CN106225668A - 基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于风洞多折射环境下投放物高速位姿测量方法。测量方法首先建立风洞实验环境下的多折射模型；然后利用多折射模型对视觉测量图像数据进行处理优化，得到左、右图像特征信息的正确匹配；最终利用坐标转换方法求的投放物位姿测量信息。该方法对风洞环境高速气流以及观察窗引起的光折射现象进行分析，引入了风洞实验环境下的光路折射模型，有效消除了观察窗、高速气流对光线传播的影响，建立更为精确的多折射模型对位姿测量过程进行校正优化，提高了存在多折射现象的风洞投放物高速位姿测量精度与稳定性。

Description

基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于风洞多折射环境下投放物高速位姿测量方法。

背景技术

风洞实验是航天航空领域中应用最为广泛的实验方法，投放物位姿测量是风洞实验中极其重要的实验内容。随着现代科技的不断进步，对投放物位姿测量精度、速度提出了全新的要求。针对这种测量需求，视觉测量由于其高频响、高精度成为非接触式测量中的首选。但由于风洞高速气流会使视觉设备震动，因此视觉设备多架设于风洞试验段外通过观察窗进行测量，这样势必引入观察窗与风洞高速气流的光折射现象，这将大大降低位姿测量的精度。因此，在存在光路多折射的情况下，获得高精度的位姿测量数据是现阶段要解决的主要难题。

目前，风洞位姿测量试验中考虑光折射问题研究相对较少，目前，大连理工大学刘巍等人2015年在航空学报第5期36卷发表的《基于彩色编码的副油箱风洞模型位姿测量方法》中提出了基于彩色编码图像的副油箱位姿测量方法，利用彩色编码的自发光标记点进行图像匹配，解决了低照度条件下目标标记亮度不足和由于物体滚转造成的标记点消隐现象。但此方法没有考虑观察视窗给光路带来的折射问题，系统精度会有所降低。大连理工大学刘巍等人申请的发明专利公开号为ZL 201310139656.7，“一种高速滚转体位姿测量方法”中提出了风洞内位置姿态视觉测量方法，可以在风洞内测量运动物体的六维的位置姿态信息，但是也没有考虑观察视窗等导致的光线偏折现象。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法，解决由于被测物体速度高、自身滚转等问题所产生的测量难题。测量方法采用基于双目视觉对高速运动的滚转体位姿进行测量，在风洞环境下采用多折射模型代替传统的小孔成像模型，将传统的针对非滚转体位姿测量方法扩展为对于滚转体位姿测量方法，并提高了测量的精确度；解决了位姿测量过程中由于被测物体滚转所产生的标记点消隐问题，并且考虑多折射问题，进行新的图像匹配方法，解决了风洞环境下视觉测量系统特征匹配正确率低、测量精度较差等问题。

本发明所采用的技术方案是一种基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法，其特征是，测量方法首先建立风洞实验环境下的多折射模型；然后利用多折射模型对视觉测量图像数据进行处理优化，得到左、右图像特征信息的正确匹配；最终利用坐标转换方法求的投放物位姿测量信息；该方法的具体提取步骤如下：

步骤1建立风洞多折射模型

投放物特征标记所发出的光需要先后穿过风洞高速气流4、风洞观察窗3、镜头前非流动空气2才能进入左、右视觉测量设备1、5进行感光成像；高速气流4与风洞观察窗3以及镜头前分流动空气2将会引起光路的折射现象，导致图象畸变；设各种物体的折射率为μ_i，i＝0,1,2,其中，空气折射率为μ₀、玻璃折射率为μ₁、流动气体折射率为μ₂，折射后光线传播方向组成的折射矢量v_i，i＝0,1,2,时分别为：镜头前非流动空气2折射矢量为风洞观察窗3内折射矢量为高速气流4折射矢量为镜头前非流动气流2厚度为d₀、风洞观察窗3厚度为d₁、高速气流4厚度为d₂；由斯涅尔定律可知：

μ_i sinθ_i＝μ_i+1sinθ_i+1，i＝0,1,2, (1)

