDA0003048609980000132
在
Figure BDA0003048609980000133
的条件下，求解下式方程组的最小二乘解：
Figure BDA0003048609980000134
对
Figure BDA0003048609980000135
进行SVD分解在相差一个尺度因子s的情况下，求得p。
S106，根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
S106具体包括：
根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
利用公式
Figure BDA0003048609980000136
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure BDA0003048609980000137
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure BDA0003048609980000138
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
求解相机位置C具体包括：
投影矩阵P可通过向量p得到，投影矩阵P是内参矩阵与外参矩阵的乘积，如下所示：
P＝A[R|-RC] (24)
内参矩阵A是一个上三角矩阵，R是从相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，C是相机坐标系的原点在世界坐标系中的坐标。
令P1＝AR，P2＝-ARC，则等式可表示为：
P＝[P1|P2] (25)
C可以由下式得到。
Figure BDA0003048609980000141
求解A与R
由于A是一个上三角矩阵，R是一个正交矩阵，因此A与R可以通过RQ分解得到。
P1＝AR (27)
S106具体包括：
将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；如图5所示，质心坐标系o-xpypzp与WGS-84坐标系o-xeyeze为已知的平移关系。根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
具体过程为：
从空间直角坐标系到大地坐标系的变换
坐标系o-xcyczc的原点位置在大地坐标系og-xgygzg下的经度、纬度(B,L)T可以通过坐标系o-xcyczc原点在坐标系oe-xeyeze中的三维坐标(xwo,ywo,zwo)T＝C求得：
Figure BDA0003048609980000142
旋转至东北天坐标系
坐标系o-xTyTzT与坐标系oe-xeyeze之间存在内部几何约束。坐标系o-xTyTzT中的当地水平面为地球的切平面。如图6所示，坐标系o-xpypzp与坐标系o-xeyeze为已知的平移关系，为使得物理意义更加明晰，此处未显示坐标系o-xpypzp。
坐标系o-xTyTzT的朝向可以通过由坐标系oe-xeyeze经过两次旋转后对齐，两次旋转由经度Lo与纬度Bo表示。
Figure BDA0003048609980000151
Reg是从坐标系oe-xeyeze到坐标系o-xTyTzT的旋转矩阵
结合从坐标系o-xcyczc到坐标系oe-xeyeze的变换，与从坐标系oe-xeyeze到坐标系的变换o-xTyTzT，我们可以得到从坐标系o-xcyczc到坐标系o-xTyTzT的旋转矩阵。
RcT＝ReTRce (31)
下面结合附图3与实测数据对本发明进一步说明。
视觉跟踪测量系统方位角精度≤0.05°、俯仰角精度≤0.05°。
计算视觉跟踪测量系统坐标系与大地坐标系的转换关系，视觉跟踪测量系统角度残差RMS误差≤0.1°,视觉跟踪测量系统定位误差RMS误差≤1m。具体标定过程如下：
视觉跟踪测量系统固定安装于载车。根据测量需求，将载车移动至测量地点，启动千斤顶进行稳定支撑并大致调平，以保证视觉跟踪测量系统达到稳定状态。
选取现场的固定自然场景特征点作为控制点建立校准场，以达到最大范围覆盖是解决测量系统的方位角、俯仰角。对每个固定自然场景特征点采用GPS记录其在WGS84地心坐标系下的三维坐标。如表1所示。
操控视觉测量系统对校准场场中的控制点进行精确瞄准，并记录对应的方位角、俯仰角(α,β)。控制点数量Nm。结果如表2所示。
通过前述方法求解得到视觉测量系统坐标系在局部大地坐标系下的位姿。
表1控制点坐标在WGS-84坐标系下坐标
序号 x<sup>w</sup>/m y<sup>w</sup>/m z<sup>w</sup>/m
1 -2111731.43 4650038.09 3808082.93
2 -2111623.25 4650128.17 3808035.33
3 -2111615.66 4650229.64 3807916.79
4 -2111638.23 4650247.04 3807883.35
5 -2111660.48 4650264.24 3807850.40
6 -2111682.46 4650281.25 3807817.91
7 -2111679.49 4650299.64 3807802.63
8 -2111746.73 4650330.73 3807722.77
9 -2111837.99 4650215.37 3807824.48
10 -2111824.46 4650224.93 3807820.37
表2控制点在虚拟全向相机模型坐标系下的方位角、俯仰角
Figure BDA0003048609980000161
Figure BDA0003048609980000171
εx,εy,εz是控制点在虚拟全向相机坐标系o-xcyczc下的残差，用来评价定位精度。εα,εβ是方位角和俯仰角的残差，用来评价姿态精度。结果分别在表3、表4中。定位残差的RMS误差为(0.01m,0.64m,0.03m)，角度残差的RMS误差为(0.014°,0.297°)。满足全局标定要求。
表3全局标定的定位误差
Figure BDA0003048609980000172
Figure BDA0003048609980000181
表4全局标定的角度误差
序号 ε<sub>α</sub>/° ε<sub>β</sub>/°
1 -0.002 0.120
2 0.001 -0.197
3 -0.004 -0.432
4 0.003 -0.436
5 -0.001 -0.409
6 0.002 -0.344
7 -0.003 -0.339
8 0.005 -0.197
9 0.002 0.104
10 -0.043 0.048
RMSE 0.014 0.297
图7为本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统结构示意图，如图7所示，本发明所提供的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统包括：
虚拟全向相机模型构建模块701，用于根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法确定z轴；
参数获取模块702，用于获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；
坐标转换模块703，用于将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；
虚拟图像坐标确定模块704，用于利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点；
因子化线性方程确定模块705，用于根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；
东北天坐标系下的位姿确定模块706，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
虚拟图像坐标确定模块704具体包括：
虚拟图像坐标第一确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000191
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第二确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000192
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第三确定单元，用于利用
Figure BDA0003048609980000201
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
所述东北天坐标系下的位姿确定模块706具体包括：
因子化线性解确定单元，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
因子化线性解优化单元，用于利用公式
Figure BDA0003048609980000202
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure BDA0003048609980000203
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure BDA0003048609980000204
