三维影像分析控制点测量与坐标转换软件系统的设计与实现

艾康伟,贵慧宏,王博伟,彭磊华

三维影像分析控制点测量与坐标转换软件系统的设计与实现

艾康伟1,贵慧宏2,王博伟1,彭磊华1

三维运动影像分析通常采用的算法是直接线性变换法(DL T),而控制点的空间三维坐标是应用直接线性变换法进行标定基本参数,它目前是通过三维标定框架的已知控制点的坐标所获得的。由于三维标定框架所覆盖的空间有限,对于较大运动范围运动项目的三维运动影像分析会造成较大的误差。研究目的是在全站仪(Topcon GPT-3002N)为硬件的基础上,以对象编程语言C#为开发工具开发了三维影像分析控制点测量与坐标转换软件系统。此系统为对运动空间任意布置的控制点,或标定框架上的控制点的三维坐标的精确测量提供了实用的工具,也为在运动技术诊断和分析中应用三维跟踪扫描影像分析方法奠定了基础。此外,还对控制点目标观测与坐标框架换算系统的需求、总体架构、数据库设计、算法设计、具体功能和应用实现等方面进行了较为详细的论述。

控制点;标定;DL T算法;全站仪;罗德里格矩阵

1 前言

三维运动录像分析是运动生物力学研究的基本手段之一,在运动技术诊断与分析方面起着重要的作用。三维运动影像分析的目的是将两台以上摄像机拍摄的空间目标点的像坐标通过特定的算法解算出目标点的实际空间坐标。目前,通常采用的算法是直接线性变换法[12](简称DL T),根据直接线性变换法公式,空间目标点的像坐标与实际空间坐标的关系是由11个转换系数所确定的,求解这11个转换系数的过程称为标定。

对摄像机进行标定通常是采用三维标定框架来完成。标定框架一般是由若干个控制点(球)所构成,这些控制点在指定坐标系中的坐标通常是用测绘仪器精确测量得到。依据直接线性变换法公式,要完成求解11个转换系数的标定过程,至少需要已知6个以上控制点的空间坐标。除了控制点的测量准确性外,控制点的空间分布和数目对标定的精度也会产生影响[5]。

由于三维标定框架控制点的坐标事先已测量得到,所以在使用时省时方便,但由于加工和携带方面的原因,三维标定框架不可能做得很大。因此,三维标定框架所覆盖的空间范围有限,当目标点在三维标定框架所确定的空间范围之外时,其三维录像解析的精度存在较大的不确定性[10];这样,对于运动范围较大的运动项目应用三维录像解析分析作为技术诊断和评价的手段有较大局限性。

在国内应用较为普遍的三维运动录像分析系统,如德国的SIM IMotion、美国Peak Motus等系统都具有三维跟踪扫描影像分析的功能,简称Pan/Tilt/Zoom功能[11]。要实现此功能,就要对较大运动空间所放置的若干附加控制点的三维坐标进行测量,并将其转换到三维标定框架所确定的参考坐标系中,在三维跟踪扫描影像拍摄时,除了拍摄运动目标外,还要在运动画面中至少拍摄下2个以上的附加控制点,这样才能应用影像分析系统的Pan/Tilt/ Zoom功能实现运动目标的三维坐标的解析计算①SIM IMotion User Manual,Simi Reality Motion Systems GmbH,Germany.。因此,对附加控制点的三维坐标进行测量,并将其转换到任意指定的坐标系中是实现三维跟踪扫描影像分析的前提。

本研究的目的是以全站仪(Topcon GPT-3002N)为硬件开发出一套对空间任意摆放的控制点进行目标观测,并将观测得到的数据转换到指定坐标系中的坐标的软件系统。应用此系统除了可对三维标定框架控制点的三维空间坐标测量,或校验测量;还可对空间任意放置的附加控制点进行三维空间坐标进行测量和转换,为较大范围运动项目跟踪扫描三维影像分析奠定基础。

