CN109798831A - 一种用于燃料组件的双目视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料组件的双目视觉测量方法，该方法包括：S1、对设置于水下用于测量燃料组件的所有摄像机进行内参数标定；S2、将相邻的两台摄像机组成双目模块，并对所有双目模块进行内外参数标定；S3、根据双目模块的外参数形成的外参数矩阵建立系统整体测量模型；S4、确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，并获取待测燃料组件测量点在所述双目模块中的三维坐标值，将所述三维坐标值代入所述系统整体测量模型中，计算获得待测燃料组件的测量量。该方法具有操作简便、效率高、测量精度高的优点，同时可实现燃料组件的全局和局部参数的高精度测量。

Description

一种用于燃料组件的双目视觉测量方法

技术领域

本发明涉及燃料组件视觉测量技术领域，尤其涉及一种用于燃料组件的双目视觉测量方法。

背景技术

作为核能发电的核心部件，燃料组件工作于堆芯水池，该水池在核电运行期间长期处于高温、高压和强辐射条件下，由于辐照、热应力等影响，燃料组件会发生一定的变形，过大的燃料组件变形会带来堆内装卸困难、组件表面破损、堆芯象限功率倾斜等问题。通过核燃料组件外形参数的测量，不仅可以为堆芯燃料组件顺利装载提供精确的参考数据，还可以通过测量值判断乏燃料组件能否再次循环利用。

由于燃料组件工作于特殊的水环境中，目前，测量方法主要包含2类，一是接触式的探针测量法，该方法对目标的测量参数少，且有损伤组件的风险；二是基于视觉、超声波、涡流等的非接触方法，其中，超声波检查常用于燃料棒破损的鉴别，仅用于组件的局部测量，涡流检测常用于燃料棒缺陷的检测，也是局部参数测量，只有视觉测量法可同时实现非接触的全局、局部参数测量。高永明等采用视频图像传感器与标定方法相结合的方式实现燃料组件的变形参数测量，该方法基于单目视觉方式，可实现动态和静态测量，但测量精度有待提升，其变形测量的重复精度为±1mm。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于双目燃料组件的双目视觉测量方法，包括如下步骤：

S1、对设置于水下用于测量燃料组件的所有摄像机进行内参数标定；

S2、将相邻的两台摄像机组成双目模块，并对所有双目模块进行内外参数标定；

S3、根据双目模块的外参数形成的外参数矩阵建立系统整体测量模型；

S4、确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，并获取待测燃料组件测量点在所述双目模块中的三维坐标值，将所述三维坐标值代入所述系统整体测量模型中，计算获得待测燃料组件的测量量。

其中，所述步骤S1具体包括：

将待标定的每一水下摄像机视场等分为多个第一设定尺寸的重叠区域，将第二设定尺寸的二维标定板设置于待标定的水下摄像机视场内，依次平移标定板至待标定水下摄像机的所有视场区域，并转动标定板，使标定板呈现不同的姿态，采集第一设定数量的图像；

对每一图像提取标志点，并将标志点坐标代入下式计算获得多个二阶径向畸变系数(k₁,k₂)，

对所述多个二阶径向畸变系数进行最优运算获得每一水下摄像机的最优二阶径向畸变系数。

其中，所述步骤S2具体包括：

将相邻两台相机组成双目模块，将所述二维标定板分别置于各待标定双目模块的重叠视场内，依次平移和旋转所述二维标定板，使其遍历整个重叠视场，获得所述待标定双目模块的第二设定数量的图像对；

对每一待标定的双目模块的每一图像对中的每一图像提取标志点，并将标志点坐标代入下式中进行计算获得每一双目模块的内参数和外参数；

其中，α_x、α_y、u₀和v₀为双目模块的内参数，R和T为双目模块的外参数，X_w、Y_w、Z_w分别为标志点在X、Y、Z轴的坐标值，u、v表示标志点在像素坐标系下的坐标值，Z_c为标志点在像机坐标系下的Z轴坐标值。

