[发明专利]一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法

摘要

一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法，属于视觉测量技术领域。由两个摄像机（1）；传输导线（2）；计算机（3）和实验水槽（4）组成；两个摄像机（1）固定在实验水槽（4）外侧，透过玻璃水槽侧壁（5）观测水下目标点（9），并通过传输导线（2）与计算机（3）连接；利用立体视觉成像时光线的几何关系，配合系统定标、坐标系方向校正以及目标定位等操作对畸变后的坐标进行校正，获得水下目标点（9）的真实位置。本发明充分考虑介质的折射影响，并且在不添加任何实验设备的情况下修正目标点（9）的坐标，准确还原出目标点（9）的真实位置。

主权项

1.一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法，其特征在于由两个摄像机（1）；传输导线（2）；计算机（3）和实验水槽（4）组成；两个摄像机（1）固定在实验水槽（4）外侧，透过玻璃水槽侧壁（5）观测水下目标点（9），并通过传输导线（2）与计算机（3）连接；令成像光线（8）从空气进入水槽侧壁（5）时的折射率为n₁，从水槽侧壁（5）进入水的折射率为n₂，水槽侧壁（5）厚度为d，左摄像机光心到水槽侧壁（5）的距离为h，左摄像机光心坐标(x₀,y₀,z₀)；成像光线（8）从空气到水槽侧壁（5）的入射角为α，折射角为β；成像光线（8）从水槽侧壁（5）入射到水（6）中时的折射角为γ，目标点（9）P的空间坐标为(x,y,z)，其对应的重构后的虚假点（10）P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)，此时，x＝x_w，y＝y_w，而z=h+d+(xw-x0)2+(yw-y0)2·n12n22sin2αsinα-h·n12n22-sin2αcosα-d·n12n22-sin2αn12-sin2α]]>具体方法如下：步骤A：在空气中对摄像机（1）进行定标，确定左、右两个摄像机（1）的旋转矩阵与平移矩阵R₁、R₂、T₁、T₂，确定左摄像机光心O_L的世界坐标步骤B：固定两个摄像机（1）的位置，在水槽侧壁（5）外表面上设置三个标志点（7）P₁、P₂、P₃，并且要求P₁、P₂、P₃三个点不在一条线上，之后利用步骤A中的定标参数确定P₁、P₂、P₃三点的坐标；步骤C：计算左摄像机光心O_L到P₁、P₂、P₃所确定的平面的距离h；步骤D：将世界坐标系统中的x-y坐标平面转换为水槽侧壁（5）外表面，即P₁、P₂、P₃所确定的平面：令校正后P₁、P₂、P₃的坐标为p_i'(i＝1,2,3)，则p_i'＝R·p_i+T，其中R即为所求的旋转矩阵；令m₁＝p₁-p₃，m₂＝p₂-p₃，m₃＝m₁×m₂，m₁'＝p₁'-p'₃，m'₂＝p'₂-p'₃，m'₃＝m₁'×m'₂，则有[m₁'m'₂m'₃]＝R[m₁m₂m₃]；可解得R＝[m₁' m'₂ m'₃]×[m₁ m₂ m₃]；步骤E：将世界坐标系的坐标原点移至左摄像机光心O_L处，查询水槽侧壁（5）分别与空气和水的折射率n₁、n₂并测量水槽侧壁（5）的玻璃厚度d；步骤F：当完成步骤D与步骤E后,便完成了世界坐标系的校正,之后可在校正后的坐标系下修正左、右摄像机（1）的外参数，包括旋转矩阵与平移矩阵R₁、R₂、T₁、T₂，而内参数保持不变；修改后左摄像机的旋转矩阵为RR₁，平移矩阵为空，右摄像机的旋转矩阵为RR₂，平移矩阵为RT₂+RR₂P_OL；步骤G：在校正后的坐标系下，使用修正后的左、右摄像机（1）的内、外参数对目标点（9）进行定位，得到重构后的虚假点（10）P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)；步骤H：计算入射角α=arctg(xw2+ym2/zw);]]>步骤I：重新计算目标点（9）的空间坐标(x,y,z，)x＝x_w，y＝y_w，z=h+d+xw2+yw2·n12n22sin2αsinα-h·n12n22-sin2αcosα-d·n12n22-sin2αn12-sin2α;]]>综上所述，首先完成摄像机（1）的定标工作，之后计算机（3）通过图像采集卡获取水槽内目标点（9）的图像数据；然后计算机（3）分析图像数据得到各个目标点（9）的图像坐标；接下来计算机（3）结合定标参数重构出空间三维坐标，并求取相关参数；最后计算机（3）根据所提的校正算法对三维坐标进行校正，得到水下目标点（9）的真实位置。