一种高速相机校准系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高速相机校准系统及方法，所述高速相机校准系统包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置。该系统及方法采用高精度皮秒激光测距技术与相机参数标定算法相结合，确定相机焦距和畸变系数，优化畸变矩阵，形成精确的由相机图像到空间位置的三维还原算法，实现相机成像畸变的空间校准；采用测量基准时钟频率高于被测高速相机频率4‑5个数量级；采用采样率为25GHz的采集分析设备采集高速相机的曝光时间，测量得到高精度的曝光时间和失帧率，为校准高速相机获取的试验参数提供数据基础。

【技术实现步骤摘要】
一种高速相机校准系统及方法
本专利技术涉及摄影
，尤其涉及一种高速相机校准系统及方法。
技术介绍
高速摄影是爆轰物理、冲击波物理、加速器物理和等离子体试验等研究中重要的测试手段，高速相机采用光学成像的方式对试验过程进行实时拍摄跟踪，获得相应的参数。高速相机不仅可以记录高速运动过程，而且可以进行视觉测量，是目前唯一可以同时获取目标图像和高精度轨迹的爆破参数测量设备。目前，广泛应用于研究爆破过程试验的高速相机普遍面临着曝光时间不准确及失帧的问题。在时间上，曝光时间误差、失帧的存在会对爆破过程中碎片的速度、加速度及运行轨迹产生误判，对一次爆破和二次爆破之间的时间估计不准确；在空间上，高速相机所拍摄的图像如果存在畸变，则会导致碎片运动轨迹的误判，从而极大地影响对爆破威力的研究，已给武器性能评价及设计优化带来了困扰，影响了该类武器系统的研制进度。经分析，造成这种误差的主要原因是靶场缺乏对高速相机曝光时间不准、失帧以及目标成像畸变进行精确测量校准的技术手段，使得该类设备长期得不到有效的计量保障。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种高速相机校准系统及方法，解决高速相机曝光时间不准、失帧的测量，以及目标成像畸变校准问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种高速相机校准系统，包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置；所述标定板为四边形网格状平板；所述网格状平板上设有多个人工标定点；所述测距激光雷达产生高重频激光信号，测量所述人工标定点的位置坐标，将坐标信息传送到成像畸变校准装置，同时将产生高重频激光信号输出到曝光时间及失帧测量装置；所述高速相机工作在外触发模式，将拍摄的标定板图像数据传送到所述成像畸变校准装置，将相机的曝光结果发送到所述曝光时间及失帧测量装置；所述曝光时间及失帧测量装置触发所述高速相机进行拍摄，根据接收的所述曝光结果和所述高重频激光信号，测量高速相机的曝光时间和失帧率；所述成像畸变校准装置根据所述测距激光雷达测量的人工标定点的位置坐标和所述高速相机拍摄的图像数据，计算与相机成像畸变有关的相机参数；对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。进一步地，所述人工标定点均匀分布在标定板上，至少包括设置在标定板的中心点和四个角点上的5个人工标定点；所述网格状平板选用光学吸收较高的材料，所述人工标定点选用高反射率的材料；所述人工标定点的最小尺寸大于测距激光雷达的成像分辨率；所述标定板配置有起支撑作用的标定杆，所述标定杆的高度H＝hL/f，其中h为标定杆在相机视场上的成像长度，f为所述高速相机焦距，L为相机到标定杆的物距；所述标定杆上设置一系列均匀分布的刻度。进一步地，所述测距激光雷达为皮秒级激光脉冲雷达，包括激光发射器、激光接收器、计时电路和坐标解算单元；所述激光发射器发射脉宽为皮秒级、重复频率高于被测高速相机拍摄速率4-5个数量级的激光脉冲到所述标定板，依次照射标定板上的人工标定点；所述标定板为光学吸收较高的材料，吸收激光脉冲，所述人工标定点为高反射率的材料，反射激光脉冲；所述测距激光接收器接收人工标定点反射的激光脉冲；所述计时电路测量激光发射脉冲和接收脉冲的时间延时；所述坐标解算单元根据计时电路输出的时间延时解算人工标定点的位置坐标，作为高速相机成像畸变校准的位置基准坐标，解算高速相机成像畸变参数；所述计时电路采用抽头延时线进行时间数字转换，所述抽头延时线共包含多级延时线，通过延迟锁相环控制。