用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，标定系统包括棋盘格标定板、三块平面玻璃、成像模块，所述的棋盘格标定板为图案不对称标定板，用于标定时判定方向，确保每次拍摄的标定板的图片中的特征点都能按照相同的顺序提取出来，所述的平面玻璃用于叠加在相机的前面拍摄标定板图片，提取同一世界坐标的标定点的不同像素坐标，所述成像模块由工业相机和相机支架组成，支架用于调整相机位置和角度；当相机前面有折射物体时，本装置可以快捷的确定玻璃的方位，即玻璃的方向向量，具有装置简易、测量精度高，检测速率快等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法


[0001]本专利技术涉及折射成像
，特别是一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法。

技术介绍

[0002]使用视觉系统的非接触式测量已被应用于各个领域。视觉测量具有自动化、灵活性和高精度的优点，因此对工程师很有吸引力。视觉系统的主要组成部分是基于光线路径的三维重建模型。单一视点(SVP)模型是光线在均匀介质中最常用的重建模型。然而，射线路径可能包含不同的介质；例如，各种基于机器视觉的户外自主定位，水下设备的视觉成像，风洞等各种极端环境下的测量研究等，现有的计算机视觉中基于小孔成像的模型，未考虑介质折射的问题，当相机光轴垂直于介质折射面，且介质较薄时给予适当的修正仍可等同小孔成像模型，但是，当相机姿态较介质任意位置，或介质较厚时原有的小孔成像模型不再适用，即需要重新建模来修正折射的影响。
[0003]折射校正的方法可以分为两类:图像校正方法和几何校正方法。图像校正方法首先去除折射引起的图像畸变，然后利用SVP模型对未畸变的图像进行三维重建。图像校正方法不考虑折射率、折射率界面的位置和方向，甚至不考虑这些界面的形状。他们的要求主要包括同一场景的未折射图像和折射图像，用于建立变换函数。几何校正方法跟踪折射光线路径，而几何校正方法需要大量的参数，包括折射率界面的位置和方向、折射率、界面形状等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，在折射校正时，与几何校正相比，避免了需要大量的参数，只需要单镜头的几个玻璃端口的叠加，通过对拍摄的标定点进行直线拟合即可确定折射率界面法向，具有装置简易、测量精度高，检测速率快等优点。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统，主要由棋盘格标定板、成像模块和计算机组成；
[0006]所述棋盘格标定板边角设有不对称的圆环特征点；
[0007]所述成像模块用于采集标定板的棋盘格图像，其中成像模块和棋盘格标定板之间根据是否放置玻璃分为四种情况：不放置玻璃、放置一块玻璃、放置两块玻璃、放置三块玻璃；
[0008]所述计算机用于对成像模块采集到的四种情况下的棋盘格图像进行角点提取，对其中的标定点进行拟合，求出玻璃在相机坐标系下的方向向量。
[0009]一种用于折射成像系统的玻璃方位标定方法，包括以下步骤：
[0010](1)标定过程：对采集到的标定板图像进行角点提取；以拥有两个圆环特征点的边角作为顺时针方向的第三个边角，按照一定的次序提取8x8个特征点；通过张正友标定法计
算相机模型的内部参数与畸变系数，由此获得像素坐标系与相机坐标系之间的转化关系；
[0011](2)对相机镜头前面没有玻璃时采集标定板图片进行角点提取并且按照一定的次序，然后在相机镜头前面叠加一块玻璃采集标定板图片进行角点提取，然后在相机镜头前面叠加两块玻璃采集标定板图片进行角点提取，然后在相机前面叠加三块玻璃拍摄标定板图片依次序进行角点提取；
[0012](3)当拍摄图像经过不同厚度的玻璃窗口时，利用同一标定点在四种情况下拍摄的图片进行一个组合，对其进行最小二乘法或者opencv中fitline函数进行拟合，标定板上有64个标定点，对64组标定点进行拟合，64条直线相交于一点，这一点则是垂直于玻璃投影到像素坐标系下的坐标，由该点即可确定玻璃的法向量；所述四种情况为没有玻璃、有一块玻璃、有二块玻璃、有三块玻璃；
[0013](4)对于每一对对应的像点，设未折射点和折射点坐标分别为(u
og
,v
og
)和(u
wg
,v
wg
)，此时连接线的方程为：
[0014](v
wg
‑
v
og
)x+(u
og
‑
u
wg
)y+(u
wg
‑
u
og
)v
og
‑
(v
wg
‑
v
og
)u
og
＝0
[0015]假设一共有K条连接线，次级主点是所有连接线的交点；通过拍摄的标定板的图片提取标定点获取连接线的方程，从而获得64组连接线的方程，即64组(k,b)值，可以将每一组(k,b)值看成是一个点，然后再对其进行最小二乘法线性拟合即可得到次级主点的坐标(u
e
,v
e
)，此时玻璃的法线表示为：
[0016][0017]其中，u,v,f,dX,dY均为摄像机的内部参数f为摄像机焦距，dX,dY为像元尺寸，u,v为图像中心。
