实现3.2系统目标的识别和测量过程优化

系统通过在被测物待测位置粘贴黏性标记点的方法实现测量。双经纬仪激光点进入相机视场后，视场内的被测区域图像在用户主机上实时显示，系统自动提取出被测区域中各标记点的像素坐标并驱动经纬仪逼近各标记点位置。分别记录两台经纬仪瞄准实际被测点时的水平垂直角度，利用定向参数计算出被测点的三维坐标值。

3.2.1 激光点和目标点自动识别和提取

被测图像中激光点的灰度值远高于其他部分的灰度值，故可采用阈值分割的方法将灰度值低于激光点的区域剔除。激光点形状不规则且中心光较强边缘光较弱，针对上述特征采用质心提取法提取激光点中心的像素坐标值^[9]。

图3 被测标记点 Fig.3 The design drawing of the measured target

被测物上的黏性靶标为黑色中空圆形标记，如图3所示，十字叉丝中心为内外同心圆的圆心，也即激光点要瞄准对中的位置。

对相机提取的图像进行平滑滤波除噪后，利用阈值分割法将像素值高于靶标点的部分滤除^[10]，对图像进行边缘提取得到各被测目标的边缘轮廓信息，再对目标的内边缘进行椭圆拟合^[11-13]。设标记点轮廓的坐标数据为（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、…、（x_n，y_n），建立椭圆方程的目标函数

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f=0 （12）

椭圆方程的另一个条件为b²-4ac＜0。则令

b²-4ac=-1 （13）

令目标函数为

式中，M为罚因子。从轮廓点中任取6个点的像素坐标代入式（12），求解线性方程组。利用式（13）的约束条件将求解值归一化，作为式（14）中目标函数的初值，利用高斯-牛顿法求出椭圆方程各系数的最优解，从而得到椭圆中心坐标即相应标记点中心坐标值。对每个标记靶标的内外轮廓边缘均进行椭圆拟合，将内外椭圆的质心坐标求平均最终得到目标点质心的像素坐标值。

激光点与目标点特征提取流程如图4所示。

图4 激光点和目标点识别处理流程 Fig.4 Recognition process of laser points and target points

3.2.2 经纬仪对被测目标的逼近策略(www.xing528.com)

得到当前经纬仪激光点和标记点像素中心坐标后，根据两者的方位差确定经纬仪逼近被测目标的运动模型，计算出经纬仪马达驱动的方位角并驱动经纬仪实现其对被测目标的瞄准对中。

经纬仪与被测目标点之间的距离为几米到几十米，相机视场中两个标识点的距离都在mm级，故标记点的距离远远小于经纬仪和被测点的距离。当马达驱动经纬仪移动较小角度时，可以近似认为激光点在被测物体平面上移动的距离与马达驱动的角度值呈线性关系。如图5所示，经纬仪激光束先后在水平和垂直方向移动α和β角度，可以近似得到

α/β=dm/dn （15）

当经纬仪沿水平方向移动时，经纬仪激光光束的移动轨迹为一平面。假设被测物体的表面为平面，则激光光束在被测物体上的移动轨迹为直线。若相机处于连续拍摄模式，则被测物上激光点的直线轨迹在相机上的所占像素的关系可近似认为

dm/dn=dx/dy （16）

dx、dy分别为激光点在移动两个不同角度当量时在像素坐标系上移动的像素距离。故可以得到激光点在相机像素平面上移动距离与经纬仪实际马达驱动角度的近似关系为

dx/dy=α/β （17）即马达驱动经纬仪在水平方向和垂直方向旋转的角度和激光点在像素平面上移动的距离成正比^[14]。令经纬仪在相机视场范围内先水平运动α角，再垂直运动β角，如图6所示。假设激光点初始位置在像素平面上坐标为（x_a，y_a），被测点的像素位置为（x_T，y_T），经纬仪水平移动后激光点的像素坐标为（x_h，y_h），再垂直驱动经纬仪，得到激光点新坐标（x_v，y_v）。

图5 经纬仪水平垂直移动示意图 Fig.5 Schematic diagram of the horizontal and vertical movements of the theodolite

图6 激光点移动跟踪模型 Fig.6 The theodolite moving and tracking model

根据图中几何关系可得，从水平垂直微动后激光点的当前位置R移动到被测点M所需的水平和垂直像素当量分别为L_NM和L_RN。

令A=x_h-x_a，B=x_h-x_v，C=y_h-y_a，D=y_h-y_v，则有

设图7中OQ、QR间像素距离分别为L_OQ、L_QR，则经纬仪从当前位置R移动到被测点位置M所需移动的水平垂直角分别为（αL_NM/L_OQ，βL_RN/L_QR）。

在实际测量中被测物的表面基本不为平面，故利用上述方法驱动经纬仪后，激光点位置逼近被测点，但不与被测点重合。再次利用当前激光点与被测点的位置关系，令激光点在被测点附近区域再次做水平和垂直微动（此时的水平和垂直步长分别为当前激光点与被测点的组成矢量在原水平和垂直方向上的投影），利用相同的方法使激光点逼近被测点。重复此步骤，直到激光点和被测点的像素偏差达到测量要求。利用以上判别跟踪方法对相机视场中的被测点进行逐次瞄准。