CN110645917A - 基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法 - Google Patents

基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像相关测量方法，该方法包括如下步骤：(1)加工并进行N×N(N≧2)二维相机阵列的安装，完成对于左右两组二维相机阵列的布置方案；(2)在被测试样表面制备随机散斑图案；(3)搭建测量系统，组成三维相机阵列；(4)使用编码标定板对三维相机阵列中的相机参数进行标定；(5)通过同步采集装置使得三维相机阵列中相机同时采集试样表面图像，并获取所述试样表面图像的位置信息载体；(6)对三维相机阵列采集的试样表面图像的位置信息载体进行阵列相机图像之间的时序匹配和立体匹配；(7)实现位移场数据的校正和融合拼接，并在此基础上求解获取应变计算。本发明的方法具有高空间分辨率、操作简便的特点。

Description

基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法
技术领域
本发明涉及非接触三维变形测量领域，具体涉及一种基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法。
背景技术
三维数字图像相关法是一种非接触式的光学全场测量方法。它结合了数字图像相关法和计算机视觉原理，可以准确测量物体表面的三维形貌和变形。相比于光测力学中其他几种基于干涉原理的测量方法，它具有诸多优势，如设备简单、无需隔震、量程大、测量范围可控等。目前，三维数字图像相关技术被广泛应用于科学与工程领域。
对于三维数字图像相关方法，其测量分辨率主要受成像分辨率的制约。若要提高成像分辨率，最直接的方法就是减小像素大小或增大芯片尺寸。然而，随着像素尺寸减小，可用的进光量也会减少，并且图像噪声会增大，严重影响测量结果。同时，更大的芯片尺寸会使图像传输帧频会慢，导致测量时间分辨率的降低。高成本的图像传感器和光学器件也是需要考虑的一个问题。想要直接从相机硬件的角度来提高成像分辨率并不容易。三维相机阵列的提出，将会大大提高三维数字图像相关方法变形测量的空间分辨率，并进一步拓宽相机阵列测量技术的应用范围。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像相关测量方法，大幅度提高三维数字图像相关测量的空间分辨率，具有高空间分辨率、操作简便的特点，无论是在大视场还是高精度应用场景都有很好的应用前景。
上述的目的通过以下技术方案实现：
一种基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像相关测量方法，包括以下步骤：
(1)加工并进行两组N×N(N≧2)二维相机阵列的安装，两组二维相机阵列组成三维相机阵列，完成对于左右两组二维相机阵列的布置方案，使得测量过程中被测区域能持续成像于两组二维相机阵列视场中；
(2)搭建由两组二维相机阵列、照明装置组成的三维相机阵列数字图像相关测量系统；
(3)在被测试样表面制备随机散斑图案，将制备的散斑编码图案用作位置信息载体；
(4)使用编码标定板对三维相机阵列中相机的内参和外参进行标定。其中，内参标定参数包括：主点位置(u0,v0)，镜头焦距f，像元尺寸(Sx,Sy)以及镜头畸变参数矩阵Di，其中主点位置为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标，所述镜头畸变参数矩阵一般包括6阶径向畸变参数K1、K2、K3、K4、K5、K6和2阶切向畸变数P1、P2。其中，外参标定参数包括：两组二维相机阵列内相机与相机的相对外参和两组二维相机阵列间相机与相机的相机外参，每一个相机外参都包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz
(5)调整三维相机阵列观测位置及观测角度，保证被测区域完整的成像于三维相机阵列之中，通过同步采集装置使得三维相机阵列中相机同时采集试样表面图像，并获取所述试样表面图像的位置信息载体；
(6)基于数字图像相关技术，对步骤(5)中两组相机阵列采集的试样表面图像的位置信息载体进行阵列相机图像之间的时序匹配和立体匹配；