进一步地，所述曝光时间及失帧测量装置包括TTL同步信号触发器、光电探测器和采集分析器；所述TTL同步信号触发器分别与所述高速相机、光电探测器相连，产生触发信号，使高速相机、光电探测设备同步触发；所述光电探测器在所述触发信号的控制下，将所述曝光结果调制到所述高重频激光信号上，并将调制信号输出到采集分析器；所述采集分析器采集处理所述光电探测器输出的调制信号，计算所述高速相机的曝光时间和失帧率。一种高速相机校准方法中的相机曝光时间及失帧测量方法，包括以下步骤：步骤S1、将包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置的高速相机校准系统设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；步骤S2、打开测距激光雷达，发射激光脉冲信号；步骤S3、TTL同步信号触发器产生一个与高速相机曝光时间相一致的触发信号触发光电探测设备工作；步骤S4、当该触发信号处于高电平时，高速相机曝光进行拍摄，输出曝光结果信号，同时，光电探测设备在TTL同步触发信号的控制下，将所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，并将调制后的信号发送至采集分析设备；步骤S5、采集分析设备对光电探测器发送的激光脉冲信号进行高速采样，测量得到曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。进一步地，曝光时间的测量：在每一个曝光周期内，采集分析设备采集到调制信号的高电平的时间宽度即为曝光时间；开始时刻为t为采样后信号上升沿幅度一半时的时刻；结束时刻t’为采样后信号下降沿幅度一半时的时刻，曝光时间为Δt＝t'-t；曝光周期的测量：上一个曝光周期曝光时间的开始时刻为t，下一个曝光周期曝光时间的开始时刻为T，曝光周期为ΔT＝T-t；曝光系数：统计失帧率：统计n个曝光周期，Δti为第i个曝光周期内的曝光时间，则n个曝光周期的失帧率所述是多次测量后Δti的算术平均值。一种高速相机校准方法中的高速相机成像畸变校准方法，包括以下步骤：步骤S1、将包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置的高速相机校准系统设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；步骤S2、对所述标定板上的人工标定点Di逐个进行测量，得到人工标定点Di的坐标(xwi，ywi，zwi)，i＝1,…,5；步骤S3、利用高速相机对标定板进行拍摄，在相机视场测得人工标定点Di的坐标(xi，yi，zi)i＝1,…,5，通过坐标转换使坐标点(xwi，ywi，zwi)与坐标点(xi，yi，zi)在同一坐标系下；步骤S4、根据测距激光雷达和相机视场测得人工标定点Di的坐标，计算出与相机成像畸变有关的相机内参数；步骤S5、根据步骤S4得到的参数，选取待校准图像上的像点(xw，yw，zw)，计算得到理想像点p的坐标(Xb，Yb)，实现图像的畸变校准。进一步地，步骤2包括以下子步骤：步骤S201、使用测距激光雷达测量任意两个人工标定点距离；首先控制测距激光雷达照射到人工标定点D1，测量测距激光雷达到D1点的距离，记为d1；然后转动激光扫描头，使得激光测距仪照射到人工标定点D2点，扫描过的角度为θ12，测量激光测距雷达到D2点的距离，记为d2；根据余弦定理，D1点和D2点之间的距离可以由式计算得到；依次步骤，测量得到任意两个标定点的距离为i,j＝1,…,5且i≠j；所述任一标定点Di点为坐标为(xwi，ywi，zwi)，i＝1,…,5，由于标定板为四边形网格状平板，所有人工标定点在一个平面上，任意两个标定点的距离为平面上的距离，使标定点的Z轴坐标zwi相等，则，任意两个标定点的距离i,j＝1,…,5且i≠j；步骤S202、确定标定板中心的人工标定点的D1坐标；所述标定板在设置时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速相机校准系统，其特征在于，包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置；所述标定板为四边形网格状平板；所述网格状平板上设有多个人工标定点；所述测距激光雷达产生高重频激光信号，测量所述人工标定点的位置坐标，将坐标信息传送到成像畸变校准装置，同时将产生高重频激光信号输出到曝光时间及失帧测量装置；所述高速相机工作在外触发模式，将拍摄的标定板图像数据传送到所述成像畸变校准装置，将相机的曝光结果发送到所述曝光时间及失帧测量装置；所述曝光时间及失帧测量装置触发所述高速相机进行拍摄，根据接收的所述曝光结果和所述高重频激光信号，测量高速相机的曝光时间和失帧率；所述成像畸变校准装置根据所述测距激光雷达测量的人工标定点的位置坐标和所述高速相机拍摄的图像数据，计算与相机成像畸变有关的相机参数；对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。

