面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法
阅读：9发布：2023-02-04
专利汇可以提供面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种面向文物亚微米级变化检测的相机三点重 定位 方法，可用在文物微小变化检测过程中对拍摄相机进行有效的重定位，恢复前一次拍摄时相机的 位置 和 姿态 。本发明包含两个部分，第一部分是设备的组合与改良，涉及的主要设备包含了激光测距仪，激 光标 线仪及相机。第二部分是针对于这种设备组合而完成相机重定位的方法，该方法首先通过调节 水 平来消除相机姿态6个 自由度 中的2个自由度，对于其余的4个自由度，利用激光测距仪和激光标线仪及 墙壁 上的基准点，通过记录3类基准点的方式来确定并进行相机姿态恢复，从而完成相机的重定位工作。该方法具有重定位 精度 高、速度快、选点约束小、适应性更广以及 稳定性 强等优点。，下面是面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法专利的具体信息内容。
1.一种面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法，其特征在于，所述方法包括首次定位和重定位步骤；
(1)在水平激光线上选取C类基准点，在两条竖直激光线上选取A类基准点和B类基准点；
(2)记录第一激光测距仪和第二激光测距仪到墙壁的距离读数分别为第一距离和第二距离，则首次定位完成；
(3)通过调整使水平激光线过C类基准点；第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点；
(4)打开第一激光测距仪，旋转载物平台，使第一激光测距仪投射的激光点落在第一竖直激光线上，移动支架位置，使第一激光测距仪测距读数接近第一距离；
(5)打开第二激光测距仪，旋转第二激光测距仪，使第二激光测距仪投射的激光点落在第二竖直激光线上，调节支架位置，使第二激光测距仪读数接近第二距离；
(6)重复步骤(4)和(5)，使得第一激光测距仪读数和第二激光测距仪读数逼近第一距离和第二距离，然后再次确认调节支架高度，使得第一激光标线仪的水平激光线过C类基准点，则重定位完成；
(7)通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起；
其中，所述在水平激光线上选取C类基准点，在两条竖直激光线上选取A类基准点和B类基准点的操作具体为：
通过第一激光标线仪获取水平激光线，在水平激光线上选取一个或多个标志点作为C类基准点；
第一激光测距仪在墙壁上投射一个第一激光点，旋转第二激光测距仪投射出第二激光点，打开地面上的第二激光标线仪和第三激光标线仪，使投射的第一竖直激光线和第二竖直激光线分别经过第一激光点和第二激光点，在第一竖直激光线上选取一个或多个特征点作为A类基准点，第二竖直激光线上选取一个或多个特征点作为B类基准点。
2.根据权利要求1所述的一种面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法，其特征在于，所述通过调整使水平激光线过C类基准点；第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为：
打开第一激光标线仪，根据C类基准点调节支架，使水平激光线过C类基准点；
在第二相机拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第二激光标线仪和第三激光标线仪，使第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点。
面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法
技术领域
背景技术
[0002] 目前，直接以恢复相机的位置和姿态为目标的相机重定位研究并不多，Shotton J[1]等 于2013年发表的论文研究了利用深度相机（RGB-D camera）实现相机重定位的方法，但该方法需要通过算法训练已知的场景环境，然后借助深度相机拍摄的带有深度信息的图像才能实现特定位置相机姿态估计，从而完成相机重定位工作。同时，重定位工作也一直是[2][3][4]
SLAM（及时定位与地图构建）中研究的内容 ，然而，该方面研究中重定位仅作为中间过程，其目标为了构建地图和实现导航，其方法也往往借助机器人不断运动过程中连续采集的各种信息来构建场景，进而实现机器人位置的定位。因此，这些方法难以应用在针对某一特定位置来实现相机重定位而无需构建周围整个场景信息的情况，本发明提出的相机重定位方法可以有效实现在特定位置下相机重定位工作，从而可以对拍摄内容发生的变化进行监测。