(7)根据步骤(4)计算得到的相机内部参数和阵列间相机外部参数以及步骤(6)中的匹配结果，对阵列图像中的计算点进行三维重构得到点云数据，进行变形前后的点云数据的运算，进而得到三维位移场数据；
(8)根据步骤(4)计算得到阵列内相机外部参数，以及步骤(7)中三维重构得到的点云数据，实现位移场数据的校正和融合拼接，并在此基础上求解获取全场应变。
进一步的，本发明方法中，步骤(1)中所述两组三维相机阵列的布置过程中，对于工作距离为Z的阵列，当物体发生离面位移ΔZ时，根据成像的几何关系可以得到如下关系式：
Figure BDA0002212715430000021
其中x,y为图像坐标，Δx＝ImageSize-OverlapSize，ImageSize为图像的横向尺寸，OverlapSize为重叠区域的横向尺寸，而0和1的下标分别代表阵列中两个相邻的相机，为保证数据连续性应有
Figure BDA0002212715430000022
小于初始的OverlapSize，即根据预估的最大离面位移设置初始的重叠区域。
进一步的，本发明方法中，步骤(4)中所述使用编码标定板进行标定过程中，标记点编码和数字散斑编码均可用于标定。三维相机阵列中相机的内参可以直接使用平面标定法进行标定。三维相机阵列中相机的外参则需要先标定相机坐标系与标定板世界坐标系的关系，再根据坐标系变换来求解阵列内的相机外参和阵列间的相机外参：
将世界坐标系建立在编码标定板上，对于每台相机的相机坐标系与世界坐标系之间存在一个外参关系，包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz，将其中的旋转向量通过Rodrigues变换可得旋转矩阵
Figure BDA0002212715430000031
根据其中一个相机坐标系C1与世界坐标系W之间的外参关系以及另一个相机坐标系C2与世界坐标系W之间的外参关系，就可以求得三维相机阵列中两台相机坐标系C1与C2的外参关系：
Figure BDA0002212715430000032
进一步的，本发明方法中，步骤(6)中所述的时序匹配和立体匹配过程中，基于二维数字图像相关技术，根据极线和变形约束的匹配原则对左右图像中划分的子区进行数字图像相关匹配，数字图像相关匹配中的匹配算法选用反向组合高斯牛顿算法，数字图像相关时序匹配的形函数选用一阶形函数，数字图像相关立体匹配的形函数选用二阶形函数，并采用并行计算的方法来计算。
进一步的，本发明方法中，步骤(8)中所述应变计算的过程是：首先要对局部点云数据进行平面拟合，并根据拟合平面的法线方向和横轴在该平面的投影方向确定局部三维坐标系，得到局部三维坐标系后，将局部位移场数据变换到局部三维坐标系下并根据几何关系求解局部应变。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
传统的三维数字图像相关在现有的精度基础上想要再得到大幅度的提高，无论是依赖于算法还是硬件的进步，目前都难以实现。本发明与传统三维数字图像相关方法相比，采用左右三维相机阵列的组合方式，有效提高了三维数字图像相关测量的空间分辨率；利用数字编码图案完成相机内、外参高精度的同时标定，解决了标定繁琐和非重叠相机间的外参标定问题；同时，使用基于极线和变形约束的三维阵列并行匹配策略，极大提高相机图片间匹配速度，得以实现材料和结构的高效、高精度的非接触式三维全场变形测量。
附图说明
图1为发明方法流程图。
图2为3×3三维相机阵列布置示意图。
图3为数字编码图案示意图：(a)标记点编码(b)数字散斑编码。
具体实施方式
下面结合3×3阵列实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明的用于高精度三维变形测量的阵列式高分辨率三维数字图像相关方法，包括以下步骤：
1)完成两组3×3二维相机阵列的加工和安装，同时制定考虑试样离面变形的相机阵列布置方法，这样除保证初始状态的数据连续性外，还能保证测量过程中的状态连续性，不会出现相机间重叠区域过小甚至不重叠的情况。
对于工作距离为Z的阵列，当物体发生离面位移ΔZ时，根据成像的几何关系可以得到如下关系式：
Figure BDA0002212715430000041
其中x,y为图像坐标，Δx＝ImageSize-OverlapSize，ImageSize为图像的横向尺寸，OverlapSize为重叠区域的横向尺寸，而0和1的下标分别代表阵列中两个相邻的相机。为保证数据连续性应有