其中，θ_i为各折射矢量v_i与风洞视察窗(3)法矢量n的夹角；整理得：

v_i+1＝a_i+1v_i+b_i+1n (2)

其中，

根据多折射几何原理，得出P点的三维坐标为：

$P=-\frac{d_0{v}_0}{{v_0}^{T}n}-\frac{d_1{v}_1}{{v_1}^{T}n}-\frac{d_2{v}_2}{{v_2}^{T}n}---\left(3\right)$

步骤2基于多折射模型的图像匹配方法

由于视窗所产生的多折射问题的时候，相机的左右视图的匹配点将不符合传统的极限约束，这样将会导致左右图像标记点特征匹配的准确性降低，影响最终测量精度。由于高速气流相对于左、右视觉测量设备的折射矢量v₂ ^l，v₂ ^r交于点P，所以风洞观察窗相对于左、右视觉测量设备的折射矢量v₂ ^l，v₂ ^r与P在同一个平面内，得到以下公式：

(q₂ ^l-q₂ ^r)·(v₂ ^l×v₂ ^r)＝0 (4)

其中，q₂ ^l是左视觉测量设备的折射矢量v₂ ^l与观察视窗的交点，q₂ ^r是右视觉测量设备的折射矢量v₂ ^r与观察视窗的交点，该方法首先根据光流方法找到合作标记的运动轨迹，然后取左图像运动轨迹上某些时刻的特征点与右图像的特征点利用公式(4)进行判定，满足公式(4)即表示左右图像标记点是匹配点，当左图像一条轨迹上多个标记点与右图像上的标记点分别匹配时，说明两条轨迹是匹配的，即两条轨迹上多有标记点是匹配的；

步骤3基于坐标转换的位姿求解方法

首先建立投放物局部坐标系O_tX_tY_tZ_t为：世界坐标系中点p_ow＝(x_p y_p z_p)^T与局部坐标系下点的转换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{wb}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中：T_wb＝(x₀ y₀ z₀)为投放物局部坐标系原点即投放物质心在世界坐标系中的坐标；R_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵；

$\begin{array}{c}{R}_{wb}=\\ \left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y为投放物相对于世界坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角，求得R_wb，T_wb即单个投放物对于世界坐标系的位姿信息，以此求得所有投放物位姿信息。

本发明的有益效果对风洞实验环境中的多层光折射问题进行分析，利用光折射模型对测量过程进行优化从而提高风洞环境下投放物位姿测量精度。不仅矫正了图像由于光折射畸变，提高了测量的精度，而且提高了图像特征匹配的正确率。

附图说明

图1为基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法原理图。其中，1-视觉测量设备、2-镜头前非流动空气、3-风洞观察窗、4-高速气流。

图2为位姿测量方法流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1为基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法原理图。根据几何折射原理对实验环境进行分析，建立多折射模型，利用多折射模型对测量过程进行校对优化，最终求解位姿参数。该方法的流程如附图2所示，具体测量步骤如下：

步骤1建立风洞多折射模型

投放物特征标记所发出的光需要先后穿过风洞高速气流4、风洞观察窗3、镜头前非流动空气2才能进入视觉测量设备1进行感光成像；高速气流4与风洞观察窗3以及镜头前分流动空气2将会引起光路的折射现象，以镜头前非流动空气折射率为1、风洞观察窗折射率1.634以及高速气流1.315；各层的厚度为镜头前非流动气流100mm、风洞观察窗150mm、高速气流300mm；代入公式(1)、(2)、(3)求得风洞环境多折射模型。

步骤2基于多折射模型的图像匹配方法

考虑由于视窗所产生的多折射问题的时候，相机的左右视图的匹配点将不符合传统的极限约束，这样将会导致左右图像标记点特征匹配的准确性降低，影响最终测量精度。所以发明了基于多折射共面约束的图像特征匹配方法，由于高速气流相对于左、右视觉测量设备的折射矢量v₂ ^l，v₂ ^r交于点P，所以风洞观察窗相对于左、右视觉测量设备的折射矢量q₂ ^l、q₂ ^r与P在同一个平面内，取左图像运动轨迹上某些时刻的特征点与右图像的特征点利用公式(4)进行判定，满足公式(4)即表示左右图像标记点是匹配点，当左图像一条轨迹上多个标记点与右图像上的标记点分别匹配时，说明两条轨迹是匹配的，即两条轨迹上多有标记点是匹配的。

