无需激光落点的基于坐标变换的测量方法、系统及装置

摘要

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种无需激光落点的基于坐标变换的测量方法、系统及装置。若摄像头的光轴与激光测量器的激光束为共面且非同轴，获取待测物位于激光测量器的激光束上的测距距离以及摄像头上的光轴中心点到激光测量器上的激光束发射点的第一间距；将测距距离和第一间距代入反正切函数计算得到角度数；根据所述角度数调节摄像头的转动角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。在不同量程下，激光测量器的激光光斑始终处于摄像头的视频画面的中心，在无法看清激光光斑的情况下，通过视频画面中心锁定目标测量位置，进而完成测量，解决了光线强、距离远等不能确定激光落点位置的问题。

说明书

本案是以申请号为201710353551.X，申请日为2017年05月18日，名称为《测量方法、系统及装置》的专利申请为母案的分案申请。

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种无需激光落点的基于坐标变换的测量方法、系统及装置。

背景技术

土地勘测、房屋丈量是各部门关心又费心的工作，勘丈的数据是作为产权的保护对象，具有法律效力。按照传统的测量手段，需要人工跑点，利用皮尺或钢卷尺进行丈量，虽然也能满足基本要求，然而在长距离测量方面，例如测层高以及不易到达地方的测量上，存在效率低、精度差、时间长、实施操作难等问题。

随着高新技术的发展，出现了激光测距仪，该仪器特别适用于建筑结构复杂的中高层、长距离的房屋测量。该仪器使用简便(可非接触测量)，测量数据精确，工作效率提高，完全抛弃了传统的一根皮尺(或钢卷尺)丈量房屋的方法，减少勘丈误差，保证了量算精度，量算结果更加信服。但目前的激光测距仪仍然存在需要提高的方面，如在室内灯光太亮、室外阳光太强或者长距离的情况下，导致无法看清激光测距仪发出的激光点，也就无法将激光点准确定位到目标物体上，此时需借助望远镜等辅助器材。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种在测量环境不佳的情况下实现精准对焦、精确测量的基于坐标变换的测量方法、系统及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案为：

一种基于坐标变换的测量方法，包括对焦步骤：

若摄像头的光轴与激光测量器的激光束为共面且非同轴，获取待测物位于激光测量器的激光束上的测距距离以及摄像头上的光轴中心点到激光测量器上的激光束发射点的第一间距，所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；

将测距距离和第一间距代入反正切函数计算得到角度数；

根据所述角度数调节摄像头的转动角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。

本发明采用的第二技术方案为：

一种基于坐标变换的测量系统，包括对焦模块；

所述对焦模块包括第一获取单元、第一计算单元和调节单元；

所述第一获取单元，用于若摄像头的光轴与激光测量器的激光束为共面且非同轴，获取待测物位于激光测量器的激光束上的测距距离以及摄像头上的光轴中心点到激光测量器上的激光束发射点的第一间距，所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；

所述第一计算单元，用于将测距距离和第一间距代入反正切函数计算得到角度数；

所述调节单元，用于根据所述角度数调节摄像头的转动角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。

本发明采用的第三技术方案为：

一种基于坐标变换的测量装置，包括测量端；所述测量端包括激光测量器、摄像头和调角器；所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；所述调角器与摄像头连接，用于调整摄像头的角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于坐标变换的测量方法、系统及装置，通过建立摄像头的光轴、激光测量器的激光束以及摄像头的光轴中心与激光测量器的激光束之间的第一间距之间几何角度关系，计算得到将摄像头的光轴与激光测量器的激光束位于待测目标上相交时两者所成夹角度数，并根据该夹角度数调节摄像头的转动角度，实现精准对焦，在不同量程下，激光测量器的激光光斑始终处于摄像头的视频画面的中心，在无法看清激光光斑的情况下，通过视频画面中心锁定目标测量位置，进而完成测量，解决了光线强、距离远等不能确定激光落点位置的问题。

附图说明

图1为本发明的基于坐标变换的测量方法的对焦步骤流程图；

图2为本发明的基于坐标变换的测量方法的测量步骤流程图；

图3为本发明的基于坐标变换的测量方法的坐标变换示意图；

图4为本发明的基于坐标变换的测量系统的结构示意图；

标号说明：

1、激光测量器；2、摄像头；3、调角器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明提供的一种基于坐标变换的测量方法，包括对焦步骤：

若摄像头的光轴与激光测量器的激光束为共面且非同轴，获取待测物位于激光测量器的激光束上的测距距离L以及摄像头上的光轴中心点到激光测量器上的激光束发射点的第一间距H，所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；

将测距距离和第一间距代入反正切函数计算得到角度数arctan(H/L)；

根据所述角度数调节摄像头的转动角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。

本发明提供的基于坐标变换的测量方法，通过建立摄像头的光轴、激光测量器的激光束以及摄像头的光轴中心与激光测量器的激光束之间的第一间距之间几何角度关系，计算得到将摄像头的光轴与激光测量器的激光束位于待测目标上相交时两者所成夹角度数，并根据该夹角度数调节摄像头的转动角度，实现精准对焦，在不同量程下，激光测量器的激光光斑始终处于摄像头的视频画面的中心，在无法看清激光光斑的情况下，通过视频画面中心锁定目标测量位置，进而完成测量，解决了光线强、距离远等不能确定激光落点位置的问题。

