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基于未检校CCD相机的三维测量方法及其在结构变形监测中的应用

作　者: 周拥军
导　师: 寇新建
学　校: 上海交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 近景摄影测量计算机视觉未检校相机单位四元数广义相对定向同站自检校光束法平差小波变换变形监测模型试验
分类号: P232
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

利用视觉测量或数字近景摄影测量技术进行高精度三维测量与重建是当前计算机视觉和数字摄影测量领域的重要研究方向,在大型土木工程结构的变形测量中,采用传统的千分表或其它接触式传感器的方法往往不能满足要求,而随着高分辨率CCD数码相机的广泛应用,运用普通数码相机实现非接触的光学三维测量日益广泛。传统的数字近景摄影测量采用专业量测相机或已检校的普通数码相机,而在某些场合难以实现,论文研究了无足够物方控制条件下运用未检校CCD相机实现三维测量的基本理论和方法,并将其应用于结构试验变形监测中。1.论文比较了摄影测量领域的共线方程和计算机视觉领域的线性或非线性针孔模型的联系与区别。分析和比较了经典摄影测量中的空间交会方法、直接线性变换方法、相对定向-绝对定向、光束法平差等解析处理方法的理论模型、解算方法以及应用场合;总结归纳了外极线约束、基本矩阵、本质矩阵、单应矩阵的估计方法及其与相机内、外方位元素的关系。对于无物方控制点的未检校影像,基本矩阵是唯一能从立体像对中恢复的元素,本文提出了附约束条件最小二乘稳健估计法;2.提出了适用于数字近景摄影测量的点特征的提取和匹配策略并分析了所能达到的精度,即先对可编码人工标志进行自动检测并用基于矩和曲率保持方法提取子像素边界后,用最小二乘拟合方法对标志中心精确定位,然后恢复外极线,采用基于外极线约束的最小二乘匹配,并辅之以必要的人工量测;3.针对经典摄影测量采用欧拉角表示旋转矩阵的不足,本文研究了采用单位四元数表示旋转矩阵的方法,推导出了单位四元数表示方法与欧拉角表示方法、罗德里格矩阵表示方法之间的转换关系。并将单位四元数表示的旋转矩阵应用于相对定向、绝对定向、光束法平差中。改进了相对定向的PH算法,使得使用该方法进行相对定向不需要初值时也能实现全局收敛,采用基于单位四元数的绝对定向的闭合解,不需要初值也能得到定向参数的最小二乘解。4.研究了无任何物方信息情况下双像、多像三维度量重建的方法,提出基于单位四元数的附约束条件一维搜索迭代法进行广义相对定向的新方法,和现有的直接解法相比,该方法极大地提高了广义相对定向的精度和稳健性,使得利用两张未检校影像实现度量重建在绝大多数条件下可行;改进了计算机视觉领域的多像层次重建方法并应用于立体摄影测量内、外方位元素的初值估计之中,有效地解决了摄影测量中无物方控制信息的相机方位元素的初值估计问题;5.研究了相机单站纯旋转的理论模型,提出了采用基于显参数的最小二乘估计方法代替分步估计方法,该方法极大地提高了自检校的精度和稳定性。建立了考虑旋转偏心条件下,相机做Pan-Tilt-Zoom运动的投影模型以及三维测量方法。该方法包括同站相对定向、基片扩充、异站定向、绝对定向四个步骤。其中同站相对定向理论是对经典摄影测量理论的创新,同站定向在理论上减少了定向参数,只需要少量的同名点即可完成,有利于提高定向精度。可通过架设于普通脚架上的数码相机的纯旋转实现摄影测量,有助于改善大型构件摄影测量的构像条件;6.自检校光束法平差是理论最严密、解算精度最高的摄影测量解析处理方法,在获取内、外方位元素的初值后,高精度的测量成果需要用光束法平差求精。论文研究了附基准条件自检校光束法平差的统一模型,这一模型既适合于经典摄影测量控制网,也适用于摄影测量自由网,对于基于摄影测量的变形监测具有重要意义。对于三维变形监测数据,变形分析和预测是一项主要内容,论文给出了基于误差椭球的假设检验方法以及基于小波变换的去噪方法;特别是后者,对于分析观测周期长、位移量小的观测数据序列具有比常规处理方法更好的效果;7.基于数字摄影测量的位移测量方法具有非接触、可测量的点多、速度快的特点,具有常规的位移测量方法不可替代的作用,以结构模型试验变形监测为应用背景,基于Matlab软件开发了一套实用的计算程序,并以高速公路路堑边坡的模型试验和玻璃钢夹砂顶管的力学性能试验为例介绍了摄影测量法在位移测量中的应用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
Abbreviations  14-15
第一章绪论  15-35
  1.1 土木工程结构安全与变形观测  15-18
  1.2 论文的研究背景和意义  18-20
  1.3 国内外研究现状及文献综述  20-24
  1.4 论文的结构及创新点  24-26
  参考文献  26-35
第二章普通CCD 相机近景摄影测量原理  35-62
  2.1 CCD 数码相机简介  35-36
  2.2 数码相机的成像几何模型  36-41
    2.2.1 数码相机的线性成像模型  36-39
    2.2.2 数码相机的非线性成像模型  39-41
  2.3 立体像对的几何约束  41-43
    2.3.1 像方约束条件  41-42
    2.3.2 物方几何约束条件  42-43
  2.4 基本矩阵、本质矩阵和单应矩阵  43-50
    2.4.1 基本矩阵  43
    2.4.2 本质矩阵  43-44
    2.4.3 单应矩阵  44-45
    2.4.4 基本矩阵、本质矩阵和单应矩阵与内、外方位元素的关系  45-46
    2.4.5 由同名点估计基本矩阵的算法  46-50
  2.5 近景摄影测量的解析处理方法  50-59
    2.5.1 直接线性变换法  50-52
    2.5.2 空间后方交会－前方交会方法  52-54
    2.5.3 相对定向—绝对定向方法  54-57
    2.5.4 光束法平差  57-58
