1 深圳市智能光测与感知重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518060
3 国防科技大学空天科学学院，湖南 长沙 410073
4 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
5 深圳市鹰眼在线电子科技有限公司，广东 深圳 518114
变形测量是大型工程建设与运维的基础性、常规性任务，是实验力学、结构健康监测学科最重要的内容之一，现有测量方法难以精准高效经济地实现大型工程结构大尺度高精度测量需求，迫切需要建立新的测量方法和技术。近年来，以摄像机/照相机为传感器的摄像测量理论手段具有非接触性、精度高、成本低等优势，被逐步应用于各种工程结构测量中。本文结合本团队的相机网络测量方法与系统，综述了单相机、多相机摄像测量系统，介绍了多相机系统的图像采集、相机标定、特征提取与跟踪、变形计算等关键算法，论述了摄像测量技术在长期监测和快速检测领域的相关应用，以及系统稳定性的主要影响因素，最后对大型工程结构静动态变形摄像测量方法与技术的成果和问题进行了总结，并展望了其未来发展趋势。
大型结构 变形 静动态 摄像测量 多相机系统 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0112001
东南大学土木工程学院工程力学系，江苏 南京 210096
大型结构全周高精度三维动态变形测量对大型或超大型结构的力学性能研究有着重大意义。三维数字图像相关作为一种结构简单、非接触、精度高的全场变形测量技术，可以为大型结构变形测量提供有效的测量手段。首先介绍三维数字图像相关测量的基本原理。在大型结构多相机全周变形测量方法中，将介绍大尺度散斑制作、大视场三维标定、多相机系统坐标统一、相机外参实时标定等关键技术的研究工作。最后，针对土木工程领域与航空航天领域的实际需求，介绍大型结构高精度三维动态变形测量的应用，包括盒式结构地震模拟振动台试验测量、悬索穹顶结构连续坍塌试验全周高速变形测量、运载火箭舱段荷载试验全周变形测量。大型结构全周高精度三维动态变形测量将为大型建筑结构抗震性能分析、大型结构力学建模和破坏机理研究提供可靠的实验分析手段。
大型结构 三维动态变形测量 多相机测量 数字图像相关 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811013
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 上海卫星装备研究所，上海 200240
为了实现对复杂卫星结构多关键区域形变的灵活高精度测量，提出了一种基于多相机三维数字图像相关（3D-DIC）的微小形变整体测量方法。建立双目3D-DIC子系统以获得各关键区域的高精度形变场。结合光束平差优化和同名点3D重构方法完成对子系统的位姿外部标定。根据标定参数拼接子系统测量数据，得到全局形变场。在实验室条件下用卫星蜂窝结构的热形变实验测量得到多安装面的整体形变场和测量误差，结果表明，本方法对系统的整体位移测量误差为0.96 μm±0.45 μm/m，满足高精度、测量范围灵活可变的测量需求，且对重叠视场和离散视场均具有良好的适用性，为空间环境下卫星结构的稳定监测提供了可靠的测量方法。
测量与计量 多相机三维数字图像相关 摄影测量 外部标定 形变监测 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1912004
1 昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500
2 昆明理工大学理学院，云南 昆明 650500
3 云南省土木工程防灾重点实验室，云南 昆明 650500
4 昆明理工大学民航与航空学院，云南 昆明 650500
针对数字全息技术测量物体表面三维微小变形时，由于需要三个不同方向的矢量信息，检测光路都比较复杂的问题，提出了一种基于多相机数字全息三维变形检测方法。首先建立了准确重建物体变形前后相位差分布的方法，然后根据不共面且含有三维变形信息的三个相位差，实现物体表面三维变形场的检测。并对所提方法进行了数值模拟及实验验证，实验结果表明了该方法的可行性及实用性。
全息 数字全息 三维变形 多相机 干涉计量 有限元分析 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1609001
1 国防科技大学空天科学学院, 湖南 长沙 410073
2 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
3 陆军航空兵学院, 北京 101123
4 火箭军研究院, 北京 100089
