CN100575872C - 基于立体视觉的风洞模型外形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于立体视觉的风洞模型外形监测方法，利用可编程光源，向风洞试验模型投射结构光，通过数量在2台及以上且位置不同的摄像机拍摄模型的图像，根据图像上的视差信息解算出表达模型外形的三维点云；找出三维点云中几何特征变化的特征点，并在模型外形上的对应位置作标记；然后在风洞试验过程中，用2台及以上且位置不同的摄像机，获取不同时刻特征点的图像，利用图像视差算出特征点相应的三维坐标；最后，基于三维点云和各特征点的拓扑关系不变这一条件，根据不同时刻特征点的三维坐标，利用插值方法得到风洞试验过程中模型在不同时刻的外形。本发明可实现非接触、无损的风洞中模型外形监测，精度高，成本低。

Description

基于立体视觉的风洞模型外形监测方法

技术领域

本发明属航空航天工业的风洞试验技术领域，涉及一种用立体视觉技术监测风洞试验过程中模型外形的方法。

背景技术

为更逼真地表达风洞试验对象的外形细节，采用大尺寸风洞(如2.4m跨声速风洞等)进行试验成为发展趋势。但在大尺寸风洞中，即使试验模型采用合金钢制作，因高速压导致的试验模型变形量，仍然超出国家规范对变形量的限制，造成试验数据的质量急剧下降。特别是具有先进气动特性的翼型(如尖峰翼型，超临界翼型等)模型、大展弦比机翼、大后掠机翼的飞机模型以及细长的飞行器模型，几何外形的偏差将极大降低风洞试验结果的准确度。

为了得到淮确的实验数据，通常都要测量模型的变形以便对试验数据做修正。国外有的风洞为提高试验数据的淮确度，即使在未超过变形限制时，依然测量(或计算)模型变形，对试验数据做修正。

获得风洞试验模型变形量的方法分为理论计算与动态测量两类。其中，前者主要根据钢制试验模型的载荷分布，推算相应的变形，如美国的AEDC4.88米跨声速风洞就是根据钢制试验模型沿机翼展向的载荷分布，推算出沿翼展的扭转变形，据此修正试验数据，其缺点是推算出的变形精度不高，尤其是变形量较大时推算误差将迅速增加。

目前，常用的动态测量方法如下：

1)基于应变片监测模型外形的技术虽已相当成熟，但不足之处在于：测量点数量有限，并且布线繁杂，不易组网，易受电磁干扰、测量精度粗糙等。

2)基于光学仪器的模型二维空间变形监测方法，如欧洲的DNW-HST风洞就是这种方法实现模型变形的非接触测量，缺点是不能监测模型的三维空间变形量。

发明内容

本发明为了克服以上技术所存在问题，解决风洞试验过程中模型外形的监测难题，本发明提出基于立体视觉的风洞模型外形监测方法。

本发明的技术方案是：利用可编程光源，向风洞试验模型投射结构光，通过数量在2台及以上不同位置的摄像机拍摄模型的图像，根据图像上的视差信息解算出表达模型外形的三维坐标点集合，简称三维点云；找出三维点云中几何特征变化幅度大的点，作为特征点，并在模型上的对应位置作标记；然后在风洞试验过程中，用2台及以上不同位置的摄像机，获取不同时刻特征点的图像，利用图像视差算出特征点相应的三维坐标；最后，基于三维点云和各特征点的几何拓扑关系不变这一条件，根据不同时刻特征点的三维坐标，利用成熟插值方法(如代数法、迭代法等)得到风洞试验过程中模型在不同时刻的外形。

本发明的特点与优点为：

(1)在风洞试验过程中，实现非接触、无损的模型外形监测，对风洞试验没有任何干扰。

(2)几秒钟范围内，就可采集到模型外形的稠密三维点云，常用视觉系统可以达到0.02mm的精度，高精度的摄像系统，可以达到0.1微米的精度，显微视觉系统则可达到更高的精度。