[0018]本专利技术提供的一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，相对于几何折射校正的方法，不需要大量的参数，包括折射率界面的位置和方向，只需要一块标定板和三块玻璃即可确定折射率界面的位置和方向；因为发生折射后的图像比未折射时的图像膨胀得更大；同时，由于平行于玻璃法向量且通过相机光心的光线不发生折射，这条光线的像点就是折射后的像的次级主点；得到次级主点的坐标即可知道玻璃的位置和方向。此专利技术具有简洁快速，易操作，精度较好，易理解等特点。
附图说明
[0019]图1为用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法的测量实验装置图。
[0020]图2为是特制标定板按固定顺序提取标定点的图片。
[0021]图3为包含玻璃折射的标定点的成像示意图。
[0022]图4为标定点直线拟合的交点即确定玻璃方向向量的次级主点示意图。
具体实施方式
[0023]本专利技术涉及简便快捷的折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，涉及利用最小二乘法对一组标定点进行拟合，核心是拍摄一组有玻璃一次叠加和没有玻璃的图片，然后对其中的标定点进行拟合，求出玻璃在相机坐标系下的方向向量。
[0024]如图1所示，本专利技术提出一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统，包括棋盘格标定板1、成像模块3、玻璃2和计算机4组成；
[0025]所述棋盘格标定板1边角设有不对称的圆环特征点，用于提取标定点的像素坐标，也可标定相机的内外参数。
[0026]所述成像模块3用于采集标定板的棋盘格图像；
[0027]所述玻璃2用于采集不同玻璃厚度时拍摄的棋盘格图像。
[0028]所述计算机4用于对成像模块采集到的四种情况下的棋盘格图像进行角点提取，对其中的标定点进行拟合，求出玻璃在相机坐标系下的方向向量。
[0029]如图2所示，所述棋盘格标定板四个边角分布五个不对称的圆环特征点，用于标定时判断方向，保证不同角度下提取到的特征点都可以按照相同的顺序进行排列；四个特征点分布在四个角上，可以将检测范围缩小在一定的范围，防止复杂环境对后续棋盘格角点提取造成影响，提高了检测精度。第五个特征点的限定条件是必须保证可以破坏标定板的对称性，这样在四个相机中提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于折射成像系统的玻璃方位标定系统，其特征在于，主要由棋盘格标定板、成像模块和计算机组成；所述棋盘格标定板边角设有不对称的圆环特征点；所述成像模块用于采集标定板的棋盘格图像，其中成像模块和棋盘格标定板之间根据是否放置玻璃分为四种情况：不放置玻璃、放置一块玻璃、放置两块玻璃、放置三块玻璃；所述计算机用于对成像模块采集到的四种情况下的棋盘格图像进行角点提取，对其中的标定点进行拟合，求出玻璃在相机坐标系下的方向向量。2.根据权利要求1所述的用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，其特征在于，所述棋盘格标定板四个边角分布五个不对称的圆环特征点，用于标定时判断方向，保证不同角度下提取到的特征点均按照相同的顺序进行排列；棋盘格中的每个格子为黑白相间的正方形方格，每一小格的边长为10mm，格点数目为8x8。3.根据权利要求2所述的用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，其特征在于，所述成像模块由一个黑白工业相机、玻璃支架和相机支架组成；相机与玻璃支架之间的相对位置不发生改变；拍摄没有玻璃时的标定板的图片，以及一块玻璃在相机镜头前的标定板的图片，以及两块玻璃在相机镜头前的图片，以及三块标定板在相机镜头前的图片。4.根据权利要求1或3所述的用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，其特征在于，所述的玻璃为K9的8mm厚的玻璃，折射率为1.5。5.根据权利要求1或3所述的用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，其特征在于，黑白工业相机使用Daheng Image的水星黑白照相机。6.根据权利要求5所述的用于折射成像系统的玻璃方位标定系统及方法，其特征在于，黑白工业相机选择8mm焦距的镜头。7.一种基于权利要求1
‑
3任一所述系统的玻璃方位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)标定过程：对采集到的标定板图像进行角点提取；以设有两个圆环特征点的边角作为顺时针方向的第三个边角，按照一定的次序提取8x8个特征点；通过张正友标定法计算相机模型的内部参数与畸变系数，由此获得像素坐标系与相机坐标系之间的转化关系；(2)对相机镜头前面没有玻璃时采集标定板图片进行角点提取并且按照一定的次序，在相机镜头前面叠加一块玻璃采集标定板图片进行角点提取，然后在相机镜头前面叠加两块玻璃采集标定板图片进行角点提取，然后在相机前面叠加三块玻璃拍摄标定板...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋旸，许祥妹，蔡华俊，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：