CN114326857A - 低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置及方法，所述装置包括：机壳、安装于机壳内的相机及相机接口、在机壳的第一电机和第二电机上分别固定的第一加热电阻片和第二加热电阻片、在机壳的腔室内安装的散热风扇、温控模块、以及多个温度传感器，其中，温控模块与多个温度传感器连接，第一加热电阻片的一端通过相机主板供电电源输出端与温控模块的一端连接，第一加热电阻片的另一端与所述相机接口的一端连接，第二加热电阻片的两端分别连接相机接口的另一端和温控模块的另一端，所述散热风扇与所述相机主板供电电源输出端连接。本发明可获得消除温度变化产生的图像变形误差后的真实图像。

Description

低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其是涉及一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置及方法。

背景技术

目前，本领域技术人员被动通过长时间等待相机自发热达到相机温度达到测量平衡状态或者通过建立物理模型及图像后处理技术进行校正。除了这种装置和方法以外，尚未有任何其它更加先进的装置和方法；也未知有任何其它直接相关的专利或论文。

如图1所示，在传统技术中，拍摄一个不发生变形和移动的标靶，同时记录温度数据，之后使用所述图像变形与温度关系的物理模型计算得到所述相机机壳和接口的热变形系数和观测参数。对于热变形系数，不同型号的相机或图像采集设备的机壳和接口的材质属性不同，故其热变形系数均有所有不同。所述相机的热变形系数并不能直接地获得，因此在采集之前，需采用DIC(Digital Image Correlation,数字图像相关)方法对所述热变形系数进行标定。

数字相机成像系统的温度变化会导致光测力学方法产生不可忽视的位移和应变测量误差。在室内、室外极端高、低温环境下进行测量工作时，相机机身、接口和镜头热变形引发的成像参数变化会导致图像发生变形。在该种测量环境下，相机自发热和环境耦合作用于相机，相机达到热平衡时的温度将显著不同。相机镜头受到环境温度的影响最为强烈，其变化规律与环境温度的变化规律具有一致性。相机机壳具有明显的自发热影响特征。接口温度存在受环境和自发热双重影响，其温度变化规律是两种因素角力的结果。因此如何保障测量相机机壳温度、接口温度、镜头温度组成的成像系统温度和图像变形之间的稳定成为一个重要的难题。如图2所示，可以看出在不同测量距离下相机温度由0℃变化至40℃引起图像发生的“虚变形”(最大为2.5个像素)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，包括：

机壳、安装于机壳内的相机及相机接口、在机壳的第一电机和第二电机上分别固定的第一加热电阻片和第二加热电阻片、在机壳的腔室内安装的散热风扇、温控模块、以及多个温度传感器，其中，温控模块与多个温度传感器连接，第一加热电阻片的一端通过相机主板供电电源输出端与温控模块的一端连接，第一加热电阻片的另一端与所述相机接口的一端连接，第二加热电阻片的两端分别连接相机接口的另一端和温控模块的另一端，所述散热风扇与所述相机主板供电电源输出端连接。

本发明提供一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法，用于上述低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，该方法具体包括：

通过温度传感器实时采集相机温度并传送至温控模块；

根据事先标定的温度变化与图像变形系数，控制第一加热电阻片、第二加热电阻片和相机接口进行发热，实现相机自身加热功能。

采用本发明实施例，解决室内、室外极端温度变化环境下进行测量工作时，相机机壳、接口和成像芯片热变形引发的成像参数变化会导致图像发生“虚变形”的问题，一方面能为数字图像测量相机在环境温度比较稳定时迅速实现自加热，达到热平衡状态，并以此状态为起点获取零“虚变形”图像。另一方面，能够满足在环境温度变化剧烈或因各种因素无法达到热平衡状态情况下，通过温度传感器与温控模块将温度变化将至最小，基于事先标定的温度变化与图像变形系数，图像采集时便最大程度消除热致图像变形引起的“虚变形”，即可获得消除温度变化产生的图像变形误差后的真实图像。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是现有技术中的进行图像校正的原理示意图；

