[发明专利]基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法

权利要求书

1.一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于，所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统包括有摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)；

三角架(6)放置在地面上，摄像机(1)通过底部的螺纹孔与三角架(6)顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座(4)放置在水平地面上，二维靶标(3)底部与二维靶标固定座(4)上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标(3)置入连接夹(5)的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹(5)和二维靶标(3)的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪(2)插入激光器连接夹(5)钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹(5)钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪(2)圆柱面接触紧配合，激光投面仪(2)发出的激光平面与二维靶标(3)图形所在平面共面。

2.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的摄像机(1)为装有窄带滤光片的广角工业相机。

3.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的激光投面仪(2)为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪(2)发出的激光波长与摄像机(1)的窄带滤光片的带通波长一致。

4.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的二维靶标(3)为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标(3)的表面粘贴有可生成共线点特征的放射状黑白相间图案。

5.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的二维靶标固定座(4)为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽。

6.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的连接夹(5)为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。

7.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的三角架(6)为可调整高度的三角支架。

8.按照权利要求1至7所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统的重建方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的图像采集：

摄像机(1)固定在三角架(6)上，将三角架(6)放置在地面上，激光投面仪(2)插入连接夹(5)的钢管内孔，打开激光投面仪(2)，通过调节连接夹(5)的钢管上的螺钉，使激光投面仪(2)投射出的激光与二维靶标(3)共面并将激光投面仪(2)固定，摄像机(1)采集一幅图像，图像包含二维靶标(3)以及激光投面仪(2)与车辆表面相交的激光投影点；

第二步：摄像机(1)内参数矩阵的求解：

在二维靶标(3)的每条直线上分别建立一维坐标系，直线上的线段端点Z_q，1、Z_q，2、Z_q，3表示为齐次二维矢量(0，1)^T、(a_q1，1)^T及(a_q1+a_q2，1)^T，各点在图像平面上投影点的坐标z_q，1、z_q，2、z_q，3也可以表示为齐次二维矢量(0，1)^T、(d_q1，1)^T及(d_q1+d_q2，1)^T，则点之间的投影关系为

H_q，1Z_q，i＝z_q，i

其中，相交线对数q＝1，2...n，i＝1，2，3，至少需要两对相交直线的五个点，通过SVD分解即可求得Z_q，1、Z_q，2、Z_q，3转换到z_q，1、z_q，2、z_q，3的1D射影变换矩阵H_q，1；

一维坐标系下每条直线上的无穷远点投影点坐标

其中V_∞＝(1，0)^T为一维无穷远点，为一维坐标系下V_∞的投影点的齐次坐标；

根据直线上已知点在一维坐标系下的齐次坐标与图像坐标系下的齐次坐标，第q条直线的斜率为

其中，(d_qi，1)^T为图像平面上一维坐标系中投影点坐标的齐次二维矢量形式，z_q，i＝(x_q，i，y_q，i，1)^T为已知点在二维坐标系下的齐次坐标，进一步求得在图像坐标系下的消失点投影点坐标为

其中，为消失点在一维坐标系下的齐次坐标，消失点与消影线的关系为

v_q，∞^Tw_∞＝0

其中w_∞为消影线的坐标，由全部消失点都在消影线上得

[v_1，1 v_1，2 v_2，1 v_2，2 … v_q，1 v_q，2]^Tw_∞＝0

利用SVD可求得消影线的坐标w_∞；

由图像原点O_i向消影线的坐标w_∞做垂线，设垂足为P_v，根据直角三角形具有公共边，可求得摄像机(1)原点O_c到该垂足的距离为

其中，P_V＝(x_v，y_v，1)^T，v_q，1＝(x_q，1，y_q，1，1)^T，v_q，2＝(x_q，2，y_q，2，1)^T，β为v_q，1O_c与v_q，2O_c之间的夹角，进一步可以根据直角三角形勾股定理计算摄像机(1)的焦距为

O_iP_v可以直接在图像中测量得到，根据焦距及假设主点位于图像中心的条件即可得到摄像机(1)的内参数为

其中，其中u₀和v₀是图像在两个垂直方向上的分辨率的一半；

第三步：摄像机(1)外参数旋转矩阵以及平移向量的求解：

以O_c为原点，O_cv_q，1为O_cl轴、O_cv_q，2为为O_cm轴创建一个新的三维坐标系O_c-lmn，根据f_i求得的新坐标系和摄像机(1)坐标系间的旋转矩阵为

其中，v_q，1＝(x_q，1，y_q，1，1)^T，v_q，2＝(x_q，2，y_q，2，1)^T，O_cn＝(n_x，n_y，n_z)^T为新坐标系的第三轴方向单位向量，根据O_cn＝O_cl×O_cm得到，对两个旋转矩阵相乘的结果进行SVD分解，把中间对角阵中的元素开方，再与两侧正交阵相乘得到最优旋转矩阵R_OC；

在世界坐标系下选择一条已知长度的与世界坐标系O_oX_o方向平行的线段AB，过线段一端点A的投影点a作该线段的平行线ab’，根据ΔO_CAB与ΔO_CaB’为相似三角形，可求得O_cA的范数为

再根据O_CA与O_Ca方向相同求得向量

根据求得的旋转矩阵，得到平移向量

t_OC＝R_COO_CA

第四步：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的特征点重建：

根据图像中采集到的激光面在车身的投影点的图像坐标根据第一步标定过程求得的摄像机(1)内参数、旋转矩阵和平移向量，即可得到

由激光平面π^T在二维靶标(3)坐标系下的坐标为π^T＝(0 0 1 1)^T，可得到激光平面在摄像机(1)坐标系下的坐标

再根据待重建点位于激光投面仪(2)发射的激光平面上得

其中，π_q为摄像机(1)坐标系下的激光平面，对以上两式进行联立可以解算激光面车身交线点在二维靶标(3)坐标系下的三维坐标；

在汽车形貌重建与检测过程中，第四步是循环进行的步骤；

通过在摄像机(1)视野范围内移动二维靶标(3)，即可获得在其他位置的激光平面与汽车车身的激光交线点，从而确定在二维靶标(3)坐标系下汽车与激光面交线点的坐标，完成基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建。