CN108195557A - 基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统 - Google Patents
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Abstract
基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统，本发明涉及低速风洞模型姿态测量技术领域，解决现有技术实时测量结果精度低且不能测量攻角和侧滑角的角度值等技术问题。本发明主要包括双目摄像机模块，图像采集模块，图像预处理模块，信息融合模块和角度计算模块。本发明用于风洞模型姿态测量。
Description
技术领域
本发明涉及低速风洞模型姿态测量技术领域，具体涉及基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统。
背景技术
模型姿态测量包括模型攻角、侧滑角的测量，要求能够在吹风试验的过程中实时获得试验模型的姿态信息，并且，模型姿态控制系统的反馈信息与模型姿态控制系统相结合，以实现所要求的模型运动安全防护的作用。现有风洞模型姿态测量系统所测得角度精度低。
发明内容
针对上述现有技术，本发明目的在于提供基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统，解决现有技术实时测量结果精度低且不能测量攻角和侧滑角的角度值等技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统，包括
双目摄像机模块，用于获取图像信息，其中包括第一摄像机模块和第二摄像机模块，参考风洞内待测模型位置，第一摄像机模块坐标相对于第二摄像机模块坐标呈平移矩阵关系，第二摄像机模块相对坐标相对于第一摄像机模块相对坐标呈旋转矩阵关系；
图像采集模块，对双目摄像机模块的图像信息选择地进行同步采集，用于保持第一摄像机模块和第二摄像机模块的每一帧图像时间对应关系，获得带时间戳的双目网格图像；
图像预处理模块，将双目网格图像进行灰度值处理，获得双目灰度图像并提取双目灰度图像的特征点；
信息融合模块，根据三维重建算法，利用双目摄像机模块的焦距、平移矩阵关系和旋转矩阵关系，结合双目灰度图像的特征点对待测模型特征点进行重建，获得待测模型特征点在待测模型处合成三维坐标系下的三维坐标值；
角度计算模块，通过三维坐标值表示待测模型中轴在合成三维坐标系下的直线函数，再根据直线函数，计算待测模型中轴相对于攻角零平面的夹角和相对于侧滑角零平面的夹角，分别计算出待测模型实时的攻角和侧滑角。
上述方案中，还包括图像渲染模块，对双目网格图像进行渲染得到实时图像。
上述方案中，还包括图像存储模块，对实时图像进行存储。
上述方案中，还包括二位角度显示模块，显示攻角值和侧滑角值并将其存储到数据库中。
上述方案中，所述的信息融合模块，在待测模型处合成三维坐标系下，通过重建的待测模型不同特征点的三维坐标对待测模型的边缘进行检测，获得边缘图像，再进行边缘图像特征点提取，获得待测模型参考垂直边缘的特征点。
上述方案中，所述的角度计算模块，还对待测模型参考垂直边缘的特征点进行重建，获得参考名义角，再利用参考名义角对计算出待测模型实时的攻角和侧滑角进行角度修正，得到修正的攻角和侧滑角。
基于双目视觉的模型姿态非接触测量装置，包括
第一摄像机和第二摄像机，用于获取待测模型图像信息；
控制系统，用于图像信息处理和角度计算，连接第一摄像机和第二摄像机；
双目摄像支架，其包括竖直支撑杆和水平直杆，水平直杆中部设置有锁紧套筒，水平直杆通过锁紧套筒安装在竖直支撑杆上，其还包括两个万向调节支架，两个万向调节支架分别对称设置在水平直杆的两端；
所述的第一摄像机和第二摄像机，分别按第一摄像机的坐标与第二摄像机的坐标呈平移矩阵关系、第二摄像机的相对坐标与第一摄像机的相对坐标呈旋转矩阵关系，安装于两个万向调节支架上，构成双目摄像。
上述装置中，所述的万向调节支架，包括
安装盘，用于固定在安装表面上；
底座，与安装盘转动配合，且底座的转动面与安装表面平行；
翻转架，第一端部通过底座上的第一转轴与底座轴接，第二端部通过第二转轴与所述第一摄像机或所述第二摄像机转动连接，翻转架绕第一转轴转动形成的第一平面与所述第一摄像机或所述第二摄像机绕第二转轴转动形成的第二平面相交。
