CN109239014B - 一种用于图像位置校准的特征点获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于图像位置校准的特征点获取方法，利用该方法可以确保标定板与入射激光片完全重合。该方法包括：步骤1)将标记物置于测量区域内，利用入射激光片作用于该标记物产生光学上的效应，形成特征图案；步骤2)利用测量系统的相机拍摄所述特征图案，拍摄过程中，保证相机的位置和焦距不变、入射激光片的位置和形状不变，获取清晰的特征图案图像，最终得到包含有足够多特征点的标记图像。本发明基于入射激光片产生“标定板”，利用该方法能够确保“标定板”与入射激光片完全重合，消除了传统方法中标定板与入射激光片的位置重合误差。

Description

一种用于图像位置校准的特征点获取方法

技术领域

本发明属于光学测量技术和图像处理领域，尤其涉及一种用于多台相机联合测量同一片状区域时的图像空间位置校准方法。

背景技术

二维流场参数测量在基础科学研究和工程应用中都具有重要的价值。目前，主要的流场二维参数测量技术为光学测量技术。典型的测量技术包括双色PLIF技术以及PLIF、RS和LII等联合测量技术。在这些测量过程中，通常使用多台相机共同拍摄同一片状区域。因此，在结果处理时需要将多台相机获得的图像进行空间位置校准；并且为了提高测量精度，要求图像匹配精度达亚像素级别。

图像校准的典型步骤包括：1、将带有特定标记图案的平板置于测量位置，尽可能保证平板与入射激光的光片重合，并利用测量系统中的所有相机拍摄平板。2、确定图像上标记图案的位置。3、选定图像变换方法，通常图像变换方法为仿射变换或投影变换，利用图案的位置确定图像变换方法中所需的矩阵。上述步骤中可能引入的误差包括：A、在第1步中，平板与入射激光的光片的重合误差。B、在第2步中，图案的位置确定误差。C、在第3步中，考虑到相机采集的图像可能会产生畸变，采用线性变换(仿射或投影变换)引入的误差。这些原因共同导致了较难满足精度为亚像素级别的图像匹配要求。降低上述三种误差中的任意一种都有助于提高图像校准精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：降低上述误差A，即提高标记板与入射激光片(片状入射激光)的重合度。为此，本发明提出了一种用于图像位置校准的特征点获取方法，利用该方法可以确保标定板与入射激光片完全重合。

本发明的原理为：将标记物置于测量区域内，利用入射激光片与该标记物发生相互作用产生“标记板”，通过原测量系统中的相机拍摄，获得“标记板”图像。“标记板”上需要有多个特征图形，用于后期特征点提取。本发明能够确保标定板与入射激光片完全重合的关键在于该“标记板”由入射激光片产生。

本发明的解决方案如下：

一种用于图像位置校准的特征点获取方法，包括：

步骤1)将标记物置于测量区域内，利用入射激光片作用于该标记物产生光学上的效应，形成特征图案；

步骤2)利用测量系统的相机拍摄所述特征图案，拍摄过程中，保证相机的位置和焦距不变、入射激光片的位置和形状不变，获取清晰的特征图案图像，最终得到包含有足够多特征点的标记图像(作为后续图像位置校准的基础)。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

所述产生光学上的效应是产生散射光或荧光。

根据标记物的具体结构形态，以上方案可以有多种具体实现形式：

方案a：

步骤1)中，所述标记物的结构具有多个杆件，数量不少于4个，这些杆件之间相互平行，并且一端固定，另一端空悬；将标记物置于测量区域中，调整标记物的姿态，使得入射激光片能够横切所有的杆件，入射激光片在与杆件的交界面处产生散射光图案；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的散射光图像；然后调整标记物的姿态，使得从散射光图像中能够获得清晰的入射激光与标记物的交界，此时拍摄散射光图像即获得所述标记图像。

方案b：

步骤1)中，所述标记物的结构为杆件物体，将杆件置于测量区域中，使得入射激光片横切杆件，在激光与杆件的交界面处产生散射光图案，该散射光图案能够确定一个特征点的位置；