步骤3基于坐标转换的位姿求解方法，利用公式(5)、(6)求得投放物位姿参数为：

本发明对风洞环境高速气流以及观察窗引起的光折射现象进行分析，建立更为精确的多折射模型对位姿测量过程进行校正优化，并且提出新的图像匹配方法，以提高存在多折射现象的风洞投放物高速位姿测量精度与稳定性。

Claims (1)

1.一种基于多折射模型的风洞投放物高速位姿测量方法，其特征是，测量方法首先建立风洞实验环境下的多折射模型；然后利用多折射模型对视觉测量图像数据进行处理优化，得到左、右图像特征信息的正确匹配；最终利用坐标转换方法求的投放物位姿测量信息；该方法的具体步骤如下：

步骤1建立风洞多折射模型

高速气流(4)与风洞观察窗(3)以及镜头前分流动空气(2)会引起光路折射现象，设各种物体的折射率为μ_i，i＝0,1,2,其中，空气折射率为μ₀、玻璃折射率为μ₁、流动气体折射率为μ₂，折射后光线传播方向组成的各折射矢量v_i，i＝0,1,2,其中，镜头前非流动空气(2)折射矢量为v₀、风洞观察窗(3)内折射矢量为v₁、高速气流(4)折射矢量为v₂；镜头前非流动气流(2)厚度为d₀、风洞观察窗(3)厚度为d₁、高速气流(4)厚度为d₂；由斯涅尔定律：

μ_i sinθ_i＝μ_i+1sinθ_i+1，i＝0,1,2, (1)

其中，θ_i为各折射矢量v_i与风洞视察窗(3)法矢量n的夹角；整理得：

v_i+1＝a_i+1v_i+b_i+1n (2)

其中，a_i+1＝μ_i/μ_i+1,

根据多折射几何原理，得出P点的三维坐标为：

$p=-\frac{d_0{v}_0}{{v_0}^{T}n}-\frac{d_1{v}_1}{{v_1}^{T}n}-\frac{d_2{v}_2}{{v_2}^{T}n}---\left(3\right)$

步骤2基于多折射模型的图像匹配方法

设高速气流(4)相对于左、右视觉测量设备(1、5)的折射矢量v₂ ^l，v₂ ^r交于点(P)，所以风洞观察窗(3)相对于左、右视觉测量设备(1、5)的折射矢量v₂ ^l，v₂ ^r与(P)在同一个平面内，得到以下公式：

(q₂ ^l-q₂ ^r)·(v₂ ^l×v₂ ^r)＝0 (4)

其中，q₂ ^l是左视觉测量设备(1)的折射矢量v₂ ^l与风洞观察窗(3)的交点，q₂ ^r是右视觉测量设备(5)的折射矢量v₂ ^r与风洞观察窗(3)的交点；

该方法首先根据光流方法找到合作标记的运动轨迹，然后取左图像运动轨迹上某些时刻的特征点与右图像的特征点利用公式(4)进行判定，满足公式(4)即表示左右图像标记点是匹配点，当左图像一条轨迹上多个标记点与右图像上的标记点分别匹配时，说明两条轨迹是匹配的，即两条轨迹上多有标记点是匹配的；

步骤3基于坐标转换的位姿求解方法

首先建立投放物局部坐标系O_tX_tY_tZ_t为：世界坐标系中点p_ow＝(x_p y_p z_p)^T与局部坐标系下点的转换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{wb}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中：T_wb＝(x₀ y₀ z₀)为投放物局部坐标系原点即投放物质心在世界坐标系中的坐标；R_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵；

$\begin{array}{c}{R}_{wb}=\\ \left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中,-θ_Z，-θ_X，-θ_Y为投放物相对于世界坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角，求得R_wb，T_wb即单个投放物对于世界坐标系的位姿信息，以此求得所有投放物位姿信息。