Figure BDA0002212715430000042
小于初始的OverlapSize，即根据预估的最大离面位移设置初始的重叠区域，避免出现因为较大离面位移导致相机重叠区域过小甚至不重叠的情况。
2)在实验现场根据测量视场及工作距离的要求搭建由两组二维相机阵列、照明装置以及待测部分组成的三维相机阵列数字图像相关测量系统，如图2所示。
3)在被测试样表面制备随机散斑图案，将制备的散斑图案用作位置信息载体。
4)使用图3所示的编码标定板完成各相机的内部参数和相机之间的相对外部参数的标定。其中，内参标定参数包括：主点位置(u0,v0)，镜头焦距f，像元尺寸(Sx,Sy)以及镜头畸变参数矩阵Di，其中主点位置为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标，所述镜头畸变参数矩阵一般包括6阶径向畸变参数K1、K2、K3、K4、K5、K6和2阶切向畸变数P1、P2。其中，外参标定参数包括：阵列内相机与相机的相对外参和阵列间相机与相机的相机外参，每一个相机外参都包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz。三维相机阵列中相机的内参可以直接使用平面标定法进行标定。三维相机阵列中相机的外参则需要先标定相机坐标系与标定板世界坐标系的关系，再根据坐标系变换来求解阵列内的相机外参和阵列间的相机外参：
将世界坐标系建立在编码标定板上，对于每台相机的相机坐标系与世界坐标系之间存在一个外参关系，包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz，将其中的旋转向量通过Rodrigues变换可得旋转矩阵
根据其中一个相机坐标系C1与世界坐标系W之间的外参关系以及另一个相机坐标系C2与世界坐标系W之间的外参关系，就可以求得三维相机阵列中两台相机坐标系C1与C2的外参关系：
Figure BDA0002212715430000052
5)调整三维相机阵列观测位置及观测角度，保证被测区域完整的成像于三维相机阵列之中，将相机设置成硬同步模式，通过信号触发器发射同步信号使得左右两组阵列相机能够同时采集试样图像；
6)对步骤(5)中采集的图像划分子区，子区的形状采用多边形。基于二维数字图像相关技术，对左右图像中划分的子区进行数字图像相关匹配，根据极线和变形约束的匹配原则，采用并行计算的方法来提高计算效率，完成十八台相机图像与图像之间的时序匹配和立体匹配，将右阵列图像匹配对应到左阵列图像上。数字图像相关匹配中的匹配算法选用反向组合高斯牛顿算法，数字图像相关时序匹配的形函数选用一阶形函数，数字图像相关立体匹配的形函数选用二阶形函数；
7)根据步骤(4)中计算得到的相机内部参数和阵列间相机外部参数，对步骤(6)中匹配进行三维重构得到的左阵列相机图像对应的三维点云数据，进行变形前后的点云数据的运算，进而得到三维位移场数据。
8)对于阵列内不同相机图像匹配重构得到的点云数据，首先根据步骤(4)中标定的相机外参将他们变换到同一坐标系下；之后，根据点云数据的空间连续性实现高精度校正和拼接融合，得到拼接融合映射关系；在拼接融合映射关系的基础上，实现位移场数据的高精度拼接融合；最后，根据三维形貌数据和位移场数据实现局部表面的高精度应变计算。
计算应变时，首先要对局部点云数据进行平面拟合，并根据拟合平面的法线方向和横轴在该平面的投影方向确定局部三维坐标系。得到局部三维坐标系后，将局部位移场数据变换到局部三维坐标系下并根据几何关系求解全场应变。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像相关测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)加工并进行两组N×N(N≧2)二维相机阵列的安装，两组二维相机阵列组成三维相机阵列，完成对于左右两组二维相机阵列的布置方案，使得测量过程中被测区域能持续成像于两组二维相机阵列视场中；
(2)搭建由两组二维相机阵列、照明装置组成的三维相机阵列数字图像相关测量系统；
(3)在被测试样表面制备随机散斑图案，将制备的散斑编码图案用作位置信息载体；