步骤2)具体是将标记物移动到多个不同位置，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的散射光图像，然后调整标记物的姿态，使得从散射光图像中能够获得清晰的入射激光与标记物的交界，此时拍摄散射光图像为该位置处清晰的特征图案图像；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅特征图案图像组成。

上述步骤2)中，若增益调节至0时散射光图像强度依然较强，则可适当降低入射激光的能量，直至获得清晰的散射光图像。

方案c：

步骤1)具体是利用入射激光片激励OH的荧光形成特征图案，所述OH由另外一路的紫外激光解离水分子产生；

步骤2)具体是将所述另外一路激光的依次聚焦于测量区域内的多个不同位置处，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，拍摄得到的每一幅荧光图像确定一个特征点的位置；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅荧光图像组成。

方案d：

步骤1)具体是利用入射激光片激励多个不同位置处OH的荧光形成特征图案，所述多个不同位置处OH由另外的多路紫外激光分别同时聚焦于测量区域内相应多个不同位置解离水分子产生；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，此时拍摄荧光图像即获得所述标记图像。

方案f：

步骤1)具体是利用入射激光片激励NO的荧光形成特征图案，所述NO由毛细管喷射到测量区域内；

步骤2)具体是依次移动毛细管喷射位置到测量区域内的多个不同位置处，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，拍摄得到的每一幅荧光图像确定一个特征点的位置；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅荧光图像组成。

方案e：

步骤1)具体是利用入射激光片激励多个不同位置处NO的荧光形成特征图案，所述多个不同位置处NO分别由多根毛细管同时喷射到测量区域内；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，此时拍摄荧光图像即获得所述标记图像。

与现有技术相比，本申请的优点如下：

基于入射激光片产生“标定板”，利用该方法能够确保“标定板”与入射激光片完全重合，消除了传统方法中标定板与入射激光片的位置重合误差。

附图说明：

图1一种标记物的示意图；

图2应用图1所示标记物的测量系统的示意图，图中A与A’示意标记物的姿态位置。

附图标记如下：

1-激光器，2-反射镜，3-光束整形器，4-标记物，5-光井，6-数字脉冲延迟发生器。7-ICCD相机，8、9-滤光片,10-计算机。

具体实施方式

该方法主要包括两个步骤：

步骤1、确定标记方案，利用入射激光片在测量区域内形成“标记板”；步骤2、利用相机拍摄所述步骤1中产生的“标记板”，获得标记图像。步骤2的拍摄方案需要根据步骤1中的不同方案选定。但是在所有的拍摄过程中，需要保证相机的位置和焦距不变，以及入射激光片的位置和形状不变。以下给出六个实施例。

实施例一

标记方案(步骤1)：利用入射激光片与标记物的散射光形成“标记板”。标记物的结构与桌子或板凳类似，特征在于有多个杆件。这些杆件之间相互平行，并且一端固定，另一端空悬。杆件的截面形状为多边形或圆形。杆件的数量不少于4个。将标记物置于测量区域中，调整标记物的姿态，使得片状激光能够横切所有的杆件，激光在与杆件的交界面处产生散射光图案。

拍摄方案(步骤2)：第一步，如果原测量系统中采用了滤光片抑制入射激光对信号光的影响则需要将滤光片移除。第二步，调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的散射光图像。如果增益降为0时，散射光图像强度依然较强，可以适当降低入射激光的能量。该过程中要确保除入射激光的强度外，其余参数(位置、形状)保持不变。第三步，调整标记物的姿态，使得从散射光图像中能够获得清晰的入射激光与标记物的交界。第四步，拍摄散射光图像，获得标记图像。

实施例二

标记方案：利用入射激光片与标记物的散射光形成“标记板”。标记物为杆件物体。杆件物体的截面为多边形或圆形。将杆件置于测量区域中，使得入射激光片横切杆件的长边，在激光与杆件的交界面处产生散射光图案。该散射光图案能够确定一个特征点的位置。为了获得多个特征点的位置，需要移动杆件物体，将散射光图案置于测量区域内的不同位置处。