自动驾驶应用中,基于视觉的相对位姿估计是实现无人驾驶汽车自动定位的核心技术之一。针对单目视觉系统的视场范围较小以及双目视觉系统需要公共视场等问题,提出一种无公共视场的多相机系统相对位姿解耦估计方法。利用场景中远、近点的不同特性对旋转矩阵和平移向量进行解耦估计。对远处场景特征点采用直方图投票法求解相对旋转矩阵,在相对旋转矩阵已知的条件下,对近处场景特征点采用采样高度法求解相对平移。通过仿真模拟和实际实验对所提方法的可行性、鲁棒性和精度进行验证。实验结果表明,所提方法的相对姿态精度优于0.05°,相对平移向量方向精度优于2.5°,具有较高的精度和较好的鲁棒性。
机器视觉 位姿估计 多相机系统 自动驾驶
1 哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 电气工程与自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 上海航天技术研究院 新力动力研究所，上海 201109
针对多相机系统的高精度快速光束法平差问题，提出一种采用法化矩阵降维的多相机快速光束法平差新算法。充分考虑多相机系统中主从相机间的固定位姿参数关系，设置维数为3N (相机个数)×4的系统位姿变换矩阵，根据此矩阵可快速由主相机参数得到每个从相机的参数，并将此变换关系带入光束法平差算法中完成为对从相机位姿的求取。从相机的外参优化算法中便只需要对主相机的外参变化进行更新，由此将所有相机捆绑为一个整体，使雅可比矩阵与法化矩阵的维数相对下降，在一次迭代更新中可以完成对多个相机特征图像的运算，因此算法的精度与速度得到了大幅提高。根据仿真实验与实测实验表明，文中算法的优化精度比传统的光束法平差精度提高到了15.5%，运算效率提升了7.8%，能够满足实际工程的应用需求。
立体视觉 多相机系统 矩阵降维 光束法平差 stereo vision multi-camera system matrix dimensionality reduction bundle adjustment 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200156
1 海军航空大学, 山东 烟台 264001
2 国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
3 国防科技大学计算机学院, 湖南 长沙 410073
聚焦型光场相机在运动恢复结构(SFM)和场景重建等领域中的作用日益显现。但是传统SFM算法因聚焦型光场相机具有特殊的结构而难以直接应用。针对这一问题,提出一种完整的聚焦型光场相机等效多目相机模型。在此基础上,利用传统多目相机的SFM算法,给出了适用于聚焦型光场相机的位姿估计算法示例和点云三角化算法示例。最后,通过仿真实验和真实场景重建实验验证了本文等效多目相机模型和SFM算法的正确性,进而表明聚焦型光场相机的SFM问题可以等价为多目相机的SFM问题。
机器视觉 聚焦型光场相机 多目相机模型 运动恢复结构 场景重建 位姿估计 三角化
以大型光学模块转运时基于视觉的位姿测量为背景，利用目标底部同一平面的两个圆特征，针对大目标近距离对接时的环境限制，提出一种基于距离和角度约束的多相机非共视场位姿检测方法。对接时球头与锥孔正确对接，将两个相机分别固定于球头机构的内部后采集锥孔边缘的圆特征，利用非共视场成像的多相机标定获取两相机位置关系，融合多个相机的位姿信息，利用两圆共面和两相机位置关系约束剔除空间圆位姿解算时的虚假解。实验验证了该方法的精度，在 1140 mm的工作距离时，圆边缘特征的姿态角误差小于 0.5°，圆心的计算误差小于 1.0 mm，实验结果表明该方法可准确计算位姿，结果可靠有效，在大目标近距离位姿测量时具有明显实用性。
机器视觉 位姿测量 多相机非公共视场 共面圆特征 距离约束 大目标近距离 machine vision, pose measurement, multi-camera non
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
多相机系统的自主定位技术是通过多个相机对空间中的特征点进行观测而恢复出系统自身的空间位姿,借助多相机的大视场克服复杂现场环境影响,提高测量精度。针对多相机系统结构复杂、位姿恢复难度大、耗时长的问题,提出一种使用基于图优化模型的自主定位方法。在求解高效透视n点定位问题得到近似估计位姿的基础上,借助图优化框架对多相机系统与空间控制点的观测问题进行建模,进而将位姿恢复问题等价为最小化重投影误差非线性优化问题。借助近景摄影三坐标测量系统(VSTARS)搭建的控制场和直线导轨搭建的多相机系统,测量和模拟实验结果表明,该方法具有较高的测量精度和较快的运行速度。
测量 室内空间定位方法 图优化 多相机系统 激光与光电子学进展
2019, 56(3): 031202