2 全站仪简介

2.1 全站仪的概念

由于电子测距仪、电子经纬仪以及微处理机的产生和性能不断完善,在20世纪60年代末出现了把电子测距、电子测角和微处理机结合成一个整体,能自动记录、储存并具备某些固定计算程序的电子速测仪。因该仪器在一个测站点能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、储存等工作,较完善地实现了测量和数据处理过程的电子化和一体化,所以称为“全站型电子速测仪”,通常又称为“电子全站仪”或简称“全站仪”。

2.2 全站仪的基本组成

全站仪由电子测角、电子测距、电子补偿、微机处理装置4部分组成,它本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统,其微机处理装置由微处理器、存储器、输入和输出部分组成。由微处理器对获取的倾斜距离、水平角、垂直角、垂直轴倾斜误差、视准轴误差、垂直度盘标差、棱镜常数、气温、气压等信息加以处理,从而获得各项改正后的观测数据和计算数据。在仪器中的只读存储器中固化了测量程序,测量过程由程序来完成。

2.3 全站仪基本原理

全站仪角度测量所采用的电子经纬仪在结构和外观上与光学经纬仪类似,它采用光电扫描和电子元件进行自动读数和液晶显示。电子测角虽仍然采用度盘,但它不是按照度盘上的分划线用光学读数法读取角度值,而是从度盘上取得电信号,再将电信号转换为数字并显示角度值。目前,主流全站仪的测角系统的测角精度可达±0.5″。

全站仪测距采用电子测距即电磁波测距,它是以电磁波作为载波,传输光信号来测量距离的一种方法。它的基本原理是利用仪器发出的光波(光速C已知),通过测定出光波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离S,公式如下:

长测程全站仪测程可大于15 km,一般的测量精度为±(5 mm+1×10-6D),D为测量的距离。

全站仪所采用的无棱镜测距技术的优点在于只要测点的反射介质符合无棱镜测量的条件,就不需要在测点上放置棱镜,即可测量出该点的三维坐标。目前,无棱镜测距技术的一般测程在300 m左右,精度约为±(3 mm+2 ×10-6D)。

2.4 全站仪的应用

全站仪的应用范围已不只是局限于测绘工程、建筑工程、交通与水利工程、地基与房地产测量,在大型工业生产设备和构件的安装调试、船体设计施工,大桥水坝的变形观测以及竞技体育,如田径项目田赛的成绩测量等领域中也得到了广泛应用。

3 控制点目标观测与坐标转换软件系统的需求分析

3.1 总体描述

本项目的研究目标是使用全站仪无棱镜测量技术对三维标定框架各杆上的控制点(球)和附加控制点(球)进行观测,获取其精确坐标,并将其转换到指定坐标系。基于这一目标,对项目软件的主要描述如下(图1),系统部署于计算机中,一方面,以串口通讯的方式,向全站仪发送观测指令,由全站仪完成对观测目标的测量,并将观测结果返还给系统软件;另一方面,系统软件将观测结果存储于数据库中,允许用户定义坐标系,可将观测结果换算于该坐标系并导出[3]。

系统具体观测要求:

测量一:使用全站仪精确测量三维标定框架各控制点的三维坐标,并将其转换到以指定控制点为原点的三维直角坐标系中。

测量二:对三维标定框架之外放置的附加若干个控制点(球)的三维坐标进行测量,并将其转换到三维标定框架所定义的直角坐标系中。

系统软件的总体作业流程为由全站仪采集观测目标的坐标,计算各目标点的站心坐标,并制定目标图片;从观测目标中,指定基准点,确定坐标系统;若选择的基准点不满足条件,则重新选择;反之则换算所有观测目标的坐标,并导出给用户(图2)。

图1 系统模型图

图2 观测流程图

3.2 用例分析

按照总体作业流程,首先新建数据管理、数据采集、坐标换算和目标操作4个功能包。

3.2.1 数据管理

数据管理主要指项目管理、数据导出和数据查询。项目管理包括创建项目、编辑项目和删除项目,参数项有名称、创建时间、相关图片文件夹路径以及备注;数据导出指将目标点坐标的观测和换算结果导出为txt或csv格式;历史查询,指系统允许用户对系统中的项目信息进行查询。