上述装置中，所述的第一摄像机或第二摄像机，选用CCD视觉传感器，CCD视觉传感器由640像素×480像素的CCD摄像机Tai M40和10mm的镜头组成。
上述装置中，所述的控制系统，包括双图像通道的图像采集卡。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
提高了待测模型的重建三维坐标值精度，能够实时获得待测模型的攻角和侧滑角。
附图说明
图1为本发明模型姿态测量系统的双CCD视觉传感器实物示意图；
图2为本发明模型姿态测量系统的示意图；
图3为本发明摄像机标定和三维重建算法结构图；
图4为本发明模型姿态测量的特征点示意图，；
图5为本发明摄像机坐标模型示意图；
图6为本发明双CCD立体视觉原理示意图；
图7为本发明目标特征运动距离与转动角度的关系曲线图；
图8为本发明试验模型姿态的角度与平面关系示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
模型姿态测量系统如图1所示，由双CCD视觉传感器和测量处理工作站组成。双CCD视觉传感器由两台640像素×480像素的CCD摄像机(Tai M40)和10mm的镜头组成；测量处理工作站由图形工作站、双图像通道的图像采集卡组成。
(a)双CCD视觉传感器
模型姿态测量包括模型攻角、侧滑角的测量，要求能够在吹风试验的过程中实时获得试验模型的姿态信息，并能作为模型姿态控制系统的反馈信息与模型姿态控制系统相结合起到模型运动安全防护的作用。在精度达到3分精度时，作为实时角度直接作为风洞试验的测控数据，提高风洞试验的测控水平。
模型姿态测量系统方案如图1所示：
模型姿态测量采用基于PC的三维机器视觉角度处理方案。在试验模型侧面平行设置两台高速摄像机，两路数字图像经图像预处理，获得模型侧面的相对摄像机平面的两幅不同图像，通过对两幅平面上同一目标点的三维合成，生成特征的三维坐标，实时计算出试验模型的二维实时角，并给予显示。通过对异常角度的报警设置，能及时对意外情况发出报警。
左右摄像机组：获取图像信息；(第一摄像机为右摄像机，第二摄像机为左摄像机，待测模型到摄像机所在平面的垂线)
图像采集模块：图像采集模块对左右摄像机的图像进行在触发信号的控制下同步采集，使两个摄像机过来的每一帧图像均存在一一对应关系，采集后的图像就是带时间戳的网格图像。
图像预处理模块：采集到左右两幅平面彩色图像处理为1024级灰度图像，提取左右两幅平面图像的特征点。
图像渲染模块：渲染就是对不实时显示的图像，通过运算，得到实时图像。这里是对待显示的图像进行运算，使左右摄像机得到的图像能够实时、清晰地显示出来。
图像存储模块：用于存储渲染后的图像，以备后期查看；
信息融合模块：对左右两幅平面图像的特征点在三维重建算法的处理下，得到模型特征点在摄像机三维坐标系下的三维坐标值。
角度计算模块：对得到模型特征点在摄像机三维坐标系下坐标值进行计算，得到模型中轴在三维坐标下的直线函数，然后计算此直线对于攻角零平面和侧滑角零平面的夹角，解算出实时攻角和侧滑角。
二位角度显示模块：对计算出来的实时攻角和侧滑角在软件界面上实时显示，并存储到数据库中。
摄像机标定和三维重建算法
本系统采用的原理是在试验模型的同一侧面平行放置两台CCD摄像机，通过两台摄像机获得的两幅二维图像合成三维图像，根据两个特征区域质心的三维坐标，实时解算出模型的攻角和侧滑角。
摄像机标定和三维重建算法是实现上述功能的关键算法。算法结构图如图4所示。
(1)特征点的选择
采用双CCD立体视觉对模型姿态测量，需要在试验模型上确定2个以上的特征点。在考虑提取的技术实现的可能性、鲁棒性、一致行的条件下，取圆和对三角锥为特征点。
(2)摄像机标定算法
双目摄像机参数是左、右摄像机的焦距f1、f2，右摄像机相对于左摄像机的平移矩阵[tx ty tz]、右摄像机相对于左摄像机的旋转矩阵[r1 r2 r3，r4 r5 r6，r7 r8 r9]。平移矩阵[tx ty tz]，tx取1，就只需求得ty、tz。摄像机标定算法就是求得f1、f2、ty、tz、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9共13个参数。
摄像机模型为理想的针孔透视变换模型,不考虑透镜的畸变。建立如图6所示的摄像机模型。
