CN107230231B - 聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法 - Google Patents

Abstract

一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，包括以下步骤：1)安装设备；2)校准相机内部参数；3)将一棋盘格贴于平面镜上，放置他们于设备前方；4)拍摄镜面反射目标靶上棋盘格的图片；5)计算相机与镜面的位置关系；6)计算相机与镜中目标靶成像的位置关系；7)计算出目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系，即计算相机与目标靶的位置关系。本发明提供一种设备简单、操作容易，具有高效率、高精度的聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法。

Description

聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法

技术领域

本发明属于聚光热发电领域聚光器方面技术，特别是曲面聚光反射镜的质量检测方面，涉及一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法

背景技术

随着化石能源的不断消耗，环境污染的日益加重，太阳能作为一种可持续的清洁能源越来越受到社会各界的关注。目前，太阳能利用技术主要包括聚光热发电技术和光伏热发电技术，前者采用抛物面型或者类抛物面型镜面汇聚阳光而产生高辐射密度的热源，从而推动发动机和发电机的运转，实现光能到电能的转化，具有较高的转化效率。光伏发电，为了提高其发电效率，目前也常常采用镜面汇聚阳光，称为聚光光伏。因此，聚光镜面对太阳能具有重要的意义，为了保证太阳能设备高效稳定的稳定，在进行实际安装前，镜面的质量需要进行检测。

聚光镜面常常为抛物面型，镜面整体曲率变化将会导致焦距的变化，而局部的曲率误差将使得反射阳光无法经过焦点，这些都将影响聚光效率。为了克服镜面反射的特点，实现镜面的三维重建，完成镜面焦距和曲率分布误差的测量，有人提出了一种基于Deflectometery技术的镜面检测技术。该技术将相机和反射目标靶放于被检测镜面前，相机拍摄镜面反射的目标靶的成像，通过光线追踪的方法，实现镜面的测量。但是，该技术的镜面检测精度依赖于相机与目标靶位置关系的高精度标定。

发明内容

为了克服已有技术的相机与目标靶位置关系标定精度较低的不足，本发明提供了一种操作容易、具有较高的精度和效率的聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，所述位置标定方法包括以下步骤：

1)安装设备，所述设备包括相机和目标靶，目标靶上的图片为棋盘格，单个格子为边长为L的正方形；设备安装于被测量聚光曲面镜的前方，调整相机的焦距和方向，使得图片中镜面和镜面反射的目标靶清晰；

2)校准相机内部参数，将棋盘格放置于相机前方，调整棋盘格的位置，使得棋盘格占尽可能多的图片区域，拍摄9张以上的不同姿态棋盘格图片，在得到以上图片后，利用MATLAB的相机校准工具实现相机的内部参数的计算；

3)将一棋盘格贴于平面镜上，放置于设备前方；此棋盘格不同于目标靶上的棋盘格，它的尺寸需要与平面镜匹配；平面镜放置于被测量曲面镜附近，调整它的姿态，使得相机不但能拍摄镜面上的棋盘格，而且能够拍摄到经其反射的目标靶上的棋盘格；

4)拍摄镜面反射目标靶上棋盘格的图片；

5)计算相机与镜面的位置关系，利用步骤2)中计算的相机内部参数，采用 MATLAB校准工具，利用单幅镜面上棋盘格图片，计算出相机与棋盘格间的位置关系；计算结果包括镜面坐标向相机坐标转化的旋转矩阵R_M2C, 平移向量T_M2C；

P_xc＝R_X2C·P_xx+T_X2C (1)

其中，P_xc为像中的一点在相机坐标系下的位置；P_xx为像中一点在像坐标系下的位置；R_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵；T_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵；

6)计算相机与镜中目标靶成像的位置关系，计算出目标靶在镜面中像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵R_X2C，平移矩阵T_X2C；

P_mc＝R_M2C·P_mm+T_M2C (2)

其中，P_mc为镜面上一点在相机坐标系中的位置；P_mm为镜面上的一点在镜面坐标系中的位置；R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵； T_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵；

7)计算相机与目标靶的位置关系，利用步骤5)和)6中计算得到的像、镜面与相机坐标系的转化关系，计算出目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系。

进一步，所述步骤7中，目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系的计算过程如下：

设像中一点在像坐标系重的位置为P_xx，则根据公式(1)可以计算出它在相机坐标系下的位置P_xc，设它对应的实际目标靶点在棋盘格坐标系中的位置为P_gg，由镜面反射原理则：

该目标靶上的点在相机坐标系中的位置为P_gc，根据household translation，则：

P_gc＝-2(n^T·p+d)n+P_xc (4)

其中，P_gc为目标靶棋盘格中某点在相机坐标系中的位置，P_xc为经镜面反射的像在相机坐标系中的位置，n为镜面法向量，p为相机坐标原点到像点Pxc 的向量，d为相机到镜面的距离；镜面的法向量可按照下面的方法进行计算：

其中，n为镜面法向量，R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵。

根据以上过程，计算出至少4组棋盘格坐标中的点P_gg(X_gg,Y_gg)^T和对应的相机坐标中的位置P_gc(X_gc,Y_gc,Z_gc)^T。

棋盘格坐标与相机坐标的转化公式表示为：

P_gc＝R_G2C·P_gg+T_G2C (6)