拍摄方案：将标记物移动到4～6个不同位置，在每一个位置处采用上述方案a的拍摄方案获得含有一个散射光图案的图像。每一幅图像可以确定一个特征点的位置。该方案较实施例一的优势在于标记物构型简单，劣势为需要采用多幅散射光图像才能获得全部的特征点。

实施例三

标记方案：利用入射激光片激励OH的荧光形成“标记板”，所述OH由另外一束紫外激光(解离激光，例如193nm激光)解离水分子产生。该方案适合于双线OH-PLIF技术。将解离激光聚焦于片状测量区域内，解离当地的水分子产生OH。入射激光片激励OH产生荧光，形成“标记板”。该荧光光斑能够确定一个特征点的位置。为了获得足够多(多于4个)的标记点，需要将焦点移动到测量区域内的不同位置处，并记录多幅荧光图像。

拍摄方案：第一步，调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，并拍摄。该步骤中，可以同时结合调节193nm的入射激光能量，改变焦点处OH的浓度。第二步，将焦点移动到测量区域内的不同位置，重复第一步拍摄荧光图像。每一幅荧光图像可以确定一个特征点的位置。

实施例四

标记方案：将上述实施例三中的单路解离激光变为多路解离激光。多路激光分别同时聚焦于测量区域内多个不同位置，解离产生OH。入射激光激励OH，在多个位置处产生荧光光斑，形成“标记板”。

拍摄方案：上述实施例三的拍摄方案的第一步。该方案较实施例三的优点在于采用一幅荧光图像就能获得所有标记点。

实施例五

标记方案：利用入射激光激励NO的荧光形成“标记板”，所述NO由毛细管喷射到测量区域内。该方案适合于双线NO-PLIF技术。利用单根毛细管向测量区域内喷射NO。毛细管垂直于入射激光片，喷口位置距离入射激光片小于5mm。入射激光激励NO产生荧光，形成含有一个荧光光斑的“标记板”。为了获得足够多(多于4个)的标记点，需要将喷射位置移动到测量区域内的不同位置处，并记录多幅荧光图像。

拍摄方案：第一步，调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，并拍摄。该步骤中，可以同时结合调节NO的流速和喷口与入射激光片的距离，改变NO荧光光斑的形状。第二步，将焦点移动到测量区域内的不同位置，重复第一步拍摄荧光图像。每一幅荧光图像可以确定一个特征点的位置。

实施例六

标记方案：将上述实施例五中的单根毛细管变为多根毛细管。在测量区域内多个位置处喷射NO。入射激光激励NO，在多个位置处产生光斑，形成“标记板”。

拍摄方案：上述实施例五的拍摄方案的第一步。该方案较实施例五的优点在于采用一幅荧光图像就能获得所有标记点。

以下结合附图，通过一个具体应用示例再详细介绍上述实施例一：

一种用于基于染料rhodamine B(RhB)的双色PLIF图像空间校准的特征点获取方法，具体包含以下步骤：

步骤1.1、采用石英玻璃为材料制作标记物，该标记物的主要特征在于包含5个矩形立柱，如图1所示。规定激光传播方向为z正向，垂直于z方向且处于入射激光片内的方向为y,同时垂直于z和y的方向为x。入射激光片横切过5个立柱时，将在激光与立柱交接处产生散射光，由此形成“标记板”。为了降低处于z值较小处的立柱对z值较大处立柱的散射光斑的影响，5个立柱的y方向排布位置不同。

基于染料RhB的双色PLIF的测量原理为将532nm激光整形为片状激光，利用片状激光激励测量区域内的RhB产生荧光，利用两台相机拍摄波长范围为540～660nm和575～650nm的荧光图像，并由两幅荧光强度之比获得温度。如图2所示，双色PLIF的测量系统包括：激光器1、反射镜2、光束整形器3、光井5、数字脉冲延迟发生器6、ICCD相机7、滤光片8、9，计算机10。

