CN103868455A - 一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，涉及到多介质下目标点的三维重建问题，特别涉及玻璃槽内水下目标点的空间坐标获取方法。

背景技术

在海洋工程模型试验中，往往需要对实验水槽中目标物体进行运动分析，如粒子示踪测速分析、水下泥沙淤积实验以及水中网箱的变形分析等，因而如何高精度、快速地获取目标点的坐标显得尤为重要。视觉测量技术通过图像采集分析的方式重构目标的三维空间坐标信息，具有非接触、精度高、测量范围广等优点，可以很好地满足模型试验的要求。然而，目前使用视觉测量方法对目标体进行三维重构时，视觉系统与被测目标往往都处在同一介质环境下（如空气），而水槽实验时为了不对流体产生扰动，一般将视觉系统放置在玻璃水槽的外面，隔着玻璃观测水中目标物体的运动，因此被测目标与视觉系统之间除了空气这一介质外，还存在着玻璃介质与水介质。在这三种不同折射率介质的作用下，目标物原有的成像光路发生了改变，所以利用不同角度像点位置通过直线光路交汇的方式重构目标点的空间坐标会产生较大的误差。目前，针对这一问题所采取的解决方法有三种：

1)将摄像系统的光轴与水槽玻璃屏幕垂直，忽略折射影响。

2)在水下进行光学定标，将折射问题简化为成像畸变问题。

3)在实验水槽中放入折射率匹配液对折射光线进行校正。

方法1中利用垂直介质入射的光线光路不发生改变原理对接近法线方向的成像光线忽略其折射的影响。该方法的分析过程较为简单，仍使用视觉测量的三维重构公式，但是为了忽略折射影响而仅采用图像中心附近的成像区域，很大程度上缩小了测量范围，限制了该测量方法的应用范围。方法2虽然考虑了折射的影响，但通过修正成像畸变的方法来修正折射的影响效率较低，因为测量时目标物在水中的位置是不固定的，被测目标到摄像系统的距离是变化的，所以介质的厚度不同，因此若要准确修正成像畸变，就需要随着距离的变化而准确地变化畸变参数，而这一过程在实际实验过程中是较难做到的。另外，水下的光学定标在深水水槽中操作也较为困难。方法3常用于忽略玻璃影响而仅考虑水介质影响的情况下。这种方法采用了添加试剂的方法来提高测试精度，虽然在理论上可以很好解决折射影响，但是实际中很难这么操作，因为水槽实验都具有一定的规模，若整个水槽进行匹配的话则试剂用量较大，实验成本提高。另外，试剂的添加影响了水本身的流体力学特性，严重影响了实验的结果，加大了实验结果的分析难度。

综上所述，目前还没有一种视觉重构技术可以很好地解决实验水槽中目标点空间坐标的获取问题。

发明内容

针对水槽实验过程中介质折射对目标点重构的影响问题，本发明将光学折射规律与视觉测量原理相结合，提出一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法。

本发明的技术方案如下：

一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法，由两个摄像机；传输导线；计算机和实验水槽组成；两个摄像机固定在实验水槽外侧，透过玻璃水槽侧壁观测水下目标点，并通过传输导线与计算机连接；令成像光线从空气进入水槽侧壁时的折射率为n₁，从水槽侧壁进入水的折射率为n₂，水槽侧壁厚度为d，左摄像机光心到水槽侧壁的距离为h，左摄像机光心坐标(x₀,y₀,z₀)；成像光线（8）从空气到水槽侧壁的入射角为α，折射角为β；成像光线从水槽侧壁入射到水中时的折射角为γ，目标点P的空间坐标为(x,y,z)，其对应的重构后的虚假点P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)，此时，x＝x_w，y＝y_w，而

$z=h+d+\sqrt{{(x_w-x_0)}^2+{(y_w-y_0)}^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

具体方法如下：

步骤A：在空气中对摄像机进行定标，确定左、右两个摄像机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：固定两个摄像机的位置，在水槽侧壁外表面上设置三个标志点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'₂ m'₃]＝R[m₁ m₂ m₃]；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，查询水槽侧壁分别与空气和水的折射率n₁、n₂并测量水槽侧壁的玻璃厚度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、右摄像机的内、外参数对目标点进行定位，得到重构后的虚假点P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)。

步骤H：计算入射角 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}(\sqrt{x_w^2+y_m^2}/z_w).$

步骤I：重新计算目标点的空间坐标(x,y,z)，x＝x_w，y＝y_w，

$z=h+d+\sqrt{x_w^2+y_w^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}.$

综上所述，首先完成摄像机的定标工作，之后计算机通过图像采集卡获取水槽内目标点的图像数据；然后计算机分析图像数据得到各个目标点的图像坐标；接下来计算机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，得到水下目标点的真实位置。

本发明的效果在于，水槽实验中当进行目标点的三维重构时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的坐标，准确还原出目标点的真实位置，极大地促进了视觉测量技术在海洋工程模型试验中的应用推广。

附图说明

附图是本发明的结构示意图。

图中：1摄像机；2传输导线；3计算机；4实验水槽；5水槽侧壁；6水；7标志点；8成像光线；9被测目标点；10重构后的虚假点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法，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9P的空间坐标为(x,y,z)，其对应的重构后的虚假点10P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)，此时，x＝x_w，y＝y_w，而

$z=h+d+\sqrt{{(x_w-x_0)}^2+{(y_w-y_0)}^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

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7P₁、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'₂ m'₃]＝R[m₁ m₂ m₃]；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10P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)。

步骤H：计算入射角 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}(\sqrt{x_w^2+y_m^2}/z_w);$

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，

$z=h+d+\sqrt{x_w^2+y_w^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}.$

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。

Claims (1)

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

$z=h+d+\sqrt{{(x_w-x_0)}^2+{(y_w-y_0)}^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

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 $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}(\sqrt{x_w^2+y_m^2}/z_w);$

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，

$z=h+d+\sqrt{x_w^2+y_w^2}\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sin \mathrm{\α}}-h\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\cos \mathrm{\α}}-d\·\frac{\sqrt{n_1^2{n}_2^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2\mathrm{\α}}};$

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。

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