??? 摘? 要： 針對港口集裝箱調(diào)度過程中單箱操作效率低的不足，提出了利用測量技術(shù)" title="數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)">數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)港口集裝箱的雙箱調(diào)度。給出了實(shí)際應(yīng)用中提高精度的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)成功應(yīng)用于港口集裝箱調(diào)度中。?

??? 關(guān)鍵詞： 三維DLT； 攝影測量技術(shù)； 共線方程； 相機(jī)檢校； 圖像分割

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??? 集裝箱運(yùn)輸是現(xiàn)代交通運(yùn)輸發(fā)展的代表，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性、準(zhǔn)時性大大提高，對自然環(huán)境的影響小，并且其綜合產(chǎn)業(yè)鏈長，影響范圍大，對城市發(fā)展作用顯著。國內(nèi)外研究表明，港口集裝箱運(yùn)輸對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)是原油的4倍左右，煤炭的2倍左右。正是由于集裝箱運(yùn)輸?shù)倪@一特征及其規(guī)模化的發(fā)展指標(biāo)，使其得到各個港口城市在發(fā)展上的重點(diǎn)支持，成為城市經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展和功能提升的核心資源。所以在港口中集裝箱的裝卸所花費(fèi)的時間對于整個集裝箱的運(yùn)輸格外重要。?

??? 目前在港口岸邊集裝箱橋式起重機(jī)的智能化抓箱控制的方法中，在國內(nèi)外主要用到以下幾種方法：激光定位、3D激光雷達(dá)＋精確圖像處理系統(tǒng)、基于多相機(jī)的立體視覺。?

??? 國內(nèi)外有許多專家、學(xué)者在傳統(tǒng)相機(jī)校驗(yàn)方面做了大量的工作。澳大利亞的墨爾本大學(xué)編制了一套名為《Australis》數(shù)碼相機(jī)校驗(yàn)軟件，該軟件具備規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)自動獲取、空間坐標(biāo)點(diǎn)的模擬再現(xiàn)、相機(jī)內(nèi)外方位元素，畸變差項(xiàng)計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果分析等功能。但該軟件存在一些不足，如可進(jìn)行處理的標(biāo)志點(diǎn)形狀單一，而且標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)中心坐標(biāo)獲取精度不理想，校驗(yàn)過程不完整，缺少對校驗(yàn)成果的精度和可靠性評估過程。在國內(nèi)，比較有代表的是武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院近景攝影測量實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室對傳統(tǒng)相機(jī)在校驗(yàn)理論、方法、實(shí)現(xiàn)等方面做了較多研究工作。但是在CCD相機(jī)校驗(yàn)方面所做工作也只是剛剛開始，如在CCD相機(jī)校驗(yàn)的內(nèi)容、方法、提高校驗(yàn)精度等方面所做的工作還較少，缺乏系統(tǒng)的研究和探討。?

??? 本文首先利用像點(diǎn)坐標(biāo)儀坐標(biāo)和相應(yīng)物點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間的線性關(guān)系建立直接線性變換模型，通過CCD相機(jī)畸變分析建立了相應(yīng)的校驗(yàn)?zāi)Ｐ?；其次采用順序迭代法求解相機(jī)內(nèi)外參數(shù)；最后通過精度分析給出了實(shí)際應(yīng)用中提高精度的方法。?

1 攝影測量的數(shù)學(xué)模型 ?

??? 在立體視覺系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是兩個相機(jī)獲得的圖像I₁和I₂，如圖1所示。如果p₁、p₂是空間同一點(diǎn)P在兩個圖像的投影點(diǎn)，則稱p₁、p₂為對應(yīng)點(diǎn)，它們之間有對應(yīng)的幾何關(guān)系^[1-2]。?

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??? 任意空間一點(diǎn)P與兩相機(jī)的光心O₁與O₂組成平面π，該平面與兩相機(jī)平面分別相交，得到兩條直線l₁與l₂，而P在兩平面所成的像點(diǎn)p₁與p₂必定分別落在直線l₁與l₂上，即在平面I₁上O₁P與l₁交于點(diǎn)p₁，在平面I₂上O₂P與l₂交于點(diǎn)p₂。直線l2定義為在圖像平面I₂上與圖像平面I₁上的點(diǎn)p₁對應(yīng)的極線。同理，圖像平面I₂上的點(diǎn)p₂在圖像平面I₁對應(yīng)的極線為l₁。?