其中，所述步骤S3具体包括：

S31、获取待测量的燃料组件测量点所处的双目模块以及在对应的双目模块中的坐标值；

S32、将所述待测量的燃料组件测量点的坐标值转换到同一双目模块中，获得同一双目模块的两个三维坐标点；

S33、计算所述两个三维坐标点之间的欧式距离，获得所述待测燃料组件的长度。

其中，所述步骤S31具体包括：

获取待测量的燃料组件测量点所处的两组双目模块以及在每一组双目模块中的对应的坐标值；

所述步骤S32具体包括：

将双目模块组数较大的测量点的坐标矩阵乘以待测燃料组件所处的两组双目模块之间的外参数矩阵，将双目模块组数较大的坐标点转换到双目模块中组数较小的双目模块中。

其中，所述步骤S4具体包括：

确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，在所处的双目模块中手动设置待测燃料组件在左图中的测量点坐标值；

对所处双目模块右图的相应区域进行Harris进行角点提取和灰度互相关运算，获得灰度互相关值；

根据灰度互相关值获得测量点在右图中对应的坐标值；

根据视差原理，将左图测量点坐标值和获得的右图中对应的坐标值进行计算，获得待测燃料组件在其所处的双目模块中的每一双目模块的三维坐标值。

本发明实施例的有益效果在于：首先对各摄像机进行内参数标定，然后将相邻摄像机组成双目模块，并对双目模块进行内外参数标定，根据双目模块的外参数矩阵建立测量模型，获取待测量燃料组件的测量点的三维坐标，并将获取的三维坐标代入测量模型中，从而获得待测燃料组件的测量量。该方法具有操作简便、效率高、测量精度高的优点，同时可实现燃料组件的全局和局部参数的高精度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种用于燃料组件的双目视觉测量方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的一种用于燃料组件的双目视觉测量方法的摄像机的放置示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

以下参照图1进行说明，本发明实施例一提供一种用于燃料组件的双目视觉测量方法，该方法包括如下步骤：

S1、对设置于水下用于测量燃料组件的所有摄像机进行内参数标定。

具体地，如图2所示，所有水下摄像机依次线性排列，对于任一摄像机，其感光器件采用2448*2048分辨率的CMOS图像传感器，靶面尺寸2/3″，像元尺寸3.45μm×3.45μm；镜头焦距：25mm，镜头光圈：F2.8，视场角：19°58′×15°02′；相机间光轴距离240mm；相机工作物距约1200mm；所有相机工作于外触发模式，保证数据采集的同步性。

对每一摄像机采用如下方式进行内参数标定：将每一摄像机的视场等分为多个第一设定尺寸的重叠区域，将第二设定尺寸的二维标定板分别置于待标定的水下摄像机视场内，依次平移标定板至所有区域，再在部分区域内转动标定板，使其呈现不同的姿态，共计采集第一设定数量的图像，对每一图像分别提取标志点，代入公式(1)：

其中，(x,y)为无畸变的理想图像的归一化坐标，(x_k,y_k)为有畸变的采集图像的归一化坐标，(k₁,k₂)为畸变系数。

对任一图像，可以获得一组(k₁,k₂)值，对任一摄像机可以获得多个畸变系数对，对多个畸变系数对进行最优运算获得该摄像机的最优畸变系数(k'₁,k'₂)，从而实现对各摄像机的内参数标定。

其中，第一设定尺寸可以设定为3mm×3mm，第二设定尺寸可以设定为100mm×100mm，第一设定数量可以是15。

S2、将相邻的两台摄像机组成双目模块，并对所有双目模块进行内外参数标定。

对于任意设定数量的水下摄像机，将相邻两台摄像机组成一双目模块，对于任意一双目模块，将二维标定板分别置于拟标定的双目模块的重叠视场内，依次平移和旋转标定板，使其遍历整个重叠视场，可以获得该双目模块的设定数量对的图像，针对每一副图像，分别提取标志点后，以左相机光心为原点，则内参数α_x、α_γ、u₀和v₀，外参数R、T与标定板内特征坐标的关系如公式(2)：