设

T_G2C＝[b1 b2 b3]^T (8)

则根据公式(9)、(10)和(11)，根据最小二乘法，得到3组最小二乘不等式：

利用以上得到P_gg和P_gc，利用最小二乘法，分别计算出(9)、(10)和(11) 中的未知数，最终得到目标靶向相机坐标系转化的旋转矩阵R_G2C，平移矩阵T_G2C。

再进一步，所述步骤2)中，利用MATLAB的相机校准工具实现相机的内部参数的计算，处理过程包括：图片读取，角点提取，内参计算，计算出的相机内部参数包括：焦距，图片中心位置和镜头畸变参数；

所述步骤5)中，采用MATLAB校准工具，利用单幅镜面上棋盘格图片计算出相机与棋盘格间的位置关系的过程包括：图片的读取，内部参数的加载，镜面上棋盘格角点的提取和外部参数的计算。

本发明中，基于平面反射镜提出了一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法。在完成相机内参校准后，本专利将棋盘格贴于或者显示在目标靶上，将平面镜放置于设备前方，即可实现相机与目标靶位置的标定。

利用MATLAB相机校准工具实现相机的内部参数校准，利用平面镜上黏贴的小型棋盘格建立镜面与相机坐标系的转化关系，利用目标靶棋盘格在镜面中的成像建立起像坐标系与相机坐标系的转化关系，利用householder translation和最小二乘法计算出目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系。

本发明的有益效果主要表现在：设备简单，操作容易，具有较高的效率和标定精度。

附图说明

图1是聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，包括以下步骤：

1)安装设备。设备包括相机和目标靶，目标靶可以为LCD平面，也可以为贴有反射目标的平板。在本发明中，目标靶上的图片为棋盘格，单个格子边长为L＝50mm的正方形。设备安装于被测量聚光曲面镜的前方，调整相机的焦距和方向，使得图片中镜面和镜面反射的目标靶清晰。

2)校准相机内部参数。将棋盘格放置于相机前方，单个格子的边长为30mm。调整棋盘格的位置，使得棋盘格占尽可能多的图片区域，拍摄9张以上的不同姿态棋盘格图片。在得到以上图片后，本发明利用MATLAB的相机校准工具实现相机的内部参数的计算，处理过程包括：图片读取，角点提取，内参计算。计算出的相机内部参数包括：焦距，图片中心位置，镜头畸变参数等。

3)将一棋盘格贴于平面镜上，放置于设备前方；此棋盘格不同于目标靶上的棋盘格，它的尺寸需要与平面镜匹配。平面镜放置于被测量曲面镜附近，调整它的姿态，使得相机不但能拍摄镜面上的棋盘格，而且能够拍摄到经其反射的目标靶上的棋盘格；

4)拍摄镜面反射目标靶上棋盘格的图片。

5)计算相机与镜面的位置关系。这里利用步骤3中计算的相机内部参数，采用MATLAB校准工具，利用单幅镜面上棋盘格图片，计算出相机与棋盘格间的位置关系，其过程包括：图片的读取，内部参数的加载，镜面上棋盘格角点的提取，外部参数的计算。计算结果包括镜面坐标向相机坐标转化的旋转矩阵R_M2C,平移向量T_M2C。

P_xc＝R_X2C·P_xx+T_X2C (1)

其中，P_xc为像中的一点在相机坐标系下的位置；P_xx为像中一点在像坐标系下的位置。R_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵；T_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵

6)计算相机与镜中目标靶成像的位置关系。该步骤的过程与步骤5类似，计算出目标靶在镜面中像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵R_X2C，平移矩阵T_X2C。

P_mc＝R_M2C·P_mm+T_M2C (2)

其中，P_mc为镜面上一点在相机坐标系中的位置；P_mm为镜面上的一点在镜面坐标系中的位置；R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵； T_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵。

7)计算相机与目标靶的位置关系。利用步骤5和6中计算得到的像、镜面与相机坐标系的转化关系，计算出目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系。

其中，步骤7中的计算过程如下：

设像中一点在像坐标系重的位置为P_xx，则根据公式1可以计算出它在相机坐标系下的位置P_xc，设它对应的实际目标靶点在棋盘格坐标系中的位置为P_gg，由镜面反射原理则：

该目标靶上的点在相机坐标系中的位置为P_gc，根据household translation，则：

P_gc＝-2(n^T·p+d)n+P_xc (4)

其中，P_gc为目标靶棋盘格中某点在相机坐标系中的位置，P_xc为经镜面反射的像在相机坐标系中的位置，n为镜面法向量，p为相机坐标原点到像点Pxc 的向量，d为相机到镜面的距离。镜面的法向量可按照下面的方法进行计算：

其中，n为镜面法向量，R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵。

根据以上过程，本专利计算出至少4组棋盘格坐标中的点P_gg(X_gg,Y_gg)^T和对应的相机坐标中的位置P_gc(X_gc,Y_gc,Z_gc)^T。

棋盘格坐标与相机坐标的转化公式可表示为：

P_gc＝R_G2C·P_gg+T_G2C (6)

