CN107808399A - 一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，包括以下步骤：采集基准光栅图像；改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量系统，包括：图像采集模块；图像处理模块；角度计算模块。本方案在保证一定精度的前提下实现方式简单，降低了不确定度。同时，该方案对器件和环境要求低，只需要一幅光栅图像即可实现测量，硬件要求低，具有很强的适应性，便于工业应用。广泛应用于图像处理领域。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像处理领域，具体为基于莫尔条纹的相机角度的测量方法及系统。
背景技术
相机的空间位姿分别为X方向、Y方向、Z方向、俯仰、偏航、翻滚6个自由度。相机角度在空间位姿的表示方法中通常指相机俯仰角、偏航角、翻滚。在视觉测量中，相机与基准平面之间的角度变化会引起诸多参量的变化，针对不同角度，选择不同的测量策略，可以提高测量系统的适应性。在目前的非接触式单相机角度测量的方法中，普遍使用相机平面标定理论，利用棋盘板校准相机的内参；利用棋盘板上的角点位置与图像上相对应点的像素坐标，计算得到棋盘板坐标系与相机坐标系之间的旋转平移关系，进而计算出被测平面相对相机光轴的旋转角度。这种方法需要复杂的标定过程，算法实现难度较大，不便于工业化使用。
因此，该技术有必要进行改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低成本、高精度的基于莫尔条纹的相机角度变化测量的方法及系统。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
作为该技术方案的改进，所述步骤包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，为初始相位。
作为该技术方案的改进，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
作为该技术方案的改进，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
进一步地，当改变相机角度后，此时的光栅周期为：
其中ΔL(x)为每一像素点对应的深度变化值。
进一步地，所述两光栅合成条纹的表达式为：
其中，
进一步地，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，采用低通滤波处理，得到所述莫尔条纹低频分量的频率：
进一步地，通过对相机各像素点对应深度变化式求导，进而可得到相机的旋转角度的姿态变化。
另一方面，本发明还提供一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量系统，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
角度计算模块，用于执行步骤计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于莫尔条纹的相机角度测量的方法及系统，针对相机的俯仰和偏航两个自由度，进行角度测量。通过对两次光栅图像的采集，并对图像进行拍频处理，求得各像素点的频率变化量，进而得到相机的角度变化量，十分方便，计算量较小且精准，优化难度小，提高了测量效率，可广泛应用于数字图像处理领域。
利用双光栅之间角度变化对合成莫尔条纹频率变化率的影响，通过计算图像每一像素点的莫尔条纹频率，得到莫尔条纹频率变化率，进而计算两光栅的角度，并得到相机角度的变化。本方案在保证一定精度的前提下实现方式简单，降低了不确定度，降低了机器视觉应用中相机角度变化对测量结果的影响。同时，该方案对器件和环境要求低，只需要一幅光栅图像即可实现测量，硬件要求低，具有很强的适应性，便于工业应用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明第一实施例的流程示意图；
图2为本发明采用的空间周期为2厘米的光栅图像示意图；
图3是本发明采集空间周期为2厘米光栅的一基准光栅图像；
图4是本发明第二实施例的采集相机旋转14度的光栅图；
图5是本发明第三实施例的模块示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1，本发明提供一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
其中，所述基准光栅图像可为相机在任意角度时采集到的图像。
作为该技术方案的改进，所述步骤包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，为初始相位。
作为该技术方案的改进，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
作为该技术方案的改进，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
进一步地，当改变相机角度后，此时的光栅周期为：
其中ΔL(x)为每一像素点对应的深度变化值。
进一步地，所述两光栅合成条纹的表达式为：
其中，
进一步地，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，采用低通滤波处理，得到所述莫尔条纹低频分量的频率：
进一步地，通过对相机各像素点对应深度变化式求导，进而可得到相机的旋转角度的姿态变化。通过对相机角度变化值的测量，便于用于后续视觉测量。
本发明采用的方案是利用双光栅角度对合成的莫尔条纹频率变化率的影响，计算莫尔条纹每一个像素点频率，进而得到双光栅的角度变化，根据光栅图像的空间周期即可得到相机的俯仰角或偏航角。该方法包括以下步骤：
利用被测相机拍摄空间周期为d的光栅图像，经过透镜成像后的光栅表达式为：
其中d1为成像后的光栅周期。
根据针孔相机成像规律计算成像后的光栅周期，在焦点处成像：
其中F为相机焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
成像后的光栅周期：
基准面与相机之间角度关系发生变化时，光栅周期为：
其中ΔL(x)为每一像素点对应的深度变化值。
两光栅合成条纹表达式为：
提取低频分量的频率：
相机每一像素点对应的深度变化可表示为：
ΔL(x)＝f0(x)Fd
对位置x求导得：
ΔL(x)′＝f0(x)′Fd
即得相机旋转角度：
θ＝arctan(ΔL(x)′)＝arctan(f0(x)′Fd)
