基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法，旨在解决基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉检测问题。基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统主要由摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)组成。基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法由图像采集、摄像机(1)内参数矩阵的求解、摄像机(1)外参数旋转矩阵以及平移向量的求解、车身特征点重建等步骤组成，提供了一种结构简单、性能可靠的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法。

【技术实现步骤摘要】
基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法
本专利技术涉及一种汽车检测设备和检测方法，更具体的说，它是一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法。
技术介绍
汽车形貌检测作为交通检测领域重要的环节，在汽车形状位置偏差、轴距差、形貌重建、车型分类、超载超限及非法改装等方面具有重要的应用前景。为了避免对被测量物体表面造成刮伤，现在较多采用非接触式测量方法。但是非接触式测量通常需要借助靶标，并且需要将其移动多个位置获取多幅图像以实现对相机的标定，移动靶标不仅耗费时间，还会使处理过程复杂化。如何简化对相机的标定过程，实现物体的三维信息重建就十分重要。为了实现对汽车形貌进行较高精度的特征点重建，设计了一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法。
技术实现思路
本专利技术针对解决在汽车形貌重建过程中，现有技术装置复杂、过程繁琐等问题，设计了一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统与方法，实现对汽车形貌特征点的三维自由重建。该方法主要由一部工业摄像机、一个由规则扇形图案组成的二维靶标及与二维靶标相对位置固定不变的激光投面仪和一个二维靶标固定座构成，通过应用相交直线上五点标识的射影转换进行单图像相机标定，进而实现汽车形貌的三维重建。结合说明书附图，本专利技术采用如下技术方案予以实现：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统包括有摄像机、激光投面仪、二维靶标、二维靶标固定座、连接夹与三角架；三角架放置在地面上，摄像机通过底部的螺纹孔与三角架顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座放置在水平地面上，二维靶标底部与二维靶标固定座上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标置入连接夹的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹和二维靶标的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪插入激光器连接夹钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪圆柱面接触紧配合，激光投面仪发出的激光平面与二维靶标图形所在平面共面。技术方案中所述的摄像机为装有窄带滤光片的广角工业相机。技术方案中所述的激光投面仪为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪发出的激光波长与摄像机的窄带滤光片的带通波长一致。技术方案中所述的二维靶标为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标的表面粘贴有可生成共线点特征的放射状黑白相间图案。技术方案中所述的二维靶标固定座为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽。技术方案中所述的连接夹为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。技术方案中所述的三角架为可调整高度的三角支架。基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的具体步骤如下：第一步：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的图像采集：摄像机固定在三角架上，将三角架放置在地面上，激光投面仪插入连接夹的钢管内孔，打开激光投面仪，通过调节连接夹的钢管上的螺钉，使激光投面仪投射出的激光与二维靶标共面并将激光投面仪固定，摄像机采集一幅图像，图像包含二维靶标以及激光投面仪与车辆表面相交的激光投影点；第二步：摄像机内参数矩阵的求解：在二维靶标的每条直线上分别建立一维坐标系，直线上的线段端点Zq，1、Zq，2、Zq，3表示为齐次二维矢量(0，1)T、(aq1，1)T及(aq1+aq2，1)T，各点在图像平面上投影点的坐标zq，1、zq，2、zq，3也可以表示为齐次二维矢量(0，1)T、(dq1，1)T及(dq1+dq2，1)T，则点之间的投影关系为Hq，1Zq，i＝zq，i其中，相交线对数q＝1，2...n，i＝1，2，3，至少需要两对相交直线的五个点，通过SVD分解即可求得Zq，1、Zq，2、Zq，3转换到zq，1、zq，2、zq，3的1D射影变换矩阵Hq，1；一维坐标系下每条直线上的无穷远点投影点坐标其中V∞＝(1，0)T为一维无穷远点，为一维坐标系下V∞的投影点的齐次坐标；根据直线上已知点在一维坐标系下的齐次坐标与图像坐标系下的齐次坐标，第q条直线的斜率为其中，(dqi，1)T为图像平面上一维坐标系中投影点坐标的齐次二维矢量形式，zq，i＝(xq，i，yq，i，1)T为已知点在二维坐标系下的齐次坐标，进一步求得在图像坐标系下的消失点投影点坐标为其中，为消失点在一维坐标系下的齐次坐标，消失点与消影线的关系为vq，∞Tw∞＝0其中w∞为消影线的坐标，由全部消失点都在消影线上得[v1，1v1，2v2，1v2，2…vq，1vq，2]Tw∞＝0利用SVD可求得消影线的坐标w∞；由图像原点Oi向消影线的坐标w∞做垂线，设垂足为Pv，根据直角三角形具有公共边，可求得摄像机原点Oc到该垂足的距离为其中，PV＝(xv，yv，1)T，vq，1＝(xq，1，yq，1，1)T，vq，2＝(xq，2，yq，2，1)T，β为vq，1Oc与vq，2Oc之间的夹角，进一步可以根据直角三角形勾股定理计算摄像机的焦距为OiPv可以直接在图像中测量得到，根据焦距及假设主点位于图像中心的条件即可得到摄像机的内参数为其中，其中u0和v0是图像在两个垂直方向上的分辨率的一半；第三步：摄像机外参数旋转矩阵以及平移向量的求解：以Oc为原点，Ocvq，1为Ocl轴、Ocvq，2为为Ocm轴创建一个新的三维坐标系Oc-lmn，根据fi求得的新坐标系和摄像机1坐标系间的旋转矩阵为其中，vq，1＝(xq，1，yq，1，1)T，vq，2＝(xq，2，yq，2，1)T，Ocn＝(nx，ny，nz)T为新坐标系的第三轴方向单位向量，根据Ocn＝Ocl×Ocm得到，对两个旋转矩阵相乘的结果进行SVD分解，把中间对角阵中的元素开方，再与两侧正交阵相乘得到最优旋转矩阵ROC；在世界坐标系下选择一条已知长度的与世界坐标系OoXo方向平行的线段AB，过线段一端点A的投影点a作该线段的平行线ab’，根据ΔOCAB与ΔOCaB’为相似三角形，可求得OcA的范数为再根据OCA与OCa方向相同求得向量根据求得的旋转矩阵，得到平移向量tOC＝RCOOCA第四步：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的特征点重建：根据图像中采集到的激光面在车身的投影点的图像坐标根据第一步标定过程求得的摄像机内参数、旋转矩阵和平移向量，即可得到由激光平面πT在二维靶标坐标系下的坐标为πT＝(0011)T，可得到激光平面在摄像机坐标系下的坐标再根据待重建点位于激光投面仪发射的激光平面上得其中，πq为摄像机坐标系下的激光平面，对以上两式进行联立可以解算激光面车身交线点在二维靶标坐标系下的三维坐标；在汽车形貌重建与检测过程中，第四步是循环进行的步骤；通过在摄像机视野范围内移动二维靶标，即可获得在其他位置的激光平面与汽车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于，所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统包括有摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)；/n三角架(6)放置在地面上，摄像机(1)通过底部的螺纹孔与三角架(6)顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座(4)放置在水平地面上，二维靶标(3)底部与二维靶标固定座(4)上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标(3)置入连接夹(5)的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹(5)和二维靶标(3)的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪(2)插入激光器连接夹(5)钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹(5)钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪(2)圆柱面接触紧配合，激光投面仪(2)发出的激光平面与二维靶标(3)图形所在平面共面。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于，所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统包括有摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)；
三角架(6)放置在地面上，摄像机(1)通过底部的螺纹孔与三角架(6)顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座(4)放置在水平地面上，二维靶标(3)底部与二维靶标固定座(4)上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标(3)置入连接夹(5)的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹(5)和二维靶标(3)的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪(2)插入激光器连接夹(5)钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹(5)钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪(2)圆柱面接触紧配合，激光投面仪(2)发出的激光平面与二维靶标(3)图形所在平面共面。