(4)使用编码标定板对三维相机阵列中相机的内参和外参进行标定，其中，内参标定参数包括：主点位置(u0,v0)，镜头焦距f，像元尺寸(Sx,Sy)以及镜头畸变参数矩阵Di，其中主点位置为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标，所述镜头畸变参数矩阵包括6阶径向畸变参数K1、K2、K3、K4、K5、K6和2阶切向畸变数P1、P2；外参标定参数包括：两组二维相机阵列内相机与相机的相对外参和两组二维相机阵列间相机与相机的相对外参，每一个相机外参都包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz；
(5)调整三维相机阵列观测位置及观测角度，保证被测区域完整的成像于三维相机阵列之中，通过同步采集装置使得三维相机阵列中相机同时采集试样表面图像，并获取所述试样表面图像的位置信息载体；
(6)基于数字图像相关技术，对步骤(5)中三维相机阵列采集的试样表面图像的位置信息载体进行阵列相机图像之间的时序匹配和立体匹配；
(7)根据步骤(4)计算得到的相机内部参数和阵列间相机外部参数以及步骤(6)中的匹配结果，对阵列图像中的计算点进行三维重构得到点云数据，进行变形前后的点云数据的运算，进而得到三维位移场数据；
(8)根据步骤(4)计算得到阵列内相机外部参数，以及步骤(7)中三维重构得到的点云数据，实现位移场数据的校正和融合拼接，并在此基础上求解获取全场应变。
2.根据权利要求1所述的基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述两组二维相机阵列的布置过程中，对于工作距离为Z的阵列中的两台相机，当物体发生离面位移ΔZ时，根据成像的几何关系可以得到如下关系式：
Figure FDA0002212715420000011
其中x,y为图像坐标，Δx＝ImageSize-OverlapSize，ImageSize为图像的横向尺寸，OverlapSize为重叠区域的横向尺寸，而0和1的下标分别代表阵列中两个相邻的相机，为保证数据连续性应有
Figure FDA0002212715420000021
小于初始的OverlapSize，即根据预估的最大离面位移设置初始的重叠区域。
3.根据权利要求1所述的基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法，其特征在于，步骤(4)中所述使用编码标定板进行标定过程中，标记点编码和数字散斑编码均可用于标定；三维相机阵列中相机的内参可以直接使用平面标定法进行标定；三维相机阵列中相机的外参则需要先标定相机坐标系与标定板世界坐标系的关系，再根据坐标系变换来求解阵列内的相机外参和阵列间的相机外参：
将世界坐标系建立在编码标定板上，对于每台相机的相机坐标系与世界坐标系之间存在一个外参关系，包含6个参数nx、ny、nz、tx、ty、tz，将其中的旋转向量通过Rodrigues变换可得旋转矩阵：
Figure FDA0002212715420000022
根据其中一个相机坐标系C1与世界坐标系W之间的外参关系以及另一个相机坐标系C2与世界坐标系W之间的外参关系，就可以求得三维相机阵列中两台相机坐标系C1与C2的外参关系：
Figure FDA0002212715420000023
4.根据权利要求1所述的基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法，其特征在于，步骤(6)中所述的时序匹配和立体匹配过程中，基于二维数字图像相关技术，根据极线和变形约束的匹配原则对左右图像中划分的子区进行数字图像相关匹配，数字图像相关匹配中的匹配算法选用反向组合高斯牛顿算法，数字图像相关时序匹配的形函数选用一阶形函数，数字图像相关立体匹配的形函数选用二阶形函数，并采用并行计算的方法来计算。
5.根据权利要求1所述的基于阵列式相机的高空间分辨率三维数字图像测量方法，其特征在于，步骤(8)中所述应变计算的过程是：首先要对局部点云数据进行平面拟合，并根据拟合平面的法线方向和横轴在该平面的投影方向确定局部三维坐标系，得到局部三维坐标系后，将局部位移场数据变换到局部三维坐标系下并根据几何关系求解局部应变。
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