设(x,y,z)是空间点P在摄像机坐标系中的三维坐标,摄像机坐标系定义为:中心在O点(光学中心),Z轴与光轴重合。OXY是中心在O点(光轴Z与图像平面的交点)平行于x、y轴的图像坐标系。物空间点与OXY像面间构成理想的透视对应。图像在计算机中的坐标系Ofuv的单位是像素,则oxyz空间点到像面的透视变换为:
其中(u0,v0)为像面中心,sx为横纵像素转换当量比,f为有效焦距。
由两台CCD摄像机组成的空间三坐标测量传感器的数学模型和相应的各种坐标系如图6所示。
O1X1Y1为左摄像机的像平面，有效焦距为f1,像面中心为(u01,v01)；O2X2Y2为右摄像机的像平面，有效焦距为f2,像面中心为(u02,v02)。
定义左摄像机坐标系O1X1Y1Z1为双CCD立体视觉测量系统的测量坐标系，右摄像机坐标系O2X2Y2Z2与测量坐标系的关系为：
R为右摄像机对左摄像机的旋转矩阵，T为右摄像机对左摄像机的平移矩阵。
只要已知焦距f1、f2，旋转矩阵R和平移矢量T,就可以得到被测物体点的三维空间坐标。两像平面坐标合成三维坐标的关系为：
由公式(4)得方程：
(f2tx+X2tz)(r4X1+r5Y1+f1r6)-(f2ty+Y2tz)(r1X1+r2Y1+f1r3)＝(f2ty+Y2tz)(r7X1+r8Y1+f1r9) (5)
取大于13个目标点的坐标，联立式(5)，在满足R正交条件下，用牛顿—高斯法求得f1、f2、ty、tz、r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9。
(3)三维重建算法
只要已知焦距f1、f2，旋转矩阵R和平移矢量T,由公式(4)就可以得到被测物体点的三维空间坐标，实现三维重建。
模型特征动态跟踪算法
模型姿态测量背测物体是沿一个轴心转动，目标特征的运动距离与转动角度的关系是正弦关系。目标特征运动距离与转动角度的关系如图7所示。
表1捕获区域移动像素变化对应表
注：1)、角度单位：度
2)、特征转动半径：1m
3)、图像处理速度：25帧/s
4)、像素变化取整，采用只进不舍原则
由上表，特征区域最大移动的范围为每帧1像素，取像素移动速度的3倍作为目标跟踪窗口的边际距离，则实际目标跟踪窗口的大小为：
(x+2×m)×(y+2×n)像素x，y为特征的宽、高；
m，n为跟踪窗口的水平边际距离、垂直边际距离。
模型姿态实时角提取算法
由两特征区域质心的三维坐标，通过求解两质心连线在攻角零平面和侧滑角零平面的夹角可以解算出实时攻角和侧滑角。
实时攻角/侧滑角与坐标平面的关系图如图8所示。
特征点在空间三维坐标连线的直线方程为：
m＝x2-x1n＝y2-y1p＝z2-z1
攻角零平面方程为：
A1x+B1y+C1Z+D1＝0 (7)
侧滑角零平面方程为：
A2x+B2y+C2Z+D2＝0 (8)
则攻角α的表达式为：
则侧滑角β的表达式为：
达到的技术指标，
系统实际技术指标：
图像帧处理速度：＞25帧/秒；
实时角测量误差：攻角＜0.05°，侧滑角＜0.5°；
角度测量范围：攻角-180°—180°，侧滑角-30°—30°；
图像存储能力：可控；
数据存储能力：可控；
数据回放：有。
以上指标是根据640像素×480像素的CCD摄像机，摄像机帧速率25帧/秒得到的结果。如果CDD的图像分辨率提高1倍，图像帧速率提高1倍，摄像机标定精确度和图象边缘提取精度使特征点三维坐标精度提高一倍，那么系统在精准度的理论技术指标为：
图像帧处理速度：＞50帧/秒；
实时角测量误差：攻角＜0.00625°，侧滑角＜0.06255°；
角度测量范围：攻角-180°—180°，侧滑角-30°—30°。
系统研制的意义，
系统研制是以模型运动安全控制需求提出的，而实际测量指标已经远远超越了安全控制的需求，但要作为试验测量数据用，精准度还需提高。本系统的研制思想、解决问题的方法为试验数据的测量做出了有益的探索，探索取得圆满成功。
下一步提高CCD摄像机的分辨率，提高图像处理算法，使系统能够直接应用于模型姿态测量的试验数据。同时，系统提出的基于图像处理的非接触测量可以应用于工业生产线的非接触测量、堆积物体的体积测量、桥梁安全监测等应用场合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，包括
双目摄像机模块，用于获取图像信息，其中包括第一摄像机模块和第二摄像机模块，参考风洞内待测模型位置，第一摄像机模块坐标相对于第二摄像机模块坐标呈平移矩阵关系，第二摄像机模块相对坐标相对于第一摄像机模块相对坐标呈旋转矩阵关系；
