[发明专利]一种基于偏振成像的冰形三维测量方法

说明书

本发明提出了一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用线偏振光源对各种冰形进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；对线激光视觉传感器进行标定；对旋转台进行标定；用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标；通过本发明的方法，为冰形在线三维测量奠定良好的理论和技术基础。

技术领域

本发明涉及光学三维测量和计算机视觉领域，尤其涉及一种基于偏振成像的冰形三维测量方法。

背景技术

飞机结冰广泛存在于飞行实践中并对飞行安全构成严重威胁，它不仅会破坏空气的平滑流动，增加飞行阻力，还会改变机翼的气动特性，引起舵面控制失效或反效。飞机不同部件上的结冰都可能会影响飞机的安全飞行。现在几乎所有的结冰研究都从测量结冰风洞中飞机表面结冰外形开始。

到目前为止，测量飞机结冰外形的方法主要有：截面轮廓法、摄影测量法、铸模法、激光线扫描法。上述方法都有其优势，但同样具有局限性。国内龚晓亮提出了一种可见激光三维扫描方法，首次测量了霜冰三维外形的连续生长和覆霜后的明冰三维外形，并且，他还利用冰在特定红外波段呈现朗伯辐射的特性，发展了一种红外激光三维扫描方法，首次测量了结冰三维外形的连续生长，但是这种测量方法本质是一种加热的方法，对于冰形的生长过程是否有影响，并未可知。

从国内外的技术发展趋势来看，光学非接触在线冰形测量是未来的发展趋势，然而目前并没有一种适用的方法可以实现冰形的在线测量。国内外学者针对激光刀切法标定精度的改进进行了大量研究，摄像机标定中标定点投影误差达到百分之一像素级，激光平面方程可以通过优化方法得到精确获取。然而，激光中心线提取误差仍制约测量精度，这是由于冰体透明度高且表面光滑，加上激光穿透能力较强，线激光投射在冰体表面，多数光线投射冰体，只有小部分光线通过冰体表面进行反射，造成采集图像激光带区域严重扩散，表现在图像上则是一个亮斑区域。因而，如何滤除散射杂光的影响是实现冰形在线测量过程中亟须要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用线偏振偏光源对各种冰形进行照明，从而进行冰形三维测量。具体包括以下步骤：

步骤1：采用线偏振偏光源对冰进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；

步骤2：线激光视觉传感器标定；

步骤3：旋转台标定；

步骤4：用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标。

其中，步骤2中，摄像机和线激光共同构成线激光视觉传感器；其工作过程如下：线激光器投射出光平面至被测物体，光平面与被测物体表面相交产生光条，光条中包含了物体的高度信息，然后摄像机记录光条图像，并传输至计算机进行分析，解算出物体高度信息。

其中，设定O_W-X_WY_WZ_W作为世界坐标系，同时作为测量坐标系；O_C-X_CY_CZ_C作为摄像机坐标系；O_u-x_uy_u表示图像坐标系，其单位为像素；π表示结构光光平面；任意取光平面上一点P，其在测量坐标系下的坐标为P_w＝[x_w,y_w,z_w]^T，在图像平面上投影点p的图像齐次坐标为p＝[u,v,1]^T，摄像机成像模型表示为：