2.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的摄像机(1)为装有窄带滤光片的广角工业相机。


3.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的激光投面仪(2)为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪(2)发出的激光波长与摄像机(1)的窄带滤光片的带通波长一致。


4.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的二维靶标(3)为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标(3)的表面粘贴有可生成共线点特征的放射状黑白相间图案。


5.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的二维靶标固定座(4)为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽。


6.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的连接夹(5)为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。


7.按照权利要求1所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统，其特征在于所述的三角架(6)为可调整高度的三角支架。


8.按照权利要求1至7所述的基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建系统的重建方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：基于五点标识的汽车形貌单目主动视觉重建方法的图像采集：
摄像机(1)固定在三角架(6)上，将三角架(6)放置在地面上，激光投面仪(2)插入连接夹(5)的钢管内孔，打开激光投面仪(2)，通过调节连接夹(5)的钢管上的螺钉，使激光投面仪(2)投射出的激光与二维靶标(3)共面并将激光投面仪(2)固定，摄像机(1)采集一幅图像，图像包含二维靶标(3)以及激光投面仪(2)与车辆表面相交的激光投影点；
第二步：摄像机(1)内参数矩阵的求解：
在二维靶标(3)的每条直线上分别建立一维坐标系，直线上的线段端点Zq，1、Zq，2、Zq，3表示为齐次二维矢量(0，1)T、(aq1，1)T及(aq1+aq2，1)T，各点在图像平面上投影点的坐标zq，1、zq，2、zq，3也可以表示为齐次二维矢量(0，1)T、(dq1，1)T及(dq1+dq2，1)T，则点之间的投影关系为
Hq，1Zq，i＝zq，i
其中，相交线对数q＝1，2...n，i＝1，2，3，至少需要两对相交直线的五个点，通过SVD分解即可求得Zq，1、Zq，2、Zq，3转换到zq，1、zq，2、zq，3的1D射影变换矩阵Hq，1；
一维坐标系下每条直线上的无穷远点投影...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐观，沈慧，陈熔，苏建，张立斌，刘玉梅，戴建国，单红梅，林慧英，李晓韬，陈芳，朱尧平，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22