CN111912606B - 一种基于光学折射的相机物距标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学折射的相机物距标定方法，基于一台数字相机、一个成像镜头、厚度与折射率均已知的透明平板、承载数字相机的三脚架及计算机数据处理装置，在待测目标表面喷制随机分布的散斑；将透明平板放置于数字相机镜头正前方，在放置透明平板的前、后时刻分别采集一幅待测目标的散斑图像得到参考散斑图像和目标图像；计算机数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，在采集到的参考散斑图像中选择感兴趣区域并与目标图像进行计算，获取位移场信息并进行处理得到应变场信息，对应变场信息取平均值，再根据折射模型计算得到相机物距。本发明可在任意时刻进行相机物距标定，且与待测目标不发生接触，计算精度高。

Description

一种基于光学折射的相机物距标定方法
技术领域
本发明涉及一种基于光学折射的相机物距标定方法，属于光学测量及无损检测技术领域。
背景技术
当前，光学变形测试方法在科研与工程领域中得到了越来越广泛的应用。光学测试方法利用相机对被测物体表面进行拍摄，然后依据数字图像技术对获得的图像进行分析与处理，便可得到反映物体表变形的信息。单个相机具有测试硬件简单等优点颇受青睐，但也存在着一个严重问题：根据针孔相机模型，单相机变形测试受物体离面位移影响严重。为了消除离面位移影响，通常需要得到离面位移的大小，并进行补偿，根据已有分析，必须已知相机物距的准确值。
对于相机物距的标定，有两种常用方法：一是采用已知厚度的标定板，放置在相机正前方，根据成熟的相机标定方法来得到；二是利用平移台进行标定，即平移物体，利用针孔模型进行求解。然而，这两种方法在标定时都需要直接接触物体，这对于有些无法发生接触的场合显然不适合。
发明内容
为了解决现有相机物距标定方法存在的问题，本发明旨在提供一种基于光学折射的相机物距标定方法，利用透明平板光学折射现象与数字图像相关技术相结合的相机物距标定方法。使用该方法进行标定，无需与物体发生直接接触，只需在镜头前放置一块厚度与折射率已知的透明平板，并采集平板放置前、后的共两幅图像，再根据数字图像相关技术和折射模型计算得到精确的相机物距，即可实现相机物距的原位标定。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于光学折射的相机物距标定方法，该方法基于一台数字相机、一个成像镜头、厚度与折射率均已知的透明平板、承载数字相机的三脚架及计算机数据处理装置，具体包括以下步骤：
在待测目标表面喷制随机分布的散斑；
将数字相机与成像镜头相连后，固定放置于三脚架上并进行调节，使得光轴与待测目标表面垂直；
将透明平板放置于数字相机镜头正前方，在放置透明平板的前、后时刻分别采集一幅待测目标的散斑图像得到参考散斑图像和目标图像；
计算机数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块在采集到的参考散斑图像中选择感兴趣区域并与目标图像进行计算，获取感兴趣区域内的位移场信息；后处理模块对感兴趣区域内的位移场信息进行处理得到应变场信息，并对应变场信息取平均值，再根据折射模型计算得到相机物距。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述透明平板为玻璃平板。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述玻璃平板的折射率n＝1.5168。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述后处理模块采用的折射模型为：
Figure BDA0002576804330000021
Figure BDA0002576804330000022
Figure BDA0002576804330000023
其中，
Figure BDA0002576804330000024
分别为0阶、1阶、2阶折射模型；Y为待测目标上目标点的坐标，ΔY为待测目标上目标点的坐标移动量；d为透明平板厚度，n为折射率，Ymax为计算区域的边缘点到图像中心的物理距离，Z为待标定的相机物距。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
(1)易于实现：与现有标定方法相比，无需使用到平移台或标定板，只需一块厚度和折射率已知的透明平板；
(2)非接触、原位标定：可以在实验过程中任意时刻进行相机物距标定，且与待测目标不发生接触，即非接触标定，不会对测试目标产生影响；
(3)标定精度高：采用全场应变平均值作为应变量，代入至模型进行物距计算，计算精度高。
附图说明
图1为本发明方法涉及的相机物距标定原理示意图。
图2为本发明方法中详细的标定步骤示意图。
图3为本发明方法中透明平板折射成像示意图。
其中，标号解释：1-待测目标，2-散斑，3-数字相机，4-成像镜头，5-三脚架，6-透明平板，7-计算机数据处理装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于光学折射的相机物距标定方法，为利用透明平板光学折射现象与数字图像相关技术相结合的相机物距标定方法，该方法基于一台数字相机3、一个成像镜头4、厚度与折射率均已知的透明平板6、承载数字相机的三脚架5及计算机数据处理装置7，具体包括以下步骤：