如图2和图3，进一步的，还包括测量步骤：

当待测目标的起始点位于摄像头的光轴中心点时，执行第一次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的起始点上相交，获取待测目标的起始点到激光测量器上的激光束发射点的第一距离；

以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第一坐标系，根据第一距离得到待测目标的起始点在第一坐标系下的第一坐标值；

在本实施例中，通过摄像头的视频画面中心定位激光测量器的激光光斑到待测目标的起始点P，以激光测量器为原点O_w，以激光束为Z_w轴，建立三维空间第一坐标系X_wY_wZ_w，通过激光测量器获得起始点到激光测量器的距离的长度Z_1w，得到起始点P在第一坐标系X_wY_wZ_w下的坐标为(0，0，Z_1w)，假定此时待测目标的终止点Q在第一坐标系X_wY_wZ_w下的坐标为(X_2w，Y_2w，Z_2w)。

当待测目标的终止点位于摄像头的光轴中心点时，执行第二次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的终止点上相交，获取待测目标的终止点到激光测量器上的激光束发射点的第二距离；

以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第二坐标系，根据第二距离得到待测目标的终止点在第二坐标系下的第二坐标值；

在本实施例中，以待测目标的起始点为参考点，激光束转动垂直角度α、水平角度β后到达待测目标的终止点Q，同样以激光测量器为原点O_w′，以激光束为Z_w＇轴，建立三维空间第二坐标系X_w＇Y_w＇Z_w＇，通过激光测量器获得终止点到激光测量器的距离的长度Z_rw，得到终止点Q在第二坐标系X_w＇Y_w＇Z_w＇下的坐标为(0，0，Z_rw)。

根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将待测目标的终止点在第二坐标系下的第二坐标值转换为在第一坐标系下的第三坐标值；或者根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将待测目标的起始点在第一坐标系下的第一坐标值转换为在第二坐标系下的第三坐标值；

在本实施例中，从第一坐标系X_wY_wZ_w到第二坐标系X_w＇Y_w＇Z_w＇，坐标原点没有移动(即O_w与O_w＇重合)，只进行绕x轴与绕y轴的变换，所以空间点Q在坐标系X_wY_wZ_w与坐标系X_w′Y_w′Z_w′之间的变换满足以下关系：

其中，R(x，α)为绕O_wX_w轴旋转α度的变换矩阵形式表示，R(y，β)为绕O_wX_w轴旋转β度的变换矩阵形式表示。由于α、β、Z_rw为已知量，则可以计算出空间点Q在第一坐标系X_wY_wZ_w下的坐标(X_2w，Y_2w，Z_2w)；

根据第一坐标系下的第一坐标值和第三坐标值，计算得到待测目标的起始点与终止点之间的距离。或者根据第二坐标系下的第二坐标值和第三坐标值，计算得到待测目标的起始点与终止点之间的距离。

在本实施例中，根据公式可以计算出P、Q两点在空间中的距离L；

进一步的，还包括：

接收到操作指令，执行对应操作；所述操作指令包括对焦指令和测量指令。

本发明还提供的一种基于坐标变换的测量系统，包括对焦模块；所述对焦模块包括第一获取单元、第一计算单元和调节单元；

所述第一获取单元，用于若摄像头的光轴与激光测量器的激光束为共面且非同轴，获取待测物位于激光测量器的激光束上的测距距离以及摄像头上的光轴中心点到激光测量器上的激光束发射点的第一间距，所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；

所述第一计算单元，用于将测距距离和第一间距代入反正切函数计算得到角度数；

所述调节单元，用于根据所述角度数调节摄像头的转动角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。

本发明提供的基于坐标变换的测量系统，通过建立摄像头的光轴、激光测量器的激光束以及摄像头的光轴中心与激光测量器的激光束之间的第一间距之间几何角度关系，计算得到将摄像头的光轴与激光测量器的激光束位于待测目标上相交时两者所成夹角度数，并根据该夹角度数调节摄像头的转动角度，实现精准对焦，在不同量程下，激光测量器的激光光斑始终处于摄像头的视频画面的中心，在无法看清激光光斑的情况下，通过视频画面中心锁定目标测量位置，进而完成测量，解决了光线强、距离远等不能确定激光落点位置的问题。

进一步的，还包括测量模块；所述测量模块包括第二获取单元、第一建立单元、第三获取单元、第二建立单元、转换单元和第二计算单元；

所述第二获取单元，用于当待测目标的起始点位于摄像头的光轴中心点时，执行第一次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的起始点上相交，获取待测目标的起始点到激光测量器上的激光束发射点的第一距离；

所述第一建立单元，用于以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第一坐标系，根据第一距离得到待测目标的起始点在第一坐标系下的第一坐标值；