图2是现有技术中的在不同测量距离下相机温度变化的示意图；

图3是本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置的示意图；

图4是本发明实施例的以相机为原点的坐标示意图；

图5是本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置的原理示意图；

图6是本发明实施例的测试用例的示意图一；

图7是本发明实施例的测试用例的示意图二；

图8是本发明实施例的测试用例的旋转角度DIC测量精度对比的示意图；

图9是本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，图3是本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置的示意图，如图3所示，根据本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置具体包括：

机壳1、安装于机壳1内的相机2及相机接口7、在机壳1的第一电机和第二电机上分别固定的第一加热电阻片5和第二加热电阻片6、在机壳1的腔室内安装的散热风扇4、温控模块8、以及多个温度传感器9，其中，温控模块8与多个温度传感器9连接，第一加热电阻片5的一端通过相机主板供电电源3输出端与温控模块8的一端连接，第一加热电阻片5的另一端与所述相机接口7的一端连接，第二加热电阻片6的两端分别连接相机接口7的另一端和温控模块8的另一端，所述散热风扇4与所述相机主板供电电源3输出端连接。

在本发明实施例中，所述相机接口7为电热玻璃。

其中，所述多个温度传感器9的个数为三个，分别设置于：相机机壳、相机接口和相机成像电路板，具体用于：实时采集相机机壳温度、相机接口温度和相机成像电路板温度并传送至温控模块。

散热风扇4具体用于：产生气流将电路板与成像芯片自发热量和环境温度快速地传递到整个腔室。

温控模块8具体用于：根据事先标定的温度变化与图像变形系数，控制第一加热电阻片5、第二加热电阻片6和相机接口7进行发热，实现相机自身加热功能。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

为了解决现有技术中的上述高精度测量问题，本发明实施例提供了一种新的数字图像处理误差的主动温度补偿解决方案。

如图4所示，加热补偿装置数学原理如下，在相机拍摄过程中，图像上设中心像素坐标为(u₀，v₀)，图像中每个像素点在坐标轴X,Y方向上的物理长度为d_x、d_y，则在两坐标系下图像像素点的关系为：

(x，y)为图像几何单位坐标，(u，v)为图像像素单位坐标。

在线性系统中，通过旋转矩阵[R]、平移向量[T]来表示相机坐标系和全局坐标系之间的转化，如下所示。

其中，(X_w Y_w Z_w 1)和(X_c Y_c Z_c 1)为空间任意一点P在世界坐标系和相机坐标系下的齐次坐标。

在空间中存在点P(X_w，_w，Z_w)其在相机空间坐标为(X_c，Y_c，Z_c)。将原点O_c和P连线与图像相交于点p，即为P点在图像上的投影位置，图像平面和光学中心的距离设为有效焦距f。根据数学方程有如下关系。

温度变化直接影响相机光学系统焦距因而改变相机的焦距f。变化后新的焦距为：

其中，f_T是温度变化后的焦距，

是相机T₀下的焦距，

是温度变化引起的焦距变化。

温度变化会引起相机承载结构，即云台与运转电机相对位置与指向，进而导致相机的位置和方位发生变化，因此温度变化直接影响相机外部参数，即旋转矩阵[R]和平移向量[T]的变化。

考虑以上两方面受温度影响的因素，温度变化后引起的透视投射矩阵M_T为如下：

可简化写成：

其中M_T是温度为T时的透射投影矩阵，ΔM是由于温度变化ΔT后引起的透射投影矩阵变化量。

当环境温度比较稳定时，自然状态下相机成像系统一般会在2小时左右达到热平衡状态；在主动温控调制下相机成像系统10分钟内快速达到热平衡状态。此时相机的温度基本不会再变化，温度引起的图像变形将趋向于一个常数。通过温度传感器监控图像采集过程温度变化，以热平衡状态作为起点进行测量，则温度导致的图像变形几乎为零。

若遇到不允许提前预热或者相机难以达到热平衡状态(比如环境比较恶劣的室外测量)，预热的方法失效。为了将相机不均衡温度变化降到最低，如图5所示，安装于相机机壳、相机接口和相机成像电路板三处温度传感器记录实时温度传输至温控模块。温控模块控制加热电阻片和加热玻璃实现相机自身加热功能，基于事先标定的温度变化与图像变形系数，通过散热风扇快速并最大化均衡温度。实验采集的图像即是硬件实现温度补偿后的图像，即可获得消除温度变化产生的图像误差后的真实图像。

