[发明专利]基于运动时间量的空间三维信息视觉测量方法

摘要

本发明基于运动时间量的空间三维信息视觉测量方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于运动时间量的空间三维信息视觉测量方法。测量方法先将相机固定于高精度直线导轨上，利用导轨保证了相机的高精度匀速直线运动，然后利用运动过程中序列图像特征对空间三维坐标进行求解，完成被测物体空间三维信息的测量。第一步进行像机的标定，第二步标记点特征的提取，第三步三维信息求解。本发明利用电控平台的高精度匀速直线运动，将测量空间的几何量测量转换为速度的时间量的测量，可对于图像内的特征进行三维信息的重建，降低了测量成本、增加了测量效率与精度，实现了单目相机对于全视场内的快速测量。

主权项

一种基于运动时间量的空间三维信息视觉测量方法，其特征是，测量方法先将相机固定于高精度直线导轨上，利用导轨保证了相机的高精度匀速直线运动；然后，利用运动过程中序列图像特征对空间三维坐标进行求解，完成被测物体空间三维信息的测量；测量方法的具体步骤如下：第一步 进行像机的标定测量方法采用单摄像机相对固定的方式，以精密加工的靶标板对摄像机进行标定的方法；以张正友等人提出的基于2维平面靶标的摄像机标定方法为基础，并针对测量过程中相对距离高精度的测量要求，实现相机的高精度标定，相机成像机模型如下所示：$Z_c\left[\begin{array}{c}\hat{u}\\ \hat{v}\\ 1\end{array}\right]+Z_c\left[\begin{array}{ccc}{k}_1\hat{u}& k_2\hat{u}& 0\\ k_1\hat{v}& k_2\hat{v}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}^2+{\hat{v}}^2\\ {({\hat{u}}^2+{\hat{v}}^2)}^2\\ 1\end{array}\right]=M\[\begin{array}{cc}R& T\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$其中，Z_c为比例因子，为控制点在摄像机平面上的实际像素坐标，k₁,k₂为畸变系数，M为相机内参数矩阵，R，T分别为摄像机坐标系相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵，(X_w,Y_w,Z_w)为控制点在世界坐标系下的坐标；第二步 标记点特征的提取首先在电控平台初始位置，通过图形工作站控制相机进行拍摄，获得第一帧图像A1，然后控制电控平台以一定的速度沿y轴前进1s，继续拍摄，获得第二帧图像A2，最后仍控制电控平台以一定的速度沿y轴前进1s，获得第三帧图像A3；采用梯度重心法分别提取第一帧、第二帧、第三帧图像A1、A2、A3图像上的特征；然后采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下：$C=\underset{i=-h}{\overset{h}{\Σ}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\Σ}}\[\left|G(i,j)\right|\·P(i,j)\]/\underset{i=-h}{\overset{h}{\Σ}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\Σ}}\left|G(i,j)\right|---\left(2\right)$其中：C为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标；第三步 三维信息求解已知导轨的运动速度为v，所取图像的运动时间间隔为Δt，分别在时间t＝0,t＝Δt,t＝2Δt三个时刻下进行图像处理，获得特征点的空间三位坐标，首先根据小孔成像模型，得到空间点的实际坐标与像素平面坐标的关系：$x=\frac{zX}{f},y=\frac{zY}{f}---\left(3\right)$其中，(x,y,z)是空间点的实际坐标，(X,Y)是特征点在图片上的物理坐标；根据公式(3)和空间位置关系得到以下方程：$\mathrm{\Δ}l=\sqrt{\frac{{(z_1{X}_1-z_2{X}_2)}^2+{(z_{1}Y-z_2{Y}_2)}^2}{f^2}+{(z_1-z_2)}^2}---\left(4\right)$$\mathrm{\Δ}l=\sqrt{\frac{{(z_2{X}_2-z_3{X}_3)}^2+{(z_2{Y}_2-z_3{Y}_3)}^2}{f^2}+{(z_2-z_3)}^2}---\left(5\right)$$\frac{z_1-z_2}{z_1{X}_1-z_2{X}_2}=\frac{z_2-z_3}{z_2{X}_2-z_3{X}_3}---\left(6\right)$其中，v为导轨的运动速度，Δt为运动时间间隔，Δl为Δt时间内相机的运动距离，(X_i,Y_i)为第i帧空间点的像素平面坐标，(x_i,y_i,z_i)为相隔i×Δt时刻空间点的实际坐标；(i＝1,2,3)，通过联立公式(4)、(5)、(6)求解出(x₁,y₁,z₁)，即为物点实际空间坐标。