基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，用于视觉检测与图像测量领域。本发明专利技术的过程包括：1.组建多相机系统；2.基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定；3.多个相机分别从不同方向捕捉图像；4.特征提取与匹配，获得测量的三维点；5.将每个子系统所获得的三维点转换到同一坐标系下，得到全局测量的数据。6.利用已获得的三维点数据，计算间接量(如应变、位移等)。本发明专利技术的关键在于多相机系统的标定，其结果将会对后续的三维点获取产生影响。本发明专利技术在测量过程中的特点是可以同时对系统中多台相机进行标定，克服了平面标定板限制多台相机分布的问题，测量过程灵活。

【技术实现步骤摘要】
基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法
本专利技术属于视觉检测与图像测量领域，具体涉及到一种用于全局测量的多相机测量系统。
技术介绍
视觉测量近年来一直是计算机视觉领域中的研究热点，广泛应用于军事、工业、民用各个领域，具有很高的理论研究以及实际应用价值。单相机系统只能得到二维信息，限制了多平面目标的测量，双目相机系统结构简单、成本低并具有较高的精度，但是只能以固定的角度对目标物体采集，获取目标物体的三维信息，并且对于目标物体存在尺寸不一、外形复杂而导致自身遮挡等问题，无法精确测量。多相机系统不仅可以得到目标物的多平面信息，还可以得到其深度信息，使测量结果更加准确。多相机测量系统是视觉测量的重要手段。多相机测量主要任务就是寻找三维空间中的目标物体的三维信息与通过相机所获得的图像上所对应的二维信息之间的关系。多相机测量系统标定就是来确定相机在成像过程中涉及到许多参数包括相机内部参数、外部参数以及畸变系数等的，是测量过程中一项重要且是难点的任务，其结果将会对后续三维点的获取产生极大影响，进而影响整个测量结果的精度。一般来说，多相机测量系统的整体性能很大程度上取决于相机标定的准确性。多相机系统的标定方法分为两类：基于标定物的标定和相机自标定。相机自标定方法不采用标定物，只通过图像之间的对应约束关系，完成相机的标定。此方法标定步骤简单，自动化程度高，但是目前还不成熟，主要问题是相机自标定的精度较低。基于标定物的标定一般采用已知几何信息的标定物进行标定，早期的相机标定方法采用比较精确的三维标定物体，此类方法标定结果精确度高，但是三维标定物的制作过程比较困难。随后有人提出基于二维平面标定板的经典标定方法，该方法标定结果精确度高且标定物制作过程较简单，但是随着越来越多的多相机系统的应用，平面标定板不能满足从不同方位的相机同时可见。邻近相机之间间距较大时，则不能同时可视一块平面标定板，不能标定出相对于同一个标定板的外部参数，需要通过相邻相机之间的位置转换关系获得在统一世界坐标系下的外部参数，造成运算累积误差。综上，多相机测量系统不仅克服了双目立体视觉的缺点，而且测量结果具有精度高，效果好并且能够实时测量等优点。相机标定是三维测量技术中一个重要的研究内容，其标定结果将会对后面步骤所用到的参数造成很大的影响。目前，对于多相机系统的标定，主要存在着操作过程繁琐，标定结果不精确，对标定物的制造工艺要求高等问题。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保证测量结果的准确性、简化标定步骤、提高效率、全局测量能够同时从不同角度对目标物体进行表面测量的基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)组建多相机测量系统：安装N个相机，分布在标定目标的四周，使N个相机的视野同时覆盖标定目标的同一区域；2)基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定：利用光束追踪法建立折射投影模型，利用光束法平差的方法和折射投影模型优化多相机系统的外部参数和玻璃折射率；3)多个相机分别从不同方向捕捉标定目标的图像；4)利用特征点提取算法来提取图像中的特征点，获得匹配点对，将获得的匹配点对结合相机的内外参数，基于三角测量原理来恢复空间点的坐标，从而每个双目子系统获得测量部分三维点的测量数据。