设

T_G2C＝[b1 b2 b3]^T (8)

则根据公式9、10和11，根据最小二乘法，得到3组最小二乘不等式：

利用以上得到P_gg和P_gc，以最小二乘法构建等式，分别计算出公式9，10， 11中的未知数，最终得到目标靶向相机坐标系转化的旋转矩阵R_G2C，平移矩阵 T_G2C。

本发明基于平面反射镜提出了一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法。在完成相机内参校准后，本专利将棋盘格贴于或者显示在目标靶上，将平面镜放置于设备前方，即可实现相机与目标靶位置的标定。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，其特征在于：所述位置标定方法包括以下步骤：

1)安装设备，所述设备包括相机和目标靶，目标靶上的图片为棋盘格，单个格子为边长为L的正方形；设备安装于被测量聚光曲面镜的前方，调整相机的焦距和方向，使得图片中镜面和镜面反射的目标靶清晰；

2)校准相机内部参数，将棋盘格放置于相机前方，调整棋盘格的位置，使得棋盘格占尽可能多的图片区域，拍摄9张以上的不同姿态棋盘格图片，在得到以上图片后，利用MATLAB的相机校准工具实现相机的内部参数的计算；

3)将一棋盘格贴于平面镜上，放置于设备前方；此棋盘格不同于目标靶上的棋盘格，它的尺寸需要与平面镜匹配；平面镜放置于被测量曲面镜附近，调整它的姿态，使得相机不但能拍摄镜面上的棋盘格，而且能够拍摄到经平面镜反射的目标靶上的棋盘格；

4)拍摄镜面反射目标靶上棋盘格的图片；

5)计算相机与镜面的位置关系，利用步骤2)中计算的相机内部参数，采用MATLAB校准工具，利用单幅镜面上棋盘格图片，计算出相机与棋盘格间的位置关系；计算结果包括镜面坐标向相机坐标转化的旋转矩阵R_M2C,平移向量T_M2C；

P_xc＝R_X2C·P_xx+T_X2C (1)

其中，P_xc为像中的一点在相机坐标系下的位置；P_xx为像中一点在像坐标系下的位置；R_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵；T_X2C为像坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵；

6)计算相机与镜中目标靶成像的位置关系，计算出目标靶在镜面中像坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵R_X2C，平移矩阵T_X2C；

P_mc＝R_M2C·P_mm+T_M2C (2)

其中，P_mc为镜面上一点在相机坐标系中的位置；P_mm为镜面上的一点在镜面坐标系中的位置；R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵；T_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的平移矩阵；

7)计算相机与目标靶的位置关系，利用步骤5)和6)中计算得到的像、镜面与相机坐标系的转化关系，计算出目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系。

2.如权利要求1所述的一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，其特征在于：所述步骤7)中，目标靶坐标系与相机坐标系的转化关系的计算过程如下：

设像中一点在像坐标系中的位置为P_xx，则根据公式(1)可以计算出它在相机坐标系下的位置P_xc，设它对应的实际目标靶点在棋盘格坐标系中的位置为P_gg，由镜面反射原理则：

该目标靶上的点在相机坐标系中的位置为P_gc，根据household translation，则：

P_gc＝-(n^T·p+d)n+P_xc (4)

其中，P_gc为目标靶棋盘格中某点在相机坐标系中的位置，P_xc为经镜面反射的像在相机坐标系中的位置，n为镜面法向量，p为相机坐标原点到像点Pxc的向量，d为相机到镜面的距离；镜面的法向量可按照下面的方法进行计算：

其中，n为镜面法向量，R_M2C为镜面坐标系向相机坐标系转化的旋转矩阵；

根据以上过程，计算出至少4组棋盘格坐标中的点P_gg(X_gg,Y_gg)^T和对应的相机坐标中的位置P_gc(X_gc,Y_gc,Z_gc)^T；

棋盘格坐标与相机坐标的转化公式表示为：

P_gc＝R_G2C·P_gg+T_G2C (6)

设

T_G2C＝[b1 b2 b3]^T (8)

则根据公式(9)、(10)和(11)，根据最小二乘法，得到3组最小二乘不等式：

利用以上得到P_gg和P_gc，利用最小二乘法，分别计算出(9)、(10)和(11)中的未知数，最终得到目标靶向相机坐标系转化的旋转矩阵R_G2C，平移矩阵T_G2C。

3.如权利要求1或2所述的一种聚光镜面质量检测中相机与目标靶的位置标定方法，其特征在于：所述步骤2)中，利用MATLAB的相机校准工具实现相机的内部参数的计算，处理过程包括：图片读取，角点提取，内参计算，计算出的相机内部参数包括：焦距，图片中心位置和镜头畸变参数；

所述步骤5)中，采用MATLAB校准工具，利用单幅镜面上棋盘格图片计算出相机与棋盘格间的位置关系的过程包括：图片的读取，内部参数的加载，镜面上棋盘格角点的提取和外部参数的计算。

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