【技术特征摘要】
1.一种高速相机校准系统，其特征在于，包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置；所述标定板为四边形网格状平板；所述网格状平板上设有多个人工标定点；所述测距激光雷达产生高重频激光信号，测量所述人工标定点的位置坐标，将坐标信息传送到成像畸变校准装置，同时将产生高重频激光信号输出到曝光时间及失帧测量装置；所述高速相机工作在外触发模式，将拍摄的标定板图像数据传送到所述成像畸变校准装置，将相机的曝光结果发送到所述曝光时间及失帧测量装置；所述曝光时间及失帧测量装置触发所述高速相机进行拍摄，根据接收的所述曝光结果和所述高重频激光信号，测量高速相机的曝光时间和失帧率；所述成像畸变校准装置根据所述测距激光雷达测量的人工标定点的位置坐标和所述高速相机拍摄的图像数据，计算与相机成像畸变有关的相机参数；对高速相机拍摄的图像进行实时畸变校准。2.根据权利要求1所述的高速相机校准系统，其特征在于，所述人工标定点均匀分布在标定板上，至少包括设置在标定板的中心点和四个角点上的5个人工标定点；所述网格状平板选用光学吸收较高的材料，所述人工标定点选用高反射率的材料；所述人工标定点的最小尺寸大于测距激光雷达的成像分辨率；所述标定板配置有起支撑作用的标定杆，所述标定杆的高度H＝hL/f，其中h为标定杆在相机视场上的成像长度，f为所述高速相机焦距，L为相机到标定杆的物距；所述标定杆上设置一系列均匀分布的刻度。3.根据权利要求1所述的高速相机校准系统，其特征在于，所述测距激光雷达为皮秒级激光脉冲雷达，包括激光发射器、激光接收器、计时电路和坐标解算单元；所述激光发射器发射脉宽为皮秒级、重复频率高于被测高速相机拍摄速率4-5个数量级的激光脉冲到所述标定板，依次照射标定板上的人工标定点；所述标定板为光学吸收较高的材料，吸收激光脉冲，所述人工标定点为高反射率的材料，反射激光脉冲；所述测距激光接收器接收人工标定点反射的激光脉冲；所述计时电路测量激光发射脉冲和接收脉冲的时间延时；所述坐标解算单元根据计时电路输出的时间延时解算人工标定点的位置坐标，作为高速相机成像畸变校准的位置基准坐标，解算高速相机成像畸变参数；所述计时电路采用抽头延时线进行时间数字转换，所述抽头延时线共包含多级延时线，通过延迟锁相环控制。4.根据权利要求1所述的高速相机校准系统，其特征在于，所述曝光时间及失帧测量装置包括TTL同步信号触发器、光电探测器和采集分析器；所述TTL同步信号触发器分别与所述高速相机、光电探测器相连，产生触发信号，使高速相机、光电探测设备同步触发；所述光电探测器在所述触发信号的控制下，将所述曝光结果调制到所述高重频激光信号上，并将调制信号输出到采集分析器；所述采集分析器采集处理所述光电探测器输出的调制信号，计算所述高速相机的曝光时间和失帧率。5.一种采用权利要求1-4所述高速相机校准系统的高速相机校准方法，其特征在于，所述方法中的高速相机曝光时间及失帧测量方法，包括以下步骤：步骤S1、将包括标定板、测距激光雷达、高速相机、曝光时间及失帧测量装置和成像畸变校准装置的高速相机校准系统设置在靶场测试现场，使标定板同时位于高速相机和测距激光雷达视场内；步骤S2、打开测距激光雷达，发射激光脉冲信号；步骤S3、TTL同步信号触发器产生一个与高速相机曝光时间相一致的触发信号触发光电探测设备工作；步骤S4、当该触发信号处于高电平时，高速相机曝光进行拍摄，输出曝光结果信号，同时，光电探测设备在TTL同步触发信号的控制下，将所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，并将调制后的信号发送至采集分析设备；步骤S5、采集分析设备对光电探测器发送的激光脉冲信号进行高速采样，测量得到曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。6.根据权利要求5所述的高速相机校准方法，其特征在于，曝光时间的测量：在每一个曝光周期内...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小富，刘天植，付晨，
申请(专利权)人：南京富锐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32