??? 如圖1所示，平面π上有空間坐標(biāo)點(diǎn)P和P’均在圖像平面I₁成的像點(diǎn)為p₁，但P和P’點(diǎn)在圖像I₂所成的像點(diǎn)不同，雖然它們?nèi)远荚谥本€l₂上。因此，只要知道了兩平面極線對應(yīng)關(guān)系，就能解決從已知圖像坐標(biāo)點(diǎn)到空間坐標(biāo)點(diǎn)的非唯一性，達(dá)到空間定位的目的。因此，利用雙目相機(jī)獲得的空間坐標(biāo)還要確定相機(jī)之間的位置。?

??? 于是，通過兩個相機(jī)的圖像坐標(biāo)來計(jì)算空間坐標(biāo)的關(guān)系為^[3-4]:?

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??? 上式中,X、Y、Z是目標(biāo)點(diǎn)（模型測點(diǎn)）物空間坐標(biāo)；X_s、Y_s、Z_s是攝影中心的物方空間坐標(biāo)；a_i、b_i、c_i是像空間坐標(biāo)系相對此物空間坐標(biāo)系的方向余弦（i＝1，2，3）；f、x₀、y₀是攝影的內(nèi)方位元素；x、y是像點(diǎn)坐標(biāo)（為觀測值）；Δx、Δy是系統(tǒng)誤差改正數(shù)。?

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)??????

??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，將雙箱對準(zhǔn)簡化為單箱操作，主要是測量兩個集裝箱的相對位置的精確值（距離，角度），結(jié)合控制室的控制與檢測裝置，在空中調(diào)整兩吊具與集裝箱實(shí)現(xiàn)空間上的匹配。

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??? 系統(tǒng)的處理流程可分為三個階段，如圖3所示。?

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??? (1) 相機(jī)定標(biāo)：其處理結(jié)構(gòu)如圖4所示，以設(shè)定的已知參照物為標(biāo)定，并與成像單元對應(yīng)，求解出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，包括相機(jī)坐標(biāo)系相對于標(biāo)定物坐標(biāo)系的空間旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣、相機(jī)的焦距、光軸與像元平面的交點(diǎn)、兩相機(jī)的相對位置等。

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??? (2)目標(biāo)提取和特征點(diǎn)對應(yīng)： 解決在各種光照條件下集裝箱的提取問題，一般可根據(jù)集裝箱的具體特征加以分析，如角點(diǎn)、直線，并建立這些特征點(diǎn)在兩CCD成像的對應(yīng)關(guān)系。?

??? (3) 目標(biāo)定位：依據(jù)成像關(guān)系式，從已知的相機(jī)參數(shù)、兩CCD成像特征對應(yīng)關(guān)系解算出特征點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)。?

3 仿真結(jié)果?

3.1 相機(jī)內(nèi)外因素的確定?

??? 試驗(yàn)時，首先準(zhǔn)備一個如圖5所示的三維定標(biāo)模板，并標(biāo)出控制點(diǎn)。假設(shè)三維定標(biāo)模板的某一個角為原點(diǎn)，從而可知在標(biāo)模板上各控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)。用兩個攝像機(jī)拍攝定標(biāo)模板，通過圖像求出定標(biāo)模板上控制點(diǎn)對應(yīng)的像坐標(biāo)。在檢校相機(jī)時，運(yùn)用三維DLT算法^[5-6]和用已知的空間坐標(biāo)及求出的相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)求解相機(jī)的11個內(nèi)外參數(shù)，其流程圖如圖6所示。?

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??? 在相機(jī)距離目標(biāo)板的距離為1.8m左右, 采用BASLER-A312f的攝像頭,定標(biāo)的結(jié)果分別如表1、表2、表3所示。?

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3.2? 集裝箱角點(diǎn)的確定?

??? 在天氣情況較好的情況下，集裝箱圖像的分割試驗(yàn)如圖7所示^[7]，其特點(diǎn)是采用相對簡單的算法提取集裝箱的特征角點(diǎn)，提高處理精度。有兩種處理方法：(1)基于彩色空間的集裝箱分割，這主要運(yùn)用集裝箱的彩色特征這個先驗(yàn)知識對集裝箱進(jìn)行分割;(2)基于先驗(yàn)知識的集裝箱分割。在橋吊現(xiàn)場，集裝箱是由卡車運(yùn)至大致區(qū)域，因此其位置可提前估計(jì)設(shè)定，同時運(yùn)用集裝箱尺寸標(biāo)準(zhǔn)的已知知識，找到相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。?

