撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法

摘要

本发明涉及一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法。该方法：首先，分别建立整体空间直角坐标系xyz、相机直角坐标系XYZ以及在相机拍摄平面上的直角坐标系x₁y₁z₁；其次，建立各直角坐标系之间的关系，并计算相机在平面上的拍摄范围ABCD的A、B、C、D点坐标以及任意一点P的坐标；然后，在区域ABCD中选取特征点，并在图像中识别出各个特征点在图像中的像素位置，建立及求解线性方程组，即可得图像与真实空间的映射关系；最后，通过对船体上的特征点进行识别，并根据上述映射关系，即可确定船体在平面内的位移。本发明测量方法采用非接触式，测量精度高，特别在大型试验测量中作用更加明显。

主权项

一种撞桥试验中船体运动状态数字图像测量方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S01：以空间中的水平面为xy平面，竖向为z轴方向建立整体空间直角坐标系xyz；以相机镜头所在平面为XY平面，相机光轴方向为Z轴方向建立相机直角坐标系XYZ，该相机直角坐标系的原点与整体空间直角坐标系的原点重合；步骤S02：设相机拍摄平面为ψ，相机在平面ψ上的拍摄范围为区域ABCD，区域ABCD在相机中的成像平面为A'B'C'D'；在平面ψ任意选择一点o₁建立直角坐标系x₁y₁z₁，x₁y₁平面平行于平面ψ，z₁轴垂直于平面ψ；并设点o₁在整体空间直角坐标系xyz中的坐标为(x₀,y₀,‑z₀)；步骤S03：设相机直角坐标系XYZ中，相机X方向的视场角为2θ₁，Y方向的视场角为2θ₂，相机X方向的分辨率为N_x，Y方向的分辨率为N_y；在相机直角坐标系XYZ中，分别计算直线OA、OB、OC、OD的方向向量及直线方程；相机直角坐标系XYZ绕X轴、Y轴、Z轴旋转角度α、β、γ后与整体空间直角坐标系xyz重合；则可得在整体空间直角坐标系xyz中，直线OA、OB、OC、OD的方向向量，并进一步求得A、B、C、D四个端点的坐标，得到区域ABCD的大小和形状；步骤S04：区域ABCD中任意一点P在成像平面A'B'C'D'中的成像位置为P'；设点P'像素坐标为(i,j)(i,j)，其中，i表示水平方向像素点个数，j表示竖直方向像素点个数；在整体空间直角坐标系xyz中，可求得直线OP的方向向量、直线方程以及P点坐标；步骤S05：在区域ABCD中选取特征点，并通过测量工具测量出各个特征点在直角坐标系x₁y₁z₁中的坐标位置，即(x1₁,y1₁,z1₁)，(x1₂,y1₂,z1₂)，…，(x1_n,y1_n,z1_n)，其中n为特征点个数；在图像中识别出各个特征点在图像中的像素位置，并建立及求解线性方程组，即可得图像与真实空间的映射关系；步骤S06：通过对船体上的特征点进行识别，即可得各个特征点的像素坐标(i,j)，然后带入步骤S05的映射关系就可求解出该特征点在整体空间直角坐标系xyz中的空间坐标位置(x_k(t),y_k(t),z_k(t))(k＝1,2,…,n)，通过前后两次坐标即可确定船体在平面ψ内的位移；所述步骤S03具体计算过程如下，在相机直角坐标系XYZ中，分别计算直线OA、OB、OC、OD的方向向量及直线方程为：直线OA的方向向量为{tanθ₁,‑tanθ₂,1}，其直线方程为：$\frac{X}{{\mathrm{tan\theta }}_1}=-\frac{Y}{{\mathrm{tan\theta }}_2}=Z$直线OB的方向向量为{tanθ₁,tanθ₂,1}，其直线方程为：$\frac{X}{{\mathrm{tan\theta }}_1}=\frac{Y}{{\mathrm{tan\theta }}_2}=Z$直线OC的方向向量为{‑tanθ₁,tanθ₂,1}，其直线方程为：$-\frac{X}{{\mathrm{tan\theta }}_1}=\frac{Y}{{\mathrm{tan\theta }}_2}=Z$直线OD的方向向量为{‑tanθ₁,‑tanθ₂,1}，其直线方程为：$-\frac{X}{{\mathrm{tan\theta }}_1}=-\frac{Y}{{\mathrm{tan\theta }}_2}=Z$由于相机直角坐标系XYZ分别经X轴、Y轴、Z轴旋转角度α、β、γ后与整体空间直角坐标系xyz重合，则可得相机直角坐标系XYZ与整体空间直角坐标系xyz的关系为：$\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & sin\alpha \\ 0& -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)Tx$$\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)\left[\begin{array}{ccc}cos\beta & 0& -sin\beta \\ 0& 1& 0\\ sin\beta & 0& cOS\beta \end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)Ty$$\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)\left[\begin{array}{ccc}cos\gamma & \sin \gamma & 0\\ -sin\gamma & cos\gamma & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)Tz$其中，Tx、Ty、Tz分别为绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵；可得，在整体空间直角坐标系xyz中，直线OA、OB、OC、OD的方向向量分别为：OA方向向量：{tanθ₁,‑tanθ₂,1}TxTyTzOB方向向量：{tanθ₁,tanθ₂,1}TxTyTzOC方向向量：{‑tanθ₁,tanθ₂,1}TxTyTzOD方向向量：{‑tanθ₁,‑tanθ₂,1}TxTyTz矩阵Tx、Ty、Tz相乘得到最终的旋转矩阵T，即$\begin{array}{c}T=TxTyTz=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & sin\alpha \\ 0& -sin\alpha & \cos \alpha \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos\beta & 0& -sin\beta \\ 0& 1& 0\\ sin\beta & 0& \cos \beta \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}cos\gamma & sin\gamma & 0\\ -sin\gamma & cos\gamma & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]\end{array}$其中：r₁＝cosβcosγr₂＝cosβsinγr₃＝‑sinβr₄＝sinαsinβcosγ‑cosαsinγr₅＝sinαsinβsinγ+cosαcosγr₆＝sinαcosβr₇＝cosαsinβcosγ+sinαsinγr₈＝cosαsinβsinγ‑sinαcosγr₉＝cosαcosβ；根据上述公式并计算可得，点A、B、C、D的坐标分别为：A点坐标：$x=\frac{-z_0}{r_3{\mathrm{tan\theta }}_1-r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(r_1{\mathrm{tan\theta }}_1-r_4{\mathrm{tan\theta }}_2+r_7)$$y=\frac{-z_0}{r_3{\mathrm{tan\theta }}_1-r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(r_2{\mathrm{tan\theta }}_1-r_5{\mathrm{tan\theta }}_2+r_8)$z＝‑z₀B点坐标：$x=\frac{-z_0}{r_3{\mathrm{tan\theta }}_1+r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(r_1{\mathrm{tan\theta }}_1+r_4{\mathrm{tan\theta }}_2+r_7)$$y=\frac{-z_0}{r_3{\mathrm{tan\theta }}_1+r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(r_2{\mathrm{tan\theta }}_1+r_5{\mathrm{tan\theta }}_2+r_8)$z＝‑z₀C点坐标：$x=\frac{-z_0}{-r_3{\mathrm{tan\theta }}_1+r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(-r_1{\mathrm{tan\theta }}_1+r_4{\mathrm{tan\theta }}_2+r_7)$$y=\frac{-z_0}{-r_3{\mathrm{tan\theta }}_1+r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(-r_2{\mathrm{tan\theta }}_1+r_5{\mathrm{tan\theta }}_2+r_8)$z＝‑z₀D点坐标：$x=\frac{-z_0}{-r_3{\mathrm{tan\theta }}_1-r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(-r_1{\mathrm{tan\theta }}_1-r_4{\mathrm{tan\theta }}_2+r_7)$$y=\frac{-z_0}{-r_3{\mathrm{tan\theta }}_1-r_6{\mathrm{tan\theta }}_2+r_9}(-r_2{\mathrm{tan\theta }}_1-r_5{\mathrm{tan\theta }}_2+r_8)$z＝‑z₀。