5)将每个子系统所获得的三维点转换到同一坐标系下，从而得到全局测量的数据；6)利用已获得的三维点数据，计算间接量。进一步的，所述步骤1)使N个相机的视野同时覆盖标定目标的同一区域，具体包括：在视野同时覆盖区域内放置标定目标，标定目标是一面用棋盘图案印刷的透明玻璃标定板，可以从标定板的两侧清晰地采集到完整棋盘图案的图像，多相机系统中的相机分成两组，I组位于透明玻璃标定板印刷棋盘图案的一侧即标定板正面，可以直接采集到棋盘图案；II组位于透明玻璃标定板印刷棋盘图案的另一侧即标定板背面，可以通过透明玻璃采集到棋盘图案。进一步的，所述步骤2)基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定，步骤为：A1)在视野同时覆盖区域内放置标定目标，多相机系统中各台相机同时从不同角度采集标定板图像；A2)利用光束追踪法建立折射投影模型；A3)利用传统标定法获取每台相机的内部参数；A4)获取相机外部参数的初始估计；A5)利用光束法平差和折射投影模型优化多相机系统的外部参数和玻璃折射率。进一步的，所述步骤A2)利用光束追踪法建立折射投影模型，光束追踪法的具体步骤为：A21)从已知的相机位置到三维点P的连线方向作为初始的入射光线的方向r1k，并求出入射光线与透明玻璃标定板的上表面的交点作为初始的入射点，其中透明玻璃标定板的上表面为折射面；A22)已知空气和透明玻璃标定板的折射率，利用公式(1)计算出折射光线的方向其中，空气和玻璃的折射率分别是n1和n2(n2＞n1)，假设空气的折射率为1，则玻璃的相对折射率为玻璃的厚度为d，和分别表示入射光线的方向和折射表面的法向量。A23)假设有一光线与折射光线平行且方向相反，从三维点P投射到透明玻璃标定板的上表面；A24)计算得光线与透明玻璃标定板的上表面的交点A25)若和之间的距离大于阈值，则将和之间连线的中点定义为作为入射点，回到步骤A22)，循环此过程，否则结束过程，此时的入射光线的方向和入射点为最优解。进一步的，所述步骤A3)所述的利用传统标定法获取每台相机的内部参数，步骤为：A31)、从不同角度采集若干张印有棋盘标定图案的图像；A32)、检测出图像中的特征点；A33)、利用检测的特征点位置信息获得相机内部参数初值；A34)、利用下列公式求解相机的畸变系数：r2＝x2+y2(5)其中，(xd,yd)是带有畸变的图像坐标，(x,y)是无畸变的图像坐标，1+k1r2+k2r4+k5r6是径向畸变，dx是切向畸变，k1,k2,k5是径向畸变系数，k3,k4是切向畸变系数。A35)、利用最大似然估计进行优化。进一步的，所述步骤A44)所述的获取相机外部参数的初始估计，包括如下步骤：1)、利用小孔成像模型计算I组相机外部参数的初始值；2)、利用直接线性法计算II组相机外部参数的初始值。进一步的，所述步骤4)利用特征点提取算法来提取图像中的特征点步骤为：1)尺度空间极值检测的步骤：搜索所有尺度上的图像位置。通过高斯微分函数来识别潜在的对于尺度和旋转不变的特征点；2)关键点的定位步骤：在每个候选的特征点的位置上，通过一个拟合精细的模型来确定位置和尺度，关键点的选择依据于它们的稳定程度；3)方向确定步骤：使用图像梯度的方法求取该局部结构的稳定方向，以特征点为中心的邻域窗口中进行采样，并用直方图来统计邻域像素的梯度方向；4)关键点的描述步骤：在每个关键点周围的邻域内，在选定的尺度上测量图像局部的梯度，这些梯度被变换成一种表示，这种表示允许比较大的局部形状的变形和光照变化。进一步的，所述步骤4)的特征点匹配得到匹配点对采用的是基于极线约束关系，在极线上寻找比较与待匹配特征点的相似性来获得匹配点对。