所述第三获取单元，用于当待测目标的终止点位于摄像头的光轴中心点时，执行第二次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的终止点上相交，获取待测目标的终止点到激光测量器上的激光束发射点的第二距离；

所述第二建立单元，用于以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第二坐标系，根据第二距离得到待测目标的终止点在第二坐标系下的第二坐标值；

所述转换单元，用于根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将待测目标的终止点在第二坐标系下的第二坐标值转换为在第一坐标系下的第三坐标值；

所述第二计算单元，用于根据第一坐标系下的第一坐标值和第三坐标值，计算得到待测目标的起始点与终止点之间的距离。

进一步的，还包括测量模块；所述测量模块包括第二获取单元、第一建立单元、第三获取单元、第二建立单元、转换单元和第二计算单元；

所述第二获取单元，用于当待测目标的起始点位于摄像头的光轴中心点时，执行第一次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的起始点上相交，获取待测目标的起始点到激光测量器上的激光束发射点的第一距离；

所述第一建立单元，用于以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第一坐标系，根据第一距离得到待测目标的起始点在第一坐标系下的第一坐标值；

所述第三获取单元，用于当待测目标的终止点位于摄像头的光轴中心点时，执行第二次的对焦步骤，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测目标的终止点上相交，获取待测目标的终止点到激光测量器上的激光束发射点的第二距离；

所述第二建立单元，用于以激光测量器的激光束为Z坐标轴，建立三维空间的第二坐标系，根据第二距离得到待测目标的终止点在第二坐标系下的第二坐标值；

所述转换单元，用于根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，将待测目标的起始点在第一坐标系下的第一坐标值转换为在第二坐标系下的第三坐标值；

所述第二计算单元，用于根据第二坐标系下的第二坐标值和第三坐标值，计算得到待测目标的起始点与终止点之间的距离。

进一步的，还包括接收模块，用于接收到操作指令，执行对应操作；所述操作指令包括对焦指令和测量指令。

如图4，本发明还提供的一种基于坐标变换的测量装置，包括测量端；所述测量端包括激光测量器1、摄像头2和调角器3；所述摄像头上的光轴中心点和激光测量器上的激光束发射点的连接线与激光测量器的激光束相垂直；所述调角器与摄像头连接，用于调整摄像头的角度，使摄像头上的光轴与激光测量器上的激光束在待测物上相交。摄像头实时采集待测目标及激光光斑的图像，通过调焦实现视频画面缩放调整采集图像的大小。

调角器与摄像头连接，用于调整摄像头的角度，在不同量程下摄像头的光轴与激光测量器的激光束形成不同的几何角度关系，使得目标上的激光光斑落在摄像头的光轴上。激光测量器测距获得目标上的激光光斑到激光测量器的距离L，摄像头与激光测量器的物理间距为H，调角器只要调整摄像头的光轴与激光测量器的激光束成角度arctan(H/L)，目标上的激光光斑即可落在摄像头的光轴上。校准完成后，通过视频画面中心来锁定远处测量位置，视频画面中心显示可视化的瞄准靶心，来辅助锁定远处测量位置。

进一步的，所述测量端还包括处理器、云台和设置在云台上的角度传感器；所述摄像头、激光测量器和调角器设置在云台上；所述处理器通过通信总线或信号线分别与激光测量器、摄像头、云台、调角器和角度传感器连接；

在本实施例中，云台带动激光测量器与摄像头进行转动，由角度传感器检测云台转动的角度。处理器通过通信总线或信号线分别与激光测量器、摄像头、云台、调角器及角度传感器连接。处理器控制这些连接器件，例如，控制云台进行转动，获取角度传感器检测的云台转动角度，控制摄像头执行图像缩放，控制调角器调整摄像头的角度，控制激光测量器执行测量操作。

所述基于坐标变换的测量装置还包括服务端和至少一个以上的终端；所述服务端通过网络分别与测量端和终端连接。

在具体实施方式中，本装置还包括服务端及终端。服务端分别与测量端及终端通过网络连接。服务端提供测量端和终端之间的通信接口，服务端接收来自/发送去往测量端或终端的电信号。终端向用户显示可视输出，包括视频画面、测量过程/结果的文本信息、图形信息及其任意组合。终端接收用户的控制输入，向测量端发送控制信号，执行目标测量。

综上所述，本发明提供的基于坐标变换的测量方法、系统及装置，通过建立摄像头的光轴、激光测量器的激光束以及摄像头的光轴中心与激光测量器的激光束之间的第一间距之间几何角度关系，计算得到将摄像头的光轴与激光测量器的激光束位于待测目标上相交时两者所成夹角度数，并根据该夹角度数调节摄像头的转动角度，实现精准对焦，在不同量程下，激光测量器的激光光斑始终处于摄像头的视频画面的中心，在无法看清激光光斑的情况下，通过视频画面中心锁定目标测量位置，进而完成测量，解决了光线强、距离远等不能确定激光落点位置的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。