一种振动及小尺寸空间内对象立体视觉测量方法

本发明涉及视觉测量技术领域，特指一种振动及小尺寸空间内对象立体视觉测量 方法。

在风洞试验中，通常需要测量试验模型的姿态和变形等物理参数。为避免破坏风 洞试验流场，目前国内外普遍采用非接触测量方法进行风洞试验模型姿态及变形测量。这 些方法包括：Optotrak（宋晋,马军,蒋敏,胡娟.Optotrak系统在风洞模型变形与姿态测量 中的应用研究[J].传感器与微系统,2011.3(12):65-67）、视频模型变形测量VMD（Tianshu Liu, L.N.Cattafesta III, and R.H.Radeztsky.Photogrammetry Applied to Wind Tunnel Testing [R].AIAA Journal, Vol. 38, No.6, June 2000, pp. 964-971）等。其 中，Optotrak测量系统在被测机翼表面打孔预埋LED发光标记点，然后通过线阵CCD利用三 角测量原理得到LED标记点空间三维坐标，进而获得模型姿态及变形结果。这种在模型表面 打孔预埋LED发光标记点的机翼变形测量方法，难以应用到对模型表面光滑度要求高、不允 许在模型表面打孔的应用场合。VMD技术（张征宇等.2.4m跨声速风洞的模型位移视频测量 精度研究[J].实验流体力学，2011.08(25):79-82）在机翼表面粘贴若干个白圆盘状人工 标记点，采用两台摄影机同步拍摄机翼表面的人工标记点的图像，根据双目立体视觉测量 原理，计算人工标记点的空间三维坐标，进而计算离散的机翼变形量。VMD技术相比 Optotrak的优点是：在表面粘贴人工标记点，不会对模型表面构成较大的影响，也无需布 线，使用更灵活、适用范围也更广，比如可用于高速风洞试验中。

由于风洞试验中，存在气流脉动引起的振动，使摄像机发生抖动，改变两台摄像机 之间位置，从而破坏已经建立的双目视觉测量坐标系，产生错误测量结果，虽然可以通过刚 性连接来抑制振动引起的摄像机间相对位移，但是，由于摄像机间基线较长，所采用的刚性 连接机构尺寸大、成本高，特别不适合大尺寸风洞中使用。另外，对于小尺寸风洞而言，通常 可利用的光学观察窗数量有限，当只有一个光学观察窗时，则很难采用两台摄像机构成双 目视觉测量系统，这给视觉测量系统布置造成了极大困难。为解决该问题，NASA学者提出了 单相机测量方案（Videogrammetric Model Deformation Measurement Technique. A. W. Burner，Tianshu Liu. NASA 2000）。该方案假设试 验过程中模型表面人工标记点沿翼展 方向的坐标为常数，用于计算模型表面人工标记点三维坐标。但是，当机翼变形量较大时， 该假设并不成立。此外，该方法也难以处理洞体振动干扰问题。

为此，本发明针对振动及小尺寸空间中对象双目视觉测量时，采用两台摄像机容 易受到洞体振动干扰，且难以在小尺寸空间布置的问题，提出一种采用单台摄像机实现双 目视觉三维测量的方法。

本发明的目的是为解决双目立体视觉中两台摄像机容易受到振动干扰，且难以小 尺寸空间布置的问题，本发明提供一种单摄像机双目视觉三维测量方法。本发明提供的技 术方案是：如图1所示，采用1台摄像机(1)、1个双棱镜(2)组成双目视觉成像系统，其中双棱 镜放置于摄像机前端，双棱镜中轴线(3)与摄像机镜头光轴(4)共线；双棱镜平面(5)与摄像 机成像平面(6)平行；如图2.a所示，双棱镜(2)使被测对象(7)表面上一点P经2次折射后产 生两条偏转光线L1和L2，L1和L2进入摄像机后成像为Q1、Q2两点，Q1、Q2是点P的左右视图， 即：通过1台摄像机、1个双棱镜实现在一幅图像I中获得被测对象左右视图，用于双目视觉 成像和测量；如图2.c所示，将拍摄图像I分割为左右两半图像：IL、IR，如图2.b所示，IL、IR 可看着两台虚拟摄像机C1、C2拍摄的左右视图；根据IL、IR图像对成像系统进行立体标定； 在测量过程中，根据测量系统立体标定结果，由IL、IR完成双目视觉三维测量。

在振动环境中使用时，通过机械固定装置使双棱镜和摄像机刚性连接，防止振动 过程中发生相对位移；在摄像机视野范围内设置k个以上参考点，k的取值3-100，并保证在 振动过程中摄像机能够拍摄到参考点。

振动干扰修正方法是：

1）在振动前，拍摄参考点图像，并计算参考点初始坐标X0；

2）在振动过程中，拍摄参考点图像，计算参考点坐标Xi，然后计算由当前坐标Xi转换到 初始坐标X0的转换矩阵P：使X0=Xi*P，计算方法采用最小二乘估计；

3）根据转换矩阵P，对当前三维测量结果Y进行坐标转换：Y’=Y*Pi,消除振动干扰。

采用本发明进行双目立体视觉测量的方法是：

1）在被测对象表面设置圆形人工标记点；

2）通过本发明成像系统，一次性拍摄模型表面人工标记点图案图像I；

3）将拍摄图像I剖分成左右两半图像IL、IR；

4）在图像IL、IR中，通过阈值分割、椭圆拟合方法，提取人工标记点中心亚像素坐标；

5）根据双目视觉测量系统标定结果，利用对极几何约束，到IL、IR中同名人工标记 点，并通过三角计算（相关方法参考：马颂德，张正友.计算机视觉一计算理论与算法基础 [M]. 北京：科学出版社，1998．），得到被测对象表面人工标记点三维坐标；