进一步的，所述步骤5)得到全局测量的数据，由两台相机从不同角度同时获取目标物体或场景的两幅二维图像并基于三角定理即可计算出物体三维几何信息，通过获得的相机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)组建多相机测量系统：安装N个相机，分布在标定目标的四周，使N个相机的视野同时覆盖标定目标的同一区域；2)基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定：利用光束追踪法建立折射投影模型，利用光束法平差的方法和折射投影模型优化多相机系统的外部参数和玻璃折射率；3)多个相机分别从不同方向捕捉标定目标的图像；4)利用特征点提取算法来提取图像中的特征点，获得匹配点对，将获得的匹配点对结合相机的内外参数，基于三角测量原理来恢复空间点的坐标，从而每个双目子系统获得测量部分三维点的测量数据。5)将每个子系统所获得的三维点转换到同一坐标系下，从而得到全局测量的数据；6)利用已获得的三维点数据，计算间接量。

【技术特征摘要】
1.一种基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)组建多相机测量系统：安装N个相机，分布在标定目标的四周，使N个相机的视野同时覆盖标定目标的同一区域；2)基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定：利用光束追踪法建立折射投影模型，利用光束法平差的方法和折射投影模型优化多相机系统的外部参数和玻璃折射率；3)多个相机分别从不同方向捕捉标定目标的图像；4)利用特征点提取算法来提取图像中的特征点，获得匹配点对，将获得的匹配点对结合相机的内外参数，基于三角测量原理来恢复空间点的坐标，从而每个双目子系统获得测量部分三维点的测量数据。5)将每个子系统所获得的三维点转换到同一坐标系下，从而得到全局测量的数据；6)利用已获得的三维点数据，计算间接量。2.根据权利要求1所述的基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，所述步骤1)使N个相机的视野同时覆盖标定目标的同一区域，具体包括：在视野同时覆盖区域内放置标定目标，标定目标是一面用棋盘图案印刷的透明玻璃标定板，可以从标定板的两侧清晰地采集到完整棋盘图案的图像，多相机系统中的相机分成两组，I组位于透明玻璃标定板印刷棋盘图案的一侧即标定板正面，可以直接采集到棋盘图案；II组位于透明玻璃标定板印刷棋盘图案的另一侧即标定板背面，可以通过透明玻璃采集到棋盘图案。3.根据权利要求1所述的基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，所述步骤2)基于折射投影模型和光束追踪法的多相机全局标定，步骤为：A1)在视野同时覆盖区域内放置标定目标，多相机系统中各台相机同时从不同角度采集标定板图像；A2)利用光束追踪法建立折射投影模型；A3)利用传统标定法获取每台相机的内部参数；A4)获取相机外部参数的初始估计；A5)利用光束法平差和折射投影模型优化多相机系统的外部参数和玻璃折射率。4.根据权利要求3所述的基于折射投影模型和光束追踪法的多相机测量方法，其特征在于，所述步骤A2)利用光束追踪法建立折射投影模型，光束追踪法的具体步骤为：A21)从已知的相机位置到三维点P的连线方向作为初始的入射光线的方向r1k，并求出入射光线与透明玻璃标定板的上表面的交点作为初始的入射点，其中透明玻璃标定板的上表面为折射面；A22)已知空气和透明玻璃标定板的折射率，利用公式(1)计算出折射光线的方向其中，空气和玻璃的折射率分别是n1和n2(n2＞n1)，假设空气的折射率为1，则玻璃的相对折射率为玻璃的厚度为d，和分别表示入射光线的方向和折射表面的法向量；A23)假设有一光线与折射光线平行且方向相反，从三维点P投射到透明玻璃标定板的上表面；A24)计算得光线与透明玻璃标定板的上表面的交点A25)若和之间的距离大于阈值，则将和之间连线的中点定义为作为入射点，回到步骤A22)，循环此过程，否则结束过程，此时的入射光线的方向r1k和入射...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯明驰，姜盼盼，王剑桥，肖立峰，陈国喜，郑太雄，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50