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3.3? 數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)下集裝箱調(diào)度的實(shí)現(xiàn)?

??? 以設(shè)定的已知參照物為標(biāo)定，并與成像單元對應(yīng)，求解出如圖8所示的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)后，再通過圖像分割找到集裝箱的角點(diǎn)，依據(jù)成像關(guān)系式，從已知的相機(jī)參數(shù)、兩CCD成像特征對應(yīng)關(guān)系解算出角點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)。在此過程中應(yīng)注意角度匹配和位置匹配；然后根據(jù)幾何關(guān)系式，計(jì)算兩個集裝箱之間的關(guān)系。從而可以根據(jù)已知一個集裝箱就可以找到另外一個集裝箱。?

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4 精度分析?

??? 通過多次實(shí)際的攝影測量處理，分析得到攝影測量的精度與以下因素有關(guān)：?

??? (1) 像點(diǎn)的精度。為了求得物點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，首先必須確定像點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)。因此為了提高物方精度，必須提高像點(diǎn)的精度，在確定像點(diǎn)坐標(biāo)時必須非常小心。本文是利用Hough變換原理，采用特征提取的方法確定像點(diǎn)。?

??? (2) 提高相機(jī)的分辨率。相機(jī)的分辨率越高，越容易精確地標(biāo)定像點(diǎn)位置，像點(diǎn)精度的提高又必然導(dǎo)致精度提高。?

??? (3) 相機(jī)校驗(yàn)質(zhì)量。由于非量測數(shù)碼相機(jī)存在較大的光學(xué)畸變，因此相機(jī)校驗(yàn)可以較大地提高精度。?

??? (4) 相機(jī)位置對精度的影響。兩相機(jī)主光軸成垂直狀比兩相機(jī)主光軸成平行狀產(chǎn)生的誤差小。?

??? (5) 相片數(shù)量^[8]。在確定像點(diǎn)點(diǎn)位時都會存在一定的誤差。如果所需像點(diǎn)在某一張相片上比較模糊，則誤差會比較大，這樣也就導(dǎo)致求解的物點(diǎn)誤差比較大，此時如果該點(diǎn)出現(xiàn)在三張相片以上，則此點(diǎn)在某一張相片上的較大誤差由于采用最小二乘法會使此誤差得到補(bǔ)償；如果此點(diǎn)只出現(xiàn)在二張相片上，這種誤差就得不到補(bǔ)償。因此通常需要在較多的相片上標(biāo)定一個像點(diǎn)點(diǎn)位。?

??? (6) 控制點(diǎn)的分布。控制點(diǎn)盡量均勻分布在相機(jī)的鏡頭垂直下方。?

??? (7) 攝影方式，包括攝影比例尺、交會角的大小、對攝影點(diǎn)的攝影覆蓋次數(shù)。?

??? (8) 被測物體的照明狀態(tài)、標(biāo)志的設(shè)計(jì)與分布及被測物體表面處理的水準(zhǔn)。?

??? (9) 對圖像處理方法和攝影測量處理方法的選擇。?

??? 在實(shí)際進(jìn)行攝影測量時，為了減少誤差，提高精度，需要注意如下事項(xiàng)：?

??? (1) 精確確定像點(diǎn)位置。?

??? (2) 使用分辨率比較高的數(shù)碼相機(jī)。?

??? (3) 使用校驗(yàn)好的相機(jī)。?

??? (4) 保證相機(jī)之間的交匯角接近90。?

??? (5) 保證所有點(diǎn)出現(xiàn)在三張相片以上。?

??? (6) 提高定位精度，通過研究控制點(diǎn)的布置規(guī)律，或增加相機(jī)數(shù)目以降低空間定位誤差，爭取使空間定位精度達(dá)到2mm，為現(xiàn)場調(diào)試留有更大的余量。?

??? (7) 從現(xiàn)場拍攝集裝箱的圖片，尤其是各種光照條件下的目標(biāo)圖像（如陽光，雨，霧，晚上），以尋求最佳的集裝箱提取算法。?

??? 在港口集裝箱調(diào)度中，快速找到集裝箱的吊孔是快速調(diào)度的關(guān)鍵。本文較詳細(xì)論述了基于非量測相機(jī)的三維攝影測量方法在港口集裝箱調(diào)度中的應(yīng)用。?

??? 在集裝箱調(diào)度中，攝影測量技術(shù)其主要優(yōu)勢在于花費(fèi)時間少、使用方便、可視性好，因此是非常可行的技術(shù)。?

參考文獻(xiàn)?

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