图像采集模块，对双目摄像机模块的图像信息选择地进行同步采集，获得带时间戳的双目网格图像；
图像预处理模块，将双目网格图像进行灰度值处理，获得双目灰度图像并提取双目灰度图像的特征点；
信息融合模块，根据三维重建算法，利用双目摄像机模块的焦距、平移矩阵关系和旋转矩阵关系，结合双目灰度图像的特征点对待测模型特征点进行重建，获得待测模型特征点在待测模型处合成三维坐标系下的三维坐标值；
角度计算模块，通过三维坐标值表示待测模型中轴在合成三维坐标系下的直线函数，再根据直线函数，计算待测模型中轴相对于攻角零平面的夹角和相对于侧滑角零平面的夹角，分别计算出待测模型实时的攻角和侧滑角。
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，还包括
图像渲染模块，对双目网格图像进行渲染得到实时图像。
3.根据权利要求2所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，还包括
图像存储模块，对实时图像进行存储。
4.根据权利要求1或3所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，还包括
二位角度显示模块，显示攻角值和侧滑角值并将其存储到数据库中。
5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，所述的信息融合模块，在待测模型处合成三维坐标系下，通过重建的待测模型不同特征点的三维坐标对待测模型的边缘进行检测，获得边缘图像，再进行边缘图像特征点提取，获得待测模型参考垂直边缘的特征点。
6.根据权利要求5所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量系统,其特征在于，所述的角度计算模块，还对待测模型参考垂直边缘的特征点进行重建，获得参考名义角，再利用参考名义角对计算出待测模型实时的攻角和侧滑角进行角度修正，得到修正的攻角和侧滑角。
7.基于双目视觉的模型姿态非接触测量装置，其特征在于，包括
第一摄像机和第二摄像机，用于获取待测模型图像信息；
控制系统，用于图像信息处理和角度计算，连接第一摄像机和第二摄像机；
双目摄像支架，其包括竖直支撑杆和水平直杆，水平直杆中部设置有锁紧套筒，水平直杆通过锁紧套筒安装在竖直支撑杆上，其还包括两个万向调节支架，两个万向调节支架分别对称设置在水平直杆的两端；
所述的第一摄像机和第二摄像机，分别按第一摄像机的坐标与第二摄像机的坐标呈平移矩阵关系、第二摄像机的相对坐标与第一摄像机的相对坐标呈旋转矩阵关系，安装于两个万向调节支架上，构成双目摄像。
8.根据权利要求7所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量装置，其特征在于，所述的万向调节支架，包括
安装盘，用于固定在安装表面上；
底座，与安装盘转动配合，且底座的转动面与安装表面平行；
翻转架，第一端部通过底座上的第一转轴与底座轴接，第二端部通过第二转轴与所述第一摄像机或所述第二摄像机转动连接，翻转架绕第一转轴转动形成的第一平面与所述第一摄像机或所述第二摄像机绕第二转轴转动形成的第二平面相交。
9.根据权利要求7或8所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量装置，其特征在于，所述的第一摄像机或第二摄像机，选用CCD视觉传感器，CCD视觉传感器由640像素×480像素的CCD摄像机Tai M40和10mm的镜头组成。
10.根据权利要求7或9所述的基于双目视觉的模型姿态非接触测量装置，其特征在于，所述的控制系统，包括双图像通道的图像采集卡。
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| Title |
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| 汤春林: "双目立体视觉在模型姿态非接触测量中的应用研究", 第十二届全国图象图形学学术会议论文集, pages 723 - 726 * |
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