SLAM（及时定位与地图构建）中研究的内容 ，然而，该方面研究中重定位仅作为中间过程，其目标为了构建地图和实现导航，其方法也往往借助机器人不断运动过程中连续采集的各种信息来构建场景，进而实现机器人位置的定位。因此，这些方法难以应用在针对某一特定位置来实现相机重定位而无需构建周围整个场景信息的情况，本发明提出的相机重定位方法可以有效实现在特定位置下相机重定位工作，从而可以对拍摄内容发生的变化进行监测。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种面向文物亚微米（即0.1mm）级变化检测的相机三点重定位方法，本方法借助不同设备的功能组合和操作方案设计，从而实现对相机的位置和姿态的恢复，详见下文描述：
[0004] 一种面向文物亚微米级变化检测的相机三点重定位方法，所述方法包括首次定位和重定位步骤；
[0005] （1）在水平激光线上选取C类基准点，在两条竖直激光线上选取A类基准点和B类基准点；
[0006] （2）记录第一激光测距仪和第二激光测距仪到墙壁的距离读数分别为第一距离和第二距离，则首次定位完成；
[0007] （3）通过调整使水平激光线过C类基准点；第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点；
[0008] （4）打开第一激光测距仪，旋转载物平台，使第一激光测距仪投射的激光点落在第一竖直激光线上，移动支架位置，使第一激光测距仪测距读数接近第一距离；
[0009] （5）打开第二激光测距仪，旋转第二激光测距仪，使第二激光测距仪投射的激光点落在第二竖直激光线上，调节支架位置，使第二激光测距仪读数接近第二距离；
[0010] （6）重复步骤（4）和（5），使得第一激光测距仪读数和第二激光测距仪读数逼近第一距离和第二距离，然后再次确认调节支架高度，使得第一激光标线仪的水平激光线过C类基准点，则重定位完成；
[0011] （7）通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起。
[0012] 所述在水平激光线上选取C类基准点，在两条竖直激光线上选取A类基准点和B类基准点的操作具体为：
[0013] 通过第一激光标线仪获取水平激光线，在水平激光线上选取一个或多个标志点作为C类基准点；
[0014] 第一激光测距仪在墙壁上投射一个第一激光点，旋转第二激光测距仪投射出第二激光点，打开地面上的第二激光标线仪和第三激光标线仪，使投射的第一竖直激光线和第二竖直激光线分别经过第一激光点和第二激光点，在第一竖直激光线上选取一个或多个特征点作为A类基准点，第二竖直激光线上选取一个或多个特征点作为B类基准点。
[0015] 所述通过调整使水平激光线过C类基准点；第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点的操作具体为：
[0016] 打开第一激光标线仪，根据C类基准点调节支架，使水平激光线过C类基准点；
[0017] 在第二相机拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第二激光标线仪和第三激光标线仪，使第一竖直激光线、第二竖直激光线分别过A类和B类基准点。
[0018] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在现有设备的基础上，选取合适的设备进行组合，自主设计了一套合理的面向文物微小变化检测的相机三点重定位方法，有效解决了相机重定位的问题，定位过程快，操作灵活，具体来说，有如下优点：
[0019] a.重定位精度高：本发明采用了激光测距仪和激光标线仪来辅助重定位，普通手持式激光测距仪测距误差往往在2毫米（参考文献[6]），而激光标线仪的误差与其投射的激光线宽度和人眼识别基准点精度有关，往往也在毫米级别，实际重定位操作时反映在拍摄图片上物理误差上可精确在毫米级别。
[0020] b.重定位速度快。当操作上采取合理的调节策略可使激光测距仪读数迅速收敛到第一距离d1和第二距离d2，同时借助激光标线仪来迅速恢复相机高度，保证操作效率。
[0021] c.基准点选择较为灵活，包含自由点。在基准点选择上，理论上可使第二激光测距仪LDM2可旋转任意角度来确定B类基准点，即B类基准点为自由点，从而保证了B类基准点选择的灵活度。
[0022] d.同类基准点可选择多个，保证了重定位的稳定性。在基准点选择上，无论是A类、B类还是C类基准点，都可以选择所对应水平或者竖直激光线上的多个点，从而较好地消除了单个基准点的不稳定性误差，增强了重定位的稳定性。
[0024] 图1：重定位方法场景及基准点示意图；
[0025] 图2：初次定位操作流程图；
[0026] 图3：重定位操作流程；
[0027] 图4：重定位误差分布直方图；
[0028] 图5：第一组初定位拍摄结果图；
[0029] 图6：第一组重定位拍摄结果图；
[0030] 图7：第一组变化检测的结果图；
[0031] 图8：第二组初定位拍摄结果图；
[0032] 图9：第二组重定位拍摄结果图；
[0033] 图10：第二组变化检测的结果图；
[0034] 图11：第三组初定位拍摄结果图；
[0035] 图12：第三组重定位拍摄结果图；
[0036] 图13：第三组变化检测的结果图。
具体实施方式