6）对计算的人工标记点三维坐标进行振动修正；

7）根据不同时刻人工标记点三维坐标，计算被测对象位置、姿态、位移、变形等信息。

本发明有益效果：

1）只需要1台摄像机、1个光学观察窗，即可实现双目立体成像，并可通过调整光路分配 的角度实现双目成像视线夹角调节，特别适合空间狭小、只有1个光学观察窗的小尺寸空间 应用；

2）由于只采用了1台摄像机，且双棱镜与摄像机之间进行固定连接，因此在振动环境 下，所拍摄的左右视图不存在相对位移，对于简化振动修正方法，保证振动环境下的测量精 度具有重要意义；

3）另外，所拍摄的模型左右视图来自于同1台摄像机中的相同图像传感器，因此，左右 视图图像的亮度差异非常小，避免了采用两台摄像机时，成像器件性能差异引起的拍摄图 像质量差异，有利于提高左右视图图像匹配准确度；

4）1台摄像机拍摄2幅左右视图图像，无需精密的双摄像机同步控制电路，可保证同步 拍摄立体视图；

5）采用1台摄像机实现双目视觉成像，节省了1台摄像机、1个镜头、1个摄像机同步控制 器，降低了成本。

图1 本发明单摄像机双目视觉成像系统组成图；

图2 本发明单摄像机双目视觉测量原理图，(a) 单摄像机双目视觉成像光路图，(b) 虚拟双目视觉成像光路图， (c) 图像分割获得左右虚拟图像IL、IR原理图；

图3 本发明双目视觉成像系统结构尺寸图；

图中，1、摄像机，2、双棱镜，3、双棱镜光轴，4摄像机镜头光轴，5、双棱镜平面，6、摄像机 成像平面，7、被测对象。

下面结合附图和实施例对本发明内容进一步说明。

实施例1

针对某应用场景，测量区域大小为500*500mm，测量对象到光学观察窗距离为D1= 1000mm，光学观察窗尺寸200*200mm。如图3所示，光学成像系统参数为：摄像机分辨率为200 万像素黑白摄像机，图像传感器宽度w=6.4mm，镜头与棱镜间距离D2=100mm，棱镜采用光学 玻璃制造，折射率为1.6，棱镜宽度Wb=100mm，高度Hb=100mm，厚度Bb=26.5mm，棱镜角度。

实施例2

采用黑白相间棋盘格标定板用于测量系统标定，具体方法是：在拍摄视场范围内，以不 同姿态多次摆放标定板，摄像机采集多帧图像。如图2所示，将拍摄图像沿中轴线剖分为左 右视图图像IL、IR，然后采用张正友的双目视觉标定方法进行双目视觉测量系统标定，并对 镜头畸变进行校正。

实际测量时，视觉测量系统拍摄被测对象图像I，在中轴线位置剖分图像，得到左 右视图图像IL、IR，并根据双目视觉测量系统标定结果用于双目视觉测量。

实施例3

通过机械固定装置，将双棱镜和摄像机固定，防止振动过程中发生相对位移；在摄像机 视野范围内设置10个圆形人工标记点作为参考点，并保证在振动过程中摄像机能够拍摄到 参考点。

振动修正方法是：

1）在振动前，拍摄参考点图像，并计算参考点初始坐标X0；

2）在振动过程中，拍摄参考点图像，计算参考点坐标Xi，然后计算由当前坐标转换到初 始坐标的转换矩阵P：使X0=Xi*P，计算方法采用最小二乘估计；

3）转换矩阵P，对被测对象表面当前三维测量结果Y进行坐标转换：Y’=Y*P,消除振动干 扰。

实施例4

1）在被测对象表面设置圆形人工标记点；

2）通过本发明双目视觉成像系统，一次性拍人工标记点图案图像I；

3）将拍摄图像I剖分成左右两半图像IL、IR；

4）在图像IL、IR中，采用人工标记点提取方法，提取人工标记点中心亚像素坐标；

5）根据双目视觉测量系统标定结果，利用对极几何约束，到IL、IR中同名人工标记 点，并通过三角计算，得到被测对象表面人工标记点三维坐标；

6）对计算人工标记点三维坐标进行振动修正；

7）根据不同时刻人工标记点三维坐标，计算被测对象位置、姿态、位移、变形等信息。

实施例5

1）在被测对象表面绘制斑点图案；

2）采用本发明双目视觉成像系统拍摄被测对象表面斑点图案图像；

3）将拍摄图像分割为左右两半图像IL、IR；

4）在IL、IR上，根据双目视觉标定结果，采用对极几何约束，利用数字图像相关算法， 到IL、IR图像中同名像素点，进行稠密立体匹配；

5）根据立体标定结果，进行三角计算，得到被测对象表面三维点云数据；

6）对计算的三维点云数据进行振动修正；

7）根据不同时刻拍摄结果，计算被测对象全场变形量。