The present disclosure provides a method for collecting and reconstructing live insect motion data based on two high-speed cameras. The optical axes of the two high-speed cameras are perpendicular to the wall of the observation box for living insect activity, and the optical axes of the two high-speed cameras are orthogonal. The parameters of high-speed camera are solved by the step-by-step linear calibration method based on coplanar points; the field depths of observation points in two high-speed cameras are obtained respectively; and the image coordinates with the same feature points are extracted from the images captured by two high-speed cameras to complete the matching of corresponding points, and the parameters of high-speed cameras are used. Three dimensional reconstruction of observation points with field depth.
【技术实现步骤摘要】
基于两台高速摄像机的活体昆虫运动采集及数据重构方法
本公开涉及一种基于两台高速摄像机的活体昆虫运动采集及数据重构方法。
技术介绍
针对昆虫飞行的空气动力学研究和飞行动力学研究都需要获得昆虫扑翼飞行的真实运动规律，因此，通过高速摄像机记录飞行昆虫影像，处理分析得到昆虫扑翼飞行中身体和翅膀的运动学参数十分必要。起初由于设备限制，研究者多利用食物、气味或是利用其固有的趋光性引导其飞行。1997年，Willmott和Ellington利用喂食器令鹰蛾悬停在拍摄画面内，从而完成了对鹰蛾的扑翼频率和翅膀扭转角的测量。虽然通过引导昆虫飞行可以获得接近真实飞行的运动规律，但只能构造出悬停飞行或直线飞行等有限的飞行状态，无法满足空气动力学以及飞行动力学研究中对于运动学参数多样性的要求。因此，发展能够实现对昆虫自由飞行进行运动学参数测量的实验方法势在必行。通常的测量方法是，先确定一个适当大小的拍摄区域，当昆虫进入该区域后即触发摄像机进行拍摄，从而捕获昆虫经过该区域的飞行图像。这种测量方法的问题是，若拍摄区域过大，则昆虫所占像素较少，分辨率无法达到测量要求；若拍摄区域过小，则昆虫进入拍...
【技术保护点】
1.一种基于两台高速摄像机的活体昆虫运动采集及数据重构方法，其特征在于，两台所述高速摄像机的光轴垂直于供活体昆虫活动的观察箱的壁面，并且两台所述高速摄像机的光轴正交，所述方法包括：建立所述高速摄像机的坐标变换模型，其中，所述坐标变换模型包括：刚体变换模型，用于从世界坐标系到摄像机坐标系的坐标变换；透视投影模型，用于从摄像机坐标系到理想成像平面坐标系的坐标变换；径向畸变模型，用于从理想成像平面坐标系到实际成像平面坐标系的坐标变换；以及像素单位变换，用于从实际成像平面坐标系到图像坐标系的坐标变换；通过建立所述坐标变换模型来确定需要求解的所述高速摄像机的参数；通过基于共面点的分步...
【技术特征摘要】
1.一种基于两台高速摄像机的活体昆虫运动采集及数据重构方法，其特征在于，两台所述高速摄像机的光轴垂直于供活体昆虫活动的观察箱的壁面，并且两台所述高速摄像机的光轴正交，所述方法包括：建立所述高速摄像机的坐标变换模型，其中，所述坐标变换模型包括：刚体变换模型，用于从世界坐标系到摄像机坐标系的坐标变换；透视投影模型，用于从摄像机坐标系到理想成像平面坐标系的坐标变换；径向畸变模型，用于从理想成像平面坐标系到实际成像平面坐标系的坐标变换；以及像素单位变换，用于从实际成像平面坐标系到图像坐标系的坐标变换；通过建立所述坐标变换模型来确定需要求解的所述高速摄像机的参数；通过基于共面点的分步线性标定方法求解所述高速摄像机的参数；分别获取观测点在两台所述高速摄像机中的场深；以及在两台所述高速摄像机所拍摄的图像中分别提取具有相同特征点的图像坐标来完成对应点的匹配，并根据所述高速摄像机参数和所述场深对所述观测点进行三维重构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刚体变换模型由一个旋转矩阵R和一个平移向量T来描述，相应齐次坐标之间的关系如下式1和2：其中，(xc,yc,zc)表示所述观测点在所述高速摄像机的坐标系下的三维坐标，(Xw,Yw,Zw)表示所述观测点在世界坐标系下的三维坐标；所述透视投影模型的相应齐次坐标之间的关系如下式3：其中，f为所述高速摄像机的有效焦距，(xu,yu)表示所述观测点在成像平面坐标系下的理想成像坐标；所述径向畸变模型是在所述透视投影模型的基础上加入畸变的影响，所述径向畸变模型仅考虑三阶径向畸变，相应齐次坐标之间的关系如下式4：其中，(xd,yd)表示所述观测点在成像平面坐标系下的实际成像坐标，ki表示各阶径向畸变系数，r表示像点到所述高速摄像机的光轴的距离；所述像素单位变换是由物理长度向像素单位的变换，实际成像坐标与图像坐标之间的关系如下式5：其中，(u,v)表示所述实际成像坐标在图像坐标系下的坐标，(u0,v0)表示所述成像平面坐标系的原点在图像坐标系下的坐标，dx表示单位图像元素在水平方向的尺寸大小，dy表示单位图像元素在竖直方向的尺寸大小，表示图像元素比例因子。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高速摄像机参数包括：摄像机内部参数，包括所述成像平面坐标系的原点在图像坐标系下的坐标(u0,v0)、所述图像元素比例因子所述有效焦距f和所述径向畸变系数ki；以及摄像机外部参数，包括所述旋转矩阵R和所述平移向量T。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高速摄像机参数的求解方法包括：将标定所用的世界坐标系OXwYwZw固定在二维标定板上，世界坐标系的Xw轴和Yw轴平行于标定板，坐标系符合右手法则；将所述二维标定板放置在所述高速摄像机的拍摄空间中，提取所述二维标定板的图像中各标定点的图像坐标(u,v)；根据式5求解所述观测点在成像平面坐标系下的实际成像坐...
【专利技术属性】
技术研发人员：李秋实，潘天宇，郑孟宗，苏冠廷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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