(3)对于复杂外形，特征点数量过低会降低外形监测的精度，但特征点数量过多又会导致插值计算负荷增大。

(4)所需的硬件为计算机、可编程光源、摄像机、图像采集卡，硬件的技术成熟、可靠，成本低。

因此，本发明具有成本低、运行可靠等特点，特别适用于在风洞试验中监测试验模型的外形变化，也可用于其他处于弹性变形范围内的产品外形监测。

附图说明

图1：基于立体视觉的风洞模型外形监测方法原理图。

其中，附图标记：1-3是摄像机；4为可编程光源，指能产生计算机可控的光斑、网格或条纹等结构光的光学投影装置；5为图像采集卡；6为计算机；7为立体视觉图像处理软件，指“基于同一试验模型的多幅图像，计算模型外形的空间点在两幅图像中的视差，以此确定空间点的深度信息，进而构建模型的三维坐标点”的计算机软件；8为三维点云特征点提取软件，指“能从模型外形三维坐标点中提取斜率或曲率变化大的坐标点”的计算机软件；9为外形重构软件，指“能确定模型的三维坐标点间的几何拓扑关系，并据此根据特征点的变化插值拟合出模型其他三维坐标点的变化”；10为模型外形三维坐标点的显示软件，指“基于OpenGL或Direct3D等3D图形库”开发的模型外形三维坐标点的显示软件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，应用本发明基于立体视觉的风洞模型外形监测方法的系统组成如下：

由于试验模型处于频率为20Hz左右的低频气流脉动峰值作用下，为准确获得风洞的瞬间尺寸及变形信息，选用高帧率(如200帧)的CCD摄像机与图像采集卡5，并用多线程控制，同时获得CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3的图像信息。

选用径向排列约束(RAC)标定方法，对CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3进行高精度标定，并修正其径向及切向畸变。

购买或根据立体视觉的视差理论开发立体视觉图像处理软件7，可使用商业软件(如Surfacer、Copy CAD或Geomagic Qualify等)，实现三维点云特征点提取软件8、外形重构软件9和模型外形三维坐标点的显示软件10的功能。

在风洞未运行时，计算机6控制可编程光源4向风洞试验模型投射结构光(如光斑、网格或条纹)，并同时控制位于不同位置的CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3采集结构光照射下的风洞试验模型图像，图像通过图像采集卡5进入计算机6，立体视觉图像处理软件7根据CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3图像的视差信息算出模型外形的三维点云。

三维点云特征点提取软件8通过判断三维点云斜率或曲率的变化率，获取试验模型外形三维点云的特征点，即其中斜率或曲率的变化率变化相对较大的点，在风洞试验模型上特征点对应位置作标记，外形重构软件9确定特征点与其他三维点云间的拓扑关系。

在风洞试验过程中，计算机6控制光源4向风洞试验模型投射光，并同时控制CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3，采集结构光照射下不同时刻特征点的图像，图像通过图像采集卡5进入计算机6，立体图像处理软件7根据CCD摄像机1、CCD摄像机2与CCD摄像机3图像的视差信息算出不同时刻特征点的三维坐标。

外形重构软件9根据步1得到的三维点云和步3得到的特征点三维坐标，通过插值拟合计算(原理在第8步给出)出风洞试验过程中模型在不同时刻的外形，并通过模型外形三维坐标点的显示软件10显示模型外形。

因在风洞试验过程中试验模型的变形属于弹性变形，故第5步确定的特征点与其他三维点云间的几何拓扑关系固定，因此可根据任何表达这一固定几何拓扑关系条件(如三维点云到特征点的距离比例固定)，利用成熟插值方法(如代数法、迭代法等)计算出不同时刻的三维点云新坐标，优点是快速获得了各时刻的模型外形三维点云坐标，及时反映出模型外形的变化，同时减少风洞试验过程中模型外形测量点的动态监测负荷。

Claims (4)

1.一种基于立体视觉的风洞模型外形监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.利用可编程光源向风洞试验模型投射结构光，通过数量在2台及以上且位置不同的摄像机拍摄模型的图像，根据图像的视差信息解算出表达模型外形的三维坐标点集合；

b.找出三维坐标点集合中几何特征变化幅度大的点作为特征点；

c.在风洞试验过程中，用所述可编程光源和数量在2台及以上且位置不同的摄像机，获取不同时刻特征点的图像，利用图像的视差信息算出特征点相应的三维坐标；

d.根据任何表达三维坐标点集合与特征点间固定拓扑关系的条件，利用插值方法计算出不同时刻的三维坐标点集合新坐标，得到风洞试验过程中模型在不同时刻的外形。

2.根据权利要求1所述的基于立体视觉的风洞模型外形监测方法，其特征在于，b步骤所述的几何特征变化幅度是斜率或曲率的变化率。

3.根据权利要求1所述的，其特征在于基于立体视觉的风洞模型外形监测方法，d步骤所述的固定拓扑关系的条件是三维坐标点集合到特征点的距离比例。

4.根据权利要求1所述的基于立体视觉的风洞模型外形监测方法，其特征在于，d步骤所述的插值方法是代数法或迭代法。

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