    2.5.5 各种解析方法的比较  58-59
  2.6 本章小结  59-60
  参考文献  60-62
第三章近景影像点特征的量测及精度分析  62-97
  3.1 近景数字影像的特征提取  62-71
    3.1.1 点特征的检测与定位  62-67
    3.1.2 线特征的检测与提取  67-71
  3.2 近景数字影像的立体匹配  71-75
    3.2.1 近景影像匹配的原理  71-72
    3.2.2 近景影像匹配的方法和策略  72-73
    3.2.3 最小二乘影像匹配  73-75
  3.3 人工标志的自动检测及精确定位  75-90
    3.3.1 近景摄影测量中的人工标志  75-77
    3.3.2 标志的自动检测  77-79
    3.3.3 基于MCP 的标志边界精确定位  79-83
    3.3.4 标志中心定位的理论精度  83-85
    3.3.5 标志的投影偏心差分析  85-90
  3.4 近景影像的特征量测及匹配策略  90-93
  3.5 本章小结  93
  参考文献  93-97
第四章单位四元数及其在近景影像定向中的应用  97-122
  4.1 四元数及其基本运算  98-100
  4.2 基于单位四元数法的旋转矩阵的表示及其转换  100-103
    4.2.1 单位四元数与三维旋转  100-101
    4.2.2 单位四元数法与其它表示方法之间的转换关系  101-103
  4.3 基于单位四元数的相对定向  103-110
    4.3.1 基于单位四元数的PH 算法  103-106
    4.3.2 PH 算法的模拟分析  106-110
    4.3.3 PH 算法的分析和改进  110
  4.4 基于单位四元数的绝对定向  110-115
    4.4.1 基于单位四元数的绝对定向闭合解  110-114
    4.4.2 基于单位四元数的绝对定向迭代解  114-115
  4.5 基于四元数的光束法平差  115-119
  4.6 算例  119-120
  4.7 本章小结  120-121
  参考文献  121-122
第五章无物方控制的未检校相机三维测量  122-148
  5.1 相机的检校与自检校  122-126
    5.1.1 相机检校  122-123
    5.1.2 相机的自检校  123-124
    5.1.3 基于Kruppa 方程的相机自检校原理及其解算  124-126
  5.2 基于广义相对定向及绝对定向的双像三维重建  126-136
    5.2.1 基于F 矩阵分解算法的主距估计  126-128
    5.2.2 基于一维搜索算法的广义相对定向  128-131
    5.2.3 实用广义相对定向的模拟分析  131-133
    5.2.4 基于广义相对定向－绝对定向的双像三维重建  133-136
  5.3 未检校图像的多视层次重建  136-142
    5.3.1 层次重建的概念  136
    5.3.2 射影重建  136-140
    5.3.3 欧氏重建  140-142
  5.4 多像层次重建算例  142-143
  5.5 本章小结  143-144
  参考文献  144-148
第六章同站自检校的原理及解算  148-178
  6.1 理想纯旋转模型的自检校  148-156
    6.1.1 数学模型  148-150
    6.1.2 解算方法  150-156
    6.1.3 模拟数据试验  156
  6.2 顾及旋转偏心及PTZ 运动的同站自检校  156-165
    6.2.1 数学模型  156-160
    6.2.2 同站PTZ 运动下的广义相对定向  160-163
    6.2.3 相关讨论  163-165
  6.3 EPTZ 模型与理想模型的比较  165-167
  6.4 基于PTZ 运动的三维测量  167-169
  6.5 多站相机PTZ 运动的三维重建实例  169-175
  6.6 本章小结  175
  参考文献  175-178
第七章自检校光束法平差及变形数据处理  178-196
  7.1 自检校光束法平差的原理及解算方法  178-184
    7.1.1 CCD 相机自检校光束法平差的数学模型  178-179
    7.1.2 基准条件的选取及含义  179-182
    7.1.3 光束法平差的解算及精度评定  182-184
  7.2 变形误差椭球及位移检验  184-186
  7.3 基于小波分解的变形数据分析  186-194
    7.3.1 小波多分辨率分析的原理  186-188
    7.3.2 测量误差模型及其小波变换  188-189
    7.3.3 基于模极大的小波去噪方法  189-192
    7.3.4 小波去噪实例  192-194
  7.4 本章小结  194
  参考文献  194-196
第八章监测系统的实现及应用实例  196-214
  8.1 基于Matlab 的测量系统实现  196-197
  8.2 路堑边坡模型试验平面位移场的测定及分析  197-206
    8.2.1 试验简介  197-198
    8.2.2 试验数据处理  198-203
    8.2.3 试验数据的分析和比较  203-206
  8.3 玻璃钢夹砂顶管位移测定试验及对比分析  206-213
    8.3.1 试件的弹性模量测定  206-207
    8.3.2 基于摄影测量的位移测量  207-208
    8.3.3 实测结果与数值计算结果的比较  208-213
  8.4 本章小结  213
  参考文献  213-214
第九章总结与展望  214-216
攻读学位期间发表的文章和参与的项目  216-217
致谢  217

基于未检校CCD相机的三维测量方法及其在结构变形监测中的应用

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