3.2.2 数据采集

数据采集主要指仪器连接、观测方式设置和方位观测。仪器连接指全站仪与计算机通讯的端口号与通讯参数的设置;观测方式设置包括单面测试和双面测试的选定;方位观测则包括目标点的观测、坐标计算和保存。

3.2.3 坐标换算

坐标换算包括框架坐标系创建和目标点坐标换算。框架坐标系创建,指通过设定框架原点、X轴向点和XY共面点定义框架坐标系;而目标点坐标换算,则指将目标点观测到的站心坐标换算至框架坐标系中。

3.2.4 目标操作

目标操作包括添加目标和删除目标,主要考虑到可能部分参算点的站心坐标为已知值允许用户直接输入,此外,可能误输或误测的情况允许删除。添加目标,指由用户直接输入目标点的站心坐标创建目标点;删除目标点,指由用户选择所要删除的目标点记录,直接删除。

4 系统总体架构

根据上面对系统需求的分析,将系统切分为数据管理、坐标换算、数据采集和目标操作4个主要功能模块。此外,考虑到系统易用性,增添视图和帮助模板(图3、图4)。

图3 坐标观测与框架换算系统图

图4 观测软件功能模块图

5 系统设计

5.1 数据库设计

数据库设计是指设计数据库结构特性,即为特定应用环境构造出最优的数据模型[4]。根据系统需求,系统按照项目方式组织数据,需要创建项目表(Projects)存储项目的基本信息;目标点坐标来源有全站仪观测和用户输入,全站仪观测将产生直接观测值和计算出的坐标,分别存储于直接观测值表(GPTMeasurements)和坐标解算值表(Points);此外,为了关联点与项目,便于查询维护,创建关联表(Relations)。

5.2 系统算法设计

全站仪的观测方法有极坐标法和方向观测法[9]。系统中,主要采用极坐标法实现,该方法将仪器架设到已知坐标的稳定点,利用另一已知点进行定向,然后观测未知点的水平角、垂直角和斜距,最后通过观测量和已知点坐标计算未知点的三维坐标。而框架坐标的换算,则直接采用罗德里格矩阵[6-7],采用3对公共点计算出转换七参,即3个平移量、3个旋转量和1个尺度量;然后,换算出所有目标点的框架坐标值。系统的关键算法流程如图5所示。

图5 系统算法流程图

6 系统功能实现

本系统的功能设计,采用了面向对象的机制和思想。对系统建模而言,如果模型越接近现实系统的结构,就越容易反映现实的系统,并且适应现实系统的变化[1,2]。本系统软件选择了面向对象编程语言C#,完成系统功能的开发实现,下面将对系统整体功能,如串口通信实现、对象数据库连接接口与类、自定义类和窗体类进行简要描述。

全站仪的数据采集主要由计算机与全站仪通信和坐标解算两部分组成。计算机与全站仪之间的通信是坐标换算的前提,通信模式主要包括有线和无线(图6)。

数据库的接连主要采用抽象工厂模式设计,允许以多种方式连接多种类型的数据库,具体包括ODBC、Orcale、MsSql和OleDb。为实现全站仪数据观测、数据解算、数据保存功能,系统设计了全站仪类、观测数据类、常用数据方法类、坐标换算类、三维点类、目标点数据对象类。为了更好地与用户交互,系统设计了主窗体、观测窗体、工程历史查询窗体、工程窗体、坐标解算窗体、仪器设置窗体和系统关于窗体。

图6 全站仪作业流程图

7 控制点目标观测与坐标转换软件系统的功能实现

为验证控制点目标观测与坐标转换软件系统的数据通信、坐标转换等功能,对国内广泛使用的Peak三维标定框架上的24个控制点坐标进行了实际目标观测与坐标转换,并将所得到的数据与Peak三维标定框架制造厂家给出的数据进行对比。

7.1 准备工作

使用串口线连接计算机和Topcon GPT-3002N全站仪,并测试端口的可用性;正确架设三维标定框架;启动全站仪,将全站仪置于斜距观测模式下,并设目标常数为0;启动目标观测与坐标框架换算系统。