首先，待测目标1是指表面基本为一个平面的物体，可为金属，也可是塑料制品，用来作待测目标，在其待测目标1表面喷制随机分布的散斑2，为后续的数字图像处理提供可靠的信息载体；
将数字相机3与成像镜头4相连，固定放置于承载数字相机的三脚架5上，保证能够稳固地承载数字相机3，然后进行调节，使得光轴与上述待测目标1表面垂直，并调至清晰成像；
所述透明平板6是指厚度与折射率均已知的透明平整板，本实施例透明平板6以玻璃平板为例，如优选光学玻璃折射率n＝1.5168。相机物距的标定结果与玻璃平板具体放置位置无关，只要能保证玻璃平板垂直或近似垂直于相机光轴。将透明平板6放置于数字相机3镜头正前方，放置于镜头与待测目标中间任意位置即可，控制数字相机3在放置透明平板6的前、后时刻，分别采集一幅待测目标的散斑图像得到参考散斑图像和目标图像；
计算机数据处理装7包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块在采集到的参考散斑图像中选择感兴趣区域并与目标图像进行计算，获取感兴趣区域内的位移场信息；后处理模块首先对感兴趣区域内的位移场信息进行处理得到应变场信息，并对应变场信息取平均值，再根据折射模型即下面公式(1)至(3)计算得到相机物距。
如图3所示，为本发明方法中放置玻璃平板前后，待测目标上的点在数字相机3的像面上所成像的变化关系，假设A点坐标Y，当放置玻璃平板后，C点由于折射，相当于移动到了A点，移动量为ΔY，即放置玻璃前后C点坐标由Y-ΔY，移动了ΔY，ΔY可以根据数字图像相关计算算得。当Y远小于Z时，根据分析可得水平或者竖直应变场的平均值具有如下关系：
Figure BDA0002576804330000041
Figure BDA0002576804330000042
Figure BDA0002576804330000043
式(1)至(3)分别称为0阶、1阶、2阶折射模型，Y为待测目标上目标点A的坐标，ΔY为待测目标上目标点C的坐标移动量；d为玻璃平板厚度，n为折射率，Ymax为计算区域的边缘点到图像中心的物理距离，Z为待标定的相机物距。应变场平均值
Figure BDA0002576804330000044
可由位移场求导得到，为同一个值，当取不同的折射模型，可得到不同精度的相机物距。
为了验证本发明方法能够利用一块厚度和折射率已知的透明平板，进行物距计算，可以使得计算精度高，现列举下述验证例进行说明。
验证例1：
本验证例中，取
Figure BDA0002576804330000045
d＝10mm，n＝1.5168，Ymax＝44mm，利用式(1)至(3)的三个折射模型，分别得到相机物距为723.0437、723.5303、723.5298mm，与采用平移待测目标得到的标定值722.345mm非常吻合，相对误差仅0.164％，具有较高的标定精度。
本发明的方法使用透明平板的光学折射现象与数字图像相关技术相结合来标定相机物距，与传统的平移方法相比，不需要对待测目标或相机进行平移，无需与待测物体发生接触，具有非接触、原位测量的巨大优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光学折射的相机物距标定方法，其特征在于，该方法基于一台数字相机、一个成像镜头、厚度与折射率均已知的透明平板、承载数字相机的三脚架及计算机数据处理装置，具体包括以下步骤：
在待测目标表面喷制随机分布的散斑；
将数字相机与成像镜头相连后，固定放置于三脚架上并进行调节，使得光轴与待测目标表面垂直；
将透明平板放置于数字相机镜头正前方，在放置透明平板的前、后时刻分别采集一幅待测目标的散斑图像得到参考散斑图像和目标图像；
计算机数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块在采集到的参考散斑图像中选择感兴趣区域并与目标图像进行计算，获取感兴趣区域内的位移场信息；后处理模块对感兴趣区域内的位移场信息进行处理得到应变场信息，并对应变场信息取平均值，再根据折射模型计算得到相机物距，其中所述后处理模块采用的折射模型为：
Figure FDA0003542550080000011
Figure FDA0003542550080000012
Figure FDA0003542550080000013
其中，
Figure FDA0003542550080000014
分别为0阶、1阶、2阶折射模型；Y为待测目标上目标点的坐标，ΔY为待测目标上目标点的坐标移动量；d为透明平板厚度，n为折射率，Ymax为计算区域的边缘点到图像中心的物理距离，Z为待标定的相机物距。
2.根据权利要求1所述基于光学折射的相机物距标定方法，其特征在于：所述透明平板为玻璃平板。
3.根据权利要求2所述基于光学折射的相机物距标定方法，其特征在于：所述玻璃平板的折射率n＝1.5168。
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