通过一幅光栅图像，进而求得相机的角度变化值。
参照图2，为空间周期为2厘米的光栅图像。本实施例采用的是周期d为2厘米的光栅。首先得到基准光栅图像，如图3以此作为测量零点。
如图4是相机角度变化14度之后拍摄的光栅图像。
将两光栅进行拍频处理：
根据针孔相机成像规律计算成像后的光栅周期，在焦点处成像：
其中F为相机焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
成像后的光栅周期：
基准面与相机之间角度关系发生变化时，光栅周期为：
其中ΔL(x)为每一像素点对应的深度变化值。
低通滤波之后计算合成的莫尔条纹，提取该图像每一点的频率信息，利用短时傅里叶变换算法，计算出每一点的频率变化量：
即可得到相机每一像素点对应的深度变化：
ΔL(x)＝f0(x)Fd (7)
对位置x求导得：
ΔL(x)′＝f0(x)′Fd (8)
即得相机旋转角度：
θ＝arctan(ΔL(x)′)＝arctan(f0(x)′Fd)
此次测量结果为13.533度。通过多次实验，采用该方案的绝对误差可控制在0.6度以内，如多次试验结果的表1所示。
表1
参照图5，另一方面，本发明还提供一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量系统，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
角度计算模块，用于执行步骤计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
本发明提供的基于莫尔条纹的相机角度测量的方法及系统，针对相机的俯仰和偏航两个自由度，进行角度测量。通过对两次光栅图像的采集，并对图像进行拍频处理，求得各像素点的频率变化量，进而得到相机的角度变化量，十分方便，计算量较小且精准，优化难度小，提高了测量效率，可广泛应用于数字图像处理领域。
利用双光栅之间角度变化对合成莫尔条纹频率变化率的影响，通过计算图像每一像素点的莫尔条纹频率，得到莫尔条纹频率变化率，进而计算两光栅的角度，并得到相机角度的变化。本方案在保证一定精度的前提下实现方式简单，降低了不确定度，降低了机器视觉应用中相机角度变化对测量结果的影响。同时，该方案对器件和环境要求低，只需要一幅光栅图像即可实现测量，硬件要求低，具有很强的适应性，便于工业应用。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，
其包括以下步骤：
采集基准光栅图像；
改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
2.根据权利要求1所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，所述步骤包括：通过相机采集空间周期为d的光栅图像，得到的基准光栅图像可表达式为：
其中，A为光栅图像的振幅，d1为成像后的光栅周期，为初始相位。
3.根据权利要求1或2所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，由针孔相机成像规律可得光栅在焦点处垂轴放大率为：
<mrow>
<mi>&beta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>F</mi>
<mi>L</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，F为所述相机的焦距，L为基准面与相机之间的距离，β为镜头的垂轴放大倍率。
4.根据权利要求3所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，所述基准光栅成像后的光栅周期为：
5.根据权利要求4所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，当改变相机角度后，此时的光栅周期为：其中ΔL(x)为每一像素点对应的深度变化值。
6.根据权利要求5所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，所述两光栅合成条纹的表达式为：
其中，
7.根据权利要求6所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，所述方法还包括对所述两光栅图像进行拍频处理后，采用低通滤波处理，得到所述莫尔条纹低频分量的频率：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>0</mn>
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<mi>x</mi>
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<msub>
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<mn>1</mn>
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</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mrow>
<mi>F</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>-</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>F</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>F</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求7所述的基于莫尔条纹的相机角度变化的测量方法，其特征在于，通过对相机各像素点对应深度变化式求导，进而可得到相机的旋转角度的姿态变化。
9.一种基于莫尔条纹的相机角度变化的测量系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于执行步骤采集基准光栅图像；改变相机的角度，并采集此时的光栅图像；
图像处理模块，用于执行步骤将所述两光栅图像进行拍频处理，得到合成的莫尔条纹，并提取所述莫尔条纹图像各点的频率信息；
角度计算模块，用于执行步骤计算所述莫尔条纹图像各点的频率变化量，进而得到相机的角度变化大小。
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