如图3所示，本发明实施例是一种通过温度传感器、加热电阻片、加热玻璃和散热风扇和温控模块实现消除温度引起的数字相机图像“虚变形”误差的主动温度补偿装置。在机壳1内安装有相机2及其相机接口7。相机接口7为电热玻璃R_玻璃，相机透过电热玻璃进行图像拍摄，相机外壳1电机A、电机B上各固定有加热电阻片5和加热电阻片6。腔室内安装有散热风扇4，利用风扇的气流将电路板与成像芯片自发热量和环境温度快速地传递到整个腔室。温控模块8与加热电阻片5、加热电阻片6、加热玻璃7依次与相机主板供电电源输出端VCC 3连接，温度传感器9实时采集相机机壳1温度、相机接口7温度和电路板温度并传送至温控模块8，按照温控模块8内置程序控制温度加热装置。

如图6-8所示的测试用用例所示，本发明实施例基于相机自发热和环境温度变化对图像“伪位移”影响规律，通过数字相机温度补偿装置实现在环境温度十分稳定和难以控制的两种情况下达到硬件消除温度引起图像“虚变形”误差校正的目的，进而实现室外光测力学方法高精度快速测量。本发明实施例具有结构简单，成本低、高稳定性和实用性等特点。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法，用于上述装置实施例中的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，图9是本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法的流程图，如图9所示，根据本发明实施例的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法具体包括：

步骤901，通过温度传感器实时采集相机温度并传送至温控模块；具体包括：通过温度传感器实时采集相机机壳温度、相机接口温度和相机成像电路板温度并传送至温控模块。

步骤902，根据事先标定的温度变化与图像变形系数，控制第一加热电阻片、第二加热电阻片和相机接口进行发热，实现相机自身加热功能。

在本发明实施例中，通过散热风扇产生气流将电路板与成像芯片自发热量和环境温度快速地传递到整个腔室。

本发明实施例是与上述装置实施例对应的系统实施例，各个步骤的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在20世纪30年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，其特征在于，包括：机壳、安装于机壳内的相机及相机接口、在机壳的第一电机和第二电机上分别固定的第一加热电阻片和第二加热电阻片、在机壳的腔室内安装的散热风扇、温控模块、以及多个温度传感器，其中，温控模块与多个温度传感器连接，第一加热电阻片的一端通过相机主板供电电源输出端与温控模块的一端连接，第一加热电阻片的另一端与所述相机接口的一端连接，第二加热电阻片的两端分别连接相机接口的另一端和温控模块的另一端，所述散热风扇与所述相机主板供电电源输出端连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相机接口为电热玻璃。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述散热风扇具体用于：产生气流将电路板与成像芯片自发热量和环境温度快速地传递到整个腔室。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个温度传感器的个数为三个。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三个温度传感器分别设置于：相机机壳、相机接口和相机成像电路板。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述温度传感器具体用于：实时采集相机机壳温度、相机接口温度和相机成像电路板温度并传送至温控模块。

7.根据权利要求6所述的装置，所述温控模块具体用于：根据事先标定的温度变化与图像变形系数，控制第一加热电阻片、第二加热电阻片和相机接口进行发热，实现相机自身加热功能。

8.一种低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿方法，其特征在于，用于权利要求1至7中任一项所述的低温条件下数字图像处理误差主动温度补偿装置，所述方法具体包括：

通过温度传感器实时采集相机温度并传送至温控模块；

根据事先标定的温度变化与图像变形系数，控制第一加热电阻片、第二加热电阻片和相机接口进行发热，实现相机自身加热功能。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

通过散热风扇产生气流将电路板与成像芯片自发热量和环境温度快速地传递到整个腔室。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过温度传感器实时采集相机温度并传送至温控模块具体包括：

通过温度传感器实时采集相机机壳温度、相机接口温度和相机成像电路板温度并传送至温控模块。

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