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
所述东北天坐标系下的位姿确定模块706具体包括：
WGS-84坐标系下的位姿确定单元，用于将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；
东北天坐标系下的位姿确定单元，用于根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法，其特征在于，所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法包括：
根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台旋转中心为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法确定z轴；
获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；
将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；
利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点；
根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；
根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
2.根据权利要求1所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法，其特征在于，所述利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003048609970000011
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
利用公式
Figure FDA0003048609970000021
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
利用
Figure FDA0003048609970000022
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
3.根据权利要求2所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法，其特征在于，所述根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿，具体包括：
根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
利用公式
Figure FDA0003048609970000023
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure FDA0003048609970000024
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure FDA0003048609970000025
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
4.根据权利要求1所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定方法，其特征在于，所述根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿，具体包括：
将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；
根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
5.一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，其特征在于，所述视觉跟踪测量系统包括：二自由度转台以及自动长变焦相机；所述自动长变焦相机安装在所述二自由度转台的内框上，所述自动长变焦相机的光轴与俯仰轴共线；所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统包括：
虚拟全向相机模型构建模块，用于根据二自由度转台以及自动长变焦相机构建视觉跟踪测量系统的虚拟全向相机模型；所述虚拟全向相机模型包括根据虚拟全向相机坐标系确定的三个互相正交的虚拟成像平面，所述三个互相正交的虚拟成像平面的虚拟焦距为1；所述虚拟全向相机坐标系以二自由度转台为原点，以方位角零位方向为x轴，以垂直于水平度盘竖直向下为y轴，并通过右手法确定z轴；
参数获取模块，用于获取待测量场景中控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标以及每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角；
坐标转换模块，用于将所述控制点在WGS-84坐标系下的三维坐标转换为在质心坐标系中的三维坐标；
虚拟图像坐标确定模块，用于利用所述虚拟全向相机模型将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为虚拟图像坐标；所述虚拟图像坐标为所述二自由度转台的旋转中心指向控制点的射线与虚拟成像平面的交点；
因子化线性方程确定模块，用于根据每一所述控制点的虚拟图像坐标以及在质心坐标系中的三维坐标建立因子化线性方程；
东北天坐标系下的位姿确定模块，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿，进而将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
6.根据权利要求5所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，其特征在于，虚拟图像坐标确定模块具体包括：
虚拟图像坐标第一确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003048609970000041
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第二确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003048609970000042
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
虚拟图像坐标第三确定单元，用于利用
Figure FDA0003048609970000043
将每一所述控制点对应的二自由度转台的方位角以及俯仰角转换为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标；
其中，α为方位角，β为俯仰角，fz为第一个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx为第二个虚拟成像平面的虚拟焦距，fy为第三个虚拟成像平面的虚拟焦距，fx＝fy＝fz＝1，(Yz,Zz)为第一个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yx,Zx)为第二个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标，(Yy,Zy)为第三个虚拟成像平面中的虚拟图像坐标。
7.根据权利要求6所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，其特征在于，所述东北天坐标系下的位姿确定模块具体包括：
因子化线性解确定单元，用于根据所述因子化线性方程确定二自由度转台在质心坐标系中的位姿的因子化线性解；
因子化线性解优化单元，用于利用公式
Figure FDA0003048609970000044
对因子化线性解进行优化求精；
其中，
Figure FDA0003048609970000045
为控制点在虚拟全向相机坐标系中的三维坐标的估计值，由质心坐标系中的转台位置C、控制点对应的方位角α以及俯仰角β确定，
Figure FDA0003048609970000051
为控制点在虚拟全向相机坐标系中三维坐标的估计值，由控制点在质心坐标系的坐标Xw和质心坐标系到二自由度转台的坐标系的旋转矩阵R确定，fmin为位姿的目标优化函数，以两个估计值在虚拟全向相机坐标系的欧式距离最小为优化目标。
8.根据权利要求5所述的一种视觉跟踪测量系统外场全局标定系统，其特征在于，所述东北天坐标系下的位姿确定模块具体包括：
WGS-84坐标系下的位姿确定单元，用于将二自由度转台在质心坐标系中的位姿转换为在WGS-84坐标系下的位姿；
东北天坐标系下的位姿确定单元，用于根据在WGS-84坐标系与东北天坐标系的几何约束将二自由度转台在WGS-84坐标系下的位姿转换为在东北天坐标系下的位姿。
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