获取标记图像的原理为将标记物4置于测量区域，利用原测量系统中的入射激光片照射到标记物上产生“标记板”，然后保持原测量系统中的相机位置和焦距不变拍摄散射光图像。具体步骤如下：

步骤2.1调节激光器1，使其输出波长为532nm的激光。

步骤2.2调节光束整形器3，使得激光片在测量区域内满足PLIF测量需求，厚度约为1mm，高度约为50mm。

步骤2.3数字脉冲延迟发生器6独立输出三路方波信号，分别触发激光器1与两台ICCD相机7，使得激光器1与ICCD相机7的曝光时间同步。

步骤2.4移除滤光片8、9，将标记物4置于测量区域内，使得激光片横切立柱，在立柱侧面形成散射光图案，围绕x、y轴旋转调节标记物，设定相机曝光时间和增益，同时降低入射激光的能量，使得5个立柱均能在ICCD相机中产生清晰的散射光图案，拍摄获得标记图像。

Claims (9)

1.一种用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于，包括：

步骤1)将标记物置于测量区域内，利用入射激光片作用于该标记物产生光学上的效应，形成特征图案，所述特征图案包括多个特征图形，用于后期特征点提取；

步骤2)利用测量系统的相机拍摄所述特征图案，拍摄过程中，保证相机的位置和焦距不变、入射激光片的位置和形状不变，获取清晰的特征图案图像，最终得到包含有足够多特征点的标记图像，作为后续图像位置校准的基础。

2.根据权利要求1所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：所述产生光学上的效应是产生散射光或荧光。

3.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)中，所述标记物的结构具有多个杆件，数量不少于4个，这些杆件之间相互平行，并且一端固定，另一端空悬；将标记物置于测量区域中，调整标记物的姿态，使得入射激光片能够横切所有的杆件，入射激光片在与杆件的交界面处产生散射光图案；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的散射光图像；然后调整标记物的姿态，使得从散射光图像中能够获得清晰的入射激光与标记物的交界，此时拍摄散射光图像即获得所述标记图像。

4.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)中，所述标记物的结构为杆件物体，将杆件置于测量区域中，使得入射激光片横切杆件，在激光与杆件的交界面处产生散射光图案，该散射光图案能够确定一个特征点的位置；

步骤2)具体是将标记物移动到多个不同位置，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的散射光图像，然后调整标记物的姿态，使得从散射光图像中能够获得清晰的入射激光与标记物的交界，此时拍摄散射光图像为该位置处清晰的特征图案图像；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅特征图案图像组成。

5.根据权利要求3或4所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：步骤2)中，若增益调节至0时散射光图像强度依然较强，则适当降低入射激光的能量，直至获得清晰的散射光图像。

6.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)具体是利用入射激光片激励OH的荧光形成特征图案，所述OH由另外一路的紫外激光解离水分子产生；

步骤2)具体是将所述另外一路激光的依次聚焦于测量区域内的多个不同位置处，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，拍摄得到的每一幅荧光图像确定一个特征点的位置；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅荧光图像组成。

7.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)具体是利用入射激光片激励多个不同位置处OH的荧光形成特征图案，所述多个不同位置处OH由另外的多路紫外激光分别同时聚焦于测量区域内相应多个不同位置解离水分子产生；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，此时拍摄荧光图像即获得所述标记图像。

8.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)具体是利用入射激光片激励NO的荧光形成特征图案，所述NO由毛细管喷射到测量区域内；

步骤2)具体是依次移动毛细管喷射位置到测量区域内的多个不同位置处，在每一个位置均进行以下操作：调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，拍摄得到的每一幅荧光图像确定一个特征点的位置；所述标记图像由与所述多个不同位置一一对应的多幅荧光图像组成。

9.根据权利要求2所述的用于图像位置校准的特征点获取方法，其特征在于：

步骤1)具体是利用入射激光片激励多个不同位置处NO的荧光形成特征图案，所述多个不同位置处NO分别由多根毛细管同时喷射到测量区域内；

步骤2)具体是调节相机的增益，使得相机能够获得清晰的荧光图像，此时拍摄荧光图像即获得所述标记图像。

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