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0038] 测距仪作为一种精密的测量工具，已经广泛的应用到各个领域。测距仪可以分为超声波测距仪、红外线测距仪和激光测距仪（参见文献[5]和[6]）。前两种测距仪由于精度和距离受到限制已经不再生产。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
[0039] 激光标线仪（参见文献[7]）是用激光形成一条高亮度的扇形面，当激光投射到物体上时形成一条高亮度的激光线的设备，常在建筑领域和装潢领域用于找平、找准和划线等。现有的激光标线仪可输出两互相成90度的激光交叉线，有的还可以输出多条标志线：如1条水平线、4条垂直线，或者4条水平线、4条垂直线的情况。借助于激光标线仪，可以确定水平面，或者确定两个互相垂直的垂直面，利用这些良好的性质，可以有效辅助完成重定位工作。
[0040] 为了实现对相机的位置和姿态的恢复，本发明实施例提供了一种面向文物亚微米（即0.1mm）级变化检测的相机三点重定位方法，该方法包括：一是设备的改进与组合方案，二是基于上述设备方案的重定位操作方法，详见下文描述：
[0041] 101：设备组合方案：列举了本发明所需要的主要设备及对设备的改进与设备组合方式。
[0042] a)激光标线仪3个：第一激光标线仪LMI1、第二激光标线仪LMI2和第三激光标线仪LMI3，使用的激光标线仪可在水平方向和两个相互垂直的竖直方向产生3个交叉的激光线。
[0043] b)激光测距仪2个：第一激光测距仪LDM1和第二激光测距仪LDM2。
[0045] d)设备的改进与组合：改进的第一激光标线仪LMI1，第一相机C1，第一激光测距仪LDM1和第二激光测距仪LDM2，三种设备并排放置于载物平台（载物平台位于三脚架上）上并保持水平固定，固定后，第一激光标线仪LMI1、第一相机C1、第一激光测距仪LDM1的相对位置和旋转方向不发生变化，第二激光测距仪LDM2位于第一激光测距仪LDM1上方（或下方），可水平方向绕轴旋转。
[0046] 其中，第一激光标线仪LMI1改进后内部铅锤与载物平面垂直，其投射的水平激光线和竖直激光线不再分别与水平面平行或垂直，而是随载物平面的变化而变化，始终保证分别与载物平面平行或垂直。
[0047] 102：相机重定位操作方法：相机重定位是根据首次定位时记录的相关信息进行重新恢复相机的位置和姿态，其完整过程包含了首次定位与重定位过程两个部分，其示意图见图1。图中A’，B’和P’分别为A，B，P在水平地面垂直投影点。
[0048] a.首次定位：将三脚架置于拍摄位置，使用第一相机C1进行首次拍摄，并记录第一相机C1重定位时所需要的定位信息，流程图如图2，其操作步骤如下：
[0049] 步骤S1：连接相关设备，根据目标拍摄区域的位置，将三脚架置于文物前方合适拍摄位置和高度，使得第一相机C1与目标区域高度基本相等，第一相机C1拍摄图像大小范围对应于目标区域，然后调节相机摆角使第一相机C1正对目标拍摄区域，并调节载物平面水平。
[0050] 步骤S2：打开载物平台上的第一激光标线仪LMI1，其在前方墙壁上投射出水平激光线，在该水平激光线上选取一个或多个具有明显特征的标志点作为C类基准点。其中，基准点的选择应保证容易识别，例如：文物图像中十字交叉点、线的交汇点，独立的黑点，图像中物体或文字的顶点、尖点，图像上弧线与激光线相切点等，将上述容易识别的点定义为基准点。
[0051] 步骤S3：打开第一激光测距仪LDM1和第二激光测距仪LDM2，第一激光测距仪LDM1在墙壁上投射一个第一激光点1，旋转第二激光测距仪LDM2投影到合适位置（即保证第二激光测距仪LDM2投射的第二激光点2所在垂线上有尽可能多且明显的特征点），投射出第二激光点2，并打开地面上的第二激光标线仪LMI2和第三激光标线仪LMI3，使其前方竖直方向上投射的第一竖直激光线L1和第二竖直激光线L2分别经过第一激光点1和第二激光点2，在第一竖直激光线L1上选取一个或多个特征点作为A类基准点，第二竖直激光线L2上选取一个或多个特征点作为B类。其中，A类基准点、B类基准点的选择标准和C类基准点一致，本方法在此不作赘述。
[0052] 步骤S4：使用第二相机C2拍摄和记录A、B、C三类基准点，同时拍摄一张图片用于记录三脚架的大概位置；同时，记录第一激光测距仪LDM1和第二激光测距仪LDM2到墙壁的距离读数分别为第一距离d1和第二距离d2。
[0053] b.相机重定位：进行二次拍摄时恢复第一相机C1上次拍摄时的位置和姿态信息，流程图如图3。其操作步骤如下：
[0054] 步骤T1：连接以上设备电源及第一相机C1与电脑接线，根据第二相机C2记录的大概位置图片将三脚架初步放置到合适位置，调节支架水平。
[0055] 步骤T2：打开第一激光标线仪LMI1，根据C类基准点调节支架到合适高度，使第一激光标线仪LMI1的水平激光线过C类基准点。
[0056] 步骤T3：根据第二相机C2拍摄的A类、B类基准点图片找出A类、B类基准点，打开第二激光标线仪LMI2和第三激光标线仪LMI3，使其前方第一竖直激光线L1、第二竖直激光线L2分别过A类和B类基准点。