7.2 实际操作

Peak三维标定框架是辐射式标定框架,由8根杆(杆号由1～8),每根杆上有3个控制点(球)(点分别以A～X字母表示)所构成,控制球的直径为D=35 mm。将Peak标定框架以水平摆放方式①Peak Calibration Frame User’s Reference Manual,PEAK Perfo rmance Technologies INC.,USA.架设在三角架上,使用全站仪目标观测系统对框架上的24个控制点逐点进行测量,一遍测量完成后,将框架任意旋转一角度进行下一次的测量,这样的过程共进行3次,得到3组观测数据。应用系统的坐标转换功能,将3组控制点的站心坐标值转换到Peak框架以水平摆放所确定的直角坐标系中(图1)。

7.3 测量结果对比

表1给出了Peak框架制造厂家给出的控制点三维坐标数据与本系统对Peak框架24个控制点进行3次观测测量得到的三维坐标平均值的数据对比。

从两组数据的对比可知:对所有的24个控制点来说,在X轴、Y轴和Z轴方向上最大差值分别是0.0186 m(发生在J控制点),0.0128 m(发生在D控制点)和0.0165 m(发生在G控制点),在X轴、Y轴和Z轴方向上所有的24个控制点平均差值分别是0.0088 m、0.0056 m和0.0034 m。

Peak框架所给出的24个控制点的三维坐标数据是在标定框架出厂前测量得到的,测量就会产生系统的和人为的误差,在框架使用10多年后,其真值也会发生变化。本次测量是对框架当前的真值进行的测量,两组测量的数据有差别是完全可以理解的。从整体上看,在X轴、Y轴和Z轴方向平均差值不超过0.01 m,说明所开发的控制点目标观测与坐标转换软件系统的功能得到了实现。

表1 与Peak框架控制点三维坐标数据对比一览表

8 总结

本文从控制点目标观测与坐标框架换算系统的需求、总体架构、数据库设计、算法设计、具体功能和应用实现等方面进行了较为详细的描述,对将来同领域的研究和尝试有一定的借鉴意义。此外,控制点目标观测与坐标框架换算系统集成了计算机、通信、数据库和测量技术,实现了控制点目标观测、坐标换算和数据存储功能,极大程度地提高了控制点目标方位获取的高效性和准确性,为体育运动研究中应用三维扫描录像分析方法对运动技术进行全面深入的分析诊断和研究奠定了基础。

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The Design and Realization of the Software System to Measure Control Points and Transform Coordinates in 3D M otion Analysis

A I Kang-w ei1,GU I Hui-hong2,WANG Bo-wei1,PENG Lei-hua1

Direct Linear Transfo rmation(DL T)is one of main algo rithm s used in 3D motion image analysis,moreover the spatial coo rdinates of control points are the fundamental parameters to calibrate the cameras using DL T algorithm,and are usually given by 3D calibration frame.Because of the lim ited room covered by 3D calibration frame,the error w ill occur w hen using 3D mo tion image analysis system to track and measure the moving object in the relative large range.The purpose of this study was to develop the software system to measure control points and transform coo rdinates using C#p rogramm ing language w ith the total station(Topcon GPT-3002N).This system can p rovide an app lied tool to survey the accurate spatial coo rdinates of control points positioned as you w ish in the large range,o r fixed on the 3D calibration frame,and meet the needs to carry out 3D tracking mo tion image analysis in analyzing and diagnosing the techniques in spo rt movements.In addition,the demands of the system to measure control points and transfo rm coordinates,general structure,design of database and algorithm,functions and realization in p ractice were describe in details in this paper.

control points;calibration;DL T a lgorithm;tota l station;Lod rigues M atrix

G804.6

A

1000-677X(2011)01-0039-05

2010-08-11;

2010-12-09

国家体育总局体育科学研究所基本科研业务费资助项目(09-04)。

艾康伟(1959-),男,江苏南京人,研究员,研究方向为运动生物力学和体育工程,Tel:(010)87182535,E-mail:aikangwei@126.com。

1.国家体育总局体育科学研究所,北京100061;2.北京中软强网信息技术有限公司,北京100094

1.China Institute of Spo rts Science,Beijing 100061,China;2.Beijing Chinasoft Powernet Info rmation Technology Co.Ltd.,Beijing 100094,China.