其中，α_x、α_y、u₀和v₀为双目模块的内参数，R和T为双目模块的外参数，X_w、Y_w、Z_w分别为标志点在X、Y、Z轴的坐标值，u、v表示标志点在像素坐标系下的坐标值，Z_c为标志点在像机坐标系下的Z轴坐标值。每一组合模块的外参数R和T可以形成外参数矩阵。

举例说明，假设有16台摄像机进行相邻相机配对，一共获得15组双目模块，其包括8组组合双目模块和7组转换双目模块，其中标记为1和标记为2的摄像机组成第一组合双目模块，标记为3和标记为4的摄像机组成第二组合双目模块，依次类推，则标记为15和标记为16的摄像机组成第八组合双目模块，其中标记为2的摄像机和标记为3的摄像机组成第一转换双目模块，标记为4的摄像机和标记为5的摄像机组成第二转换双目模块，依次类推，标记为14的摄像机和标记为15的摄像机组成第七转换双目模块。对每一双目模块进行图像采集，可以采集15对图像，对每一副图像提取标志点，将其代入公式(2)中，从而可以计算获得双目模块对应的内参数和外参数。

S3、根据各双目模块的外参数形成的外参数矩阵建立系统整体测量模型。

其中，所述步骤S3具体包括：

S31、获取待测量的燃料组件测量点所处的双目模块以及在对应的双目模块中的三维坐标值；

S32、将所述待测量的燃料组件的三维坐标值转换到同一双目模块中，获得同一双目模块的两个三维坐标点；

S33、计算所述两个三维坐标点之间的欧式距离，获得所述待测燃料组件的长度。

更具体地，所述步骤S31具体包括：获取待测量的燃料组件测量点所处的两组双目模块以及在每一组双目模块中的对应的三维坐标值；

所述步骤S32具体包括：将双目模块组数较大的坐标点的坐标矩阵乘以待测燃料组件所处的两组双目模块之间的外参数矩阵，将双目模块组数较大的坐标点转换到双目模块中组数较小的双目模块中。

以测量待测燃料组件的长度为例进行说明，假设待测燃料组件的上端处于第一组合双目模块，待测燃料组件的下端处于第八组合双目模块，假设待测燃料组件在第一组合双目模块中的坐标为(X₁、Y₁、Z₁)，在第八组合双目模块的坐标为(X₈、Y₈、Z₈)，第一组合双目模块的外参数矩阵为第二组合双目模块的外参数矩阵为第三组合双目模块的外参数矩阵为第四组合双目模块的外参数矩阵为第五组合双目模块的外参数矩阵为第六组合双目模块的外参数矩阵为第七组合双目模块的外参数矩阵为第八组合双目模块的外参数矩阵为第一转换双目模块的外参数矩阵为第二转换双目模块的外参数矩阵为第三转换双目模块的外参数矩阵为第四转换双目模块的外参数矩阵为第五转换双目模块的外参数矩阵为第六转换双目模块的外参数矩阵为第七转换双目模块的外参数矩阵为

则将第八组合双目模块的坐标转换为第一组合双目模块中的坐标值(X'₁、Y'₁、Z'₁)为：

在获得了(X'₁、Y'₁、Z'₁)的值之后，计算点(X₁、Y₁、Z₁)和点(X'₁、Y'₁、Z'₁)之间的欧氏距离d：

该欧氏距离即为待测燃料组件的长度。

S4、确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，并获取待测燃料组件测量点在所述双目模块中的三维坐标值，将所述三维坐标值代入所述系统整体测量模型中，计算获得待测燃料组件的测量量。

快速、精确的获取双目视场内的匹配点对有助于提升测量精度，对于待测目标，首先手动设置其在双目模块中的左图测量点p₁(u,v)，然后，对右图的相应区域进行Harris角点提取和灰度互相关运算，可得对应右图的点p_r(u,v)，灰度互相关的计算公式为:

其中，NCC(p,d)为灰度互相关值，x₁(p)为左图p坐标的像素点，为左图p坐标的邻域像素均值，x_r(p,d)为右图p+d坐标的像素点，为右图p+d坐标的邻域像素均值。

通过上式可以计算获得右图测量点p_r(u,v)，为了提高运算效率，角点和互相关运算的有效区域设置在400像素以内。最后，通过视差原理，将获得的测量点坐标p₁(u,v)、p_r(u,v)进行计算，获得测量点在该双目模块中的三维坐标值，代入系统测量模型中，从而获得相应的测量量。

本发明实施例的用于燃料组件的双目视觉测量方法，首先对各摄像机进行内参数标定，然后将相邻摄像机组成双目模块，并对双目模块进行内外参数标定，根据双目模块的外参数矩阵建立测量模型，获取待测量燃料组件的测量点的三维坐标，并将获取的三维坐标代入测量模型中，从而获得待测燃料组件的测量量。该方法具有操作简便、效率高、测量精度高的优点，同时可实现燃料组件的全局和局部参数的高精度测量。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种用于燃料组件的双目视觉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对设置于水下用于测量燃料组件的所有摄像机进行内参数标定；

S2、将相邻的两台摄像机组成双目模块，并对所有双目模块进行内外参数标定；

S3、根据双目模块的外参数形成的外参数矩阵建立系统整体测量模型；

S4、确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，并获取待测燃料组件测量点在所述双目模块中的三维坐标值，将所述三维坐标值代入所述系统整体测量模型中，计算获得待测燃料组件的测量量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将待标定的每一水下摄像机视场等分为多个第一设定尺寸的重叠区域，将第二设定尺寸的二维标定板设置于待标定的水下摄像机视场内，依次平移标定板至待标定水下摄像机的所有视场区域，并转动标定板，使标定板呈现不同的姿态，采集第一设定数量的图像；

对每一图像提取标志点，并将标志点坐标代入下式计算获得多个二阶径向畸变系数(k₁,k₂)

对所述多个二阶径向畸变系数进行最优运算获得每一水下摄像机的最优二阶径向畸变系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

将相邻两台相机组成双目模块，将所述二维标定板分别置于各待标定双目模块的重叠视场内，依次平移和旋转所述二维标定板，使其遍历整个重叠视场，获得所述待标定双目模块的第二设定数量的图像对；

对每一待标定的双目模块的每一图像对中的每一图像提取标志点，并将标志点坐标代入下式中进行计算获得每一双目模块的内参数和外参数；

其中，α_x、α_y、u₀和v₀为双目模块的内参数，R和T为双目模块的外参数，X_w、Y_w、Z_w分别为标志点在X、Y、Z轴的坐标值，u、v表示标志点在像素坐标系下的坐标值，Z_c为标志点在像机坐标系下的Z轴坐标值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、获取待测量的燃料组件测量点所处的双目模块以及在对应的双目模块中的三维坐标值；

S32、将所述待测量的燃料组件测量点的三维坐标值转换到同一双目模块中，获得同一双目模块的两个三维坐标点；

S33、计算所述两个三维坐标点之间的欧式距离，获得所述待测燃料组件的长度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括：

获取待测量的燃料组件测量点所处的两组双目模块以及在每一组双目模块中的对应的三维坐标值；

所述步骤S32具体包括：

将双目模块组数较大的测量点的坐标矩阵乘以待测燃料组件所处的两组双目模块之间的外参数矩阵，将双目模块组数较大的坐标点转换到双目模块中组数较小的双目模块中。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

确定所述待测燃料组件测量点所处的双目模块，在所处的双目模块中手动设置待测燃料组件在左图中的测量点坐标值；

对所处双目模块右图的相应区域进行Harris进行角点提取和灰度互相关运算，获得灰度互相关值；

根据灰度互相关值获得测量点在右图中对应的坐标值；

根据视差原理，将左图测量点坐标值和获得的右图中对应的坐标值进行计算，获得待测燃料组件在其所处的双目模块中的每一双目模块的三维坐标值。