[0057] 步骤T4：打开第一激光测距仪LDM1，旋转载物平台，使第一激光测距仪LDM1投射的激光点落在第一竖直激光线L1上，移动支架位置，使第一激光测距仪LDM1测距读数接近第一距离d1。
[0058] 步骤T5：打开第二激光测距仪LDM2，旋转第二激光测距仪LDM2，使第二激光测距仪LDM2投射的激光点落在第二竖直激光线L2上，此时根据第二激光测距仪LDM2的读数与第二距离d2的大小关系判断需要支架移动方向，调节支架位置，使第二激光测距仪LDM2读数接近第二距离d2。
[0059] 步骤T6：重复几次步骤T4和T5，使得第一激光测距仪LDM1读数和第二激光测距仪LDM2读数精确逼近第一距离d1和第二距离d2，然后再次确认调节支架高度，使得第一激光标线仪LMI1的水平激光线过C类基准点，则重定位完成。
[0060] 103：通过图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起。
[0061] 在重定位的基础上，为了实现文物0.1mm级细微小变化检测，实现初次拍摄图像和重定位图像的更进一步精确配准，在上述工作基础上，本发明借助计算机技术进一步修正相机姿态误差，采用图像拼接算法把相机的初定位和重定位图像拼接到一起，该算法通过提取两张图像的特征点，计算两张图像拍摄时对应的姿态变化，然后通过仿射变换的方式将两张图像精确匹配到同一个尺度和位置上，分别提取两张变换后图像的公共区域，并在此基础上采用合适的变化检测技术对图像进行变化检测,变化检测图像见附图，图4为统计多次重定位后第一相机C1位置和首次定位时第一相机C1位置之间的实际距离差异得到的重定位误差范围分布图，从分布图上可以看出，重定位在位置精度上均在mm级，且主要集中在0～3mm范围，说明本方法达到了很好的重定位精度。
[0062] 下面以具体的试验来验证本方法的可行性，详见下文描述：
[0063] 以下三组实验均是在实验室环境，光线充足稳定条件下，以室内大型仿制壁画的多处场景为拍摄目标，利用以上设备和方法，在拍摄距离为1～2米条件下，分别对第一相机C1进行初次定位拍摄后，人工模拟制造细微变化，然后对第一相机C1重定位得到的图像。其中图5、图8和图11分别为三次实验初次定位时第一相机C1的拍摄图像，图6、图9和图12为分别为重定位后第一相机C1的拍摄图像，图7，图10，图13分别为图像变化检测的结果。图5，图6，图7，变化检测结果线宽：0.82mm,线长：80.7mm；图8，图9，图10，变化结果窄处线宽:0.41mm；图11，图12，图13，点最大直径：3.2mm。这些结果表明通过该重定位方法能在图像检测出0.1mm级别的变化，给出了变化检测的精度，同时也通过变化检测的精度反映了重定位的良好效果。
[0064] 参考文献
[0065] [1]Shotton J,Glocker B,Zach C,et al.Scene coordinate regression forests for camera relocalization in RGB-D images[C]//Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR),2013IEEE Conference on.IEEE,2013:2930-2937.
[0066] [2]Williams B,Klein G,Reid I.Automatic relocalization and loop closing for real-time monocular SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence,IEEE Transactions on,2011,33(9):1699-1712.
[0067] [3]Davison A J,Reid I D,Molton N D,et al.MonoSLAM:Real-time single camera SLAM[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence,IEEE Transactions on,2007,29(6):1052-1067.
[0068] [4]Durrant-Whyte H,Bailey T.Simultaneous localization and mapping:part I[J].Robotics&Automation Magazine,IEEE,2006,13(2):99-110.
[0069] [5]王建波.激光测距仪原理及应用[J].有色设备,2002(6):15-16.[0070] [6]小样.激光红外线测距仪的原理及其分类，http://www.cnhwx.com/news/show/669/，2013-03-18.
[0071] [7]姚 兴宇 ,曹 笑宇 .激 光标 线 仪 原 理与 检 测 方 法[J].中 国 计量,2012(7):106-107.
[0072] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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