【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流动显示和测量领域，具体涉及一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法及系统。
技术介绍
1、背景导向纹影(background oriented schlieren,bos)因其方法简便、定量计算、无粒子播撒等优点在流场测量领域获得日益广泛的应用。但同传统纹影方法类似，bos显示的是通过流场光线的积分效果。为了得到流场的三维定量信息，研究人员提出了三维背景导向纹影，在与流动方向垂直的平面内布置多台相机和多个相应的背景图案，从不同角度同时对流动拍摄记录，再使用三维重构算法得到流场三维数据。多相机标定是其中关键的一步，标定结果的精度将直接影响到三维重构流场的准确性。
2、在三维背景导向纹影这类相机布置夹角较大的层析测量系统中，通常难以保证标定板同时被所有相机完整成像。无法仅通过一次标定获得统一世界坐标系中所有相机的外部参数，需要把多相机标定分解为多个相邻相机双目标定。三维背景导向纹影由于其方法的固有限制存在散焦问题，所有相机均聚焦于对应的背景图案而非待测流场区域，使得在待测流场位置拍摄的标定图像相对模糊，给多相机标定带来困难。
3、目前主要有两种标定方法，方法一为：先令所有相机聚焦于待测流场标定其外部参数，再令相机重新聚焦于背景图案前标定内部参数。这种方法的优点为标定板始终位于相机的焦点，能够有效避免散焦问题，但缺点是在重新聚焦的过程中会不可避免地触碰相机，造成外部参数改变。方法二为：保持相机聚焦于背景图案不变，分别将标定板置于背景图案处标定内部参数和待测流场处标定外部参数。这种方法无需重新对焦
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，用于计算三维背景导向纹影测量系统中多相机的内部参数及在统一世界坐标系中的外部参数。本专利技术解决了现有技术中大夹角布置时多相机外部参数标定精度较低，单方向关联转换误差过度累加，整体误差偏大的问题。
3、本专利技术的技术方案是：一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，具体步骤如下：
4、定义世界坐标系；
5、布置测量系统和标定装置；所述测量系统为多台相机，标定装置为带有标定图案的多个标定板；
6、对各个相机进行单目标定，得到每个相机的内部参数；
7、基于每个相机的内部参数，对相邻相机进行双目标定，得到相邻相机的相对外部参数；
8、通过对相邻相机的相对外部参数转换，获得基准相机坐标系中各个相机的位姿；
9、基于相机的内部参数，对基准相机的外部参数标定，即标定基准相机在世界坐标系中的外部参数；
10、基于基准相机在世界坐标系中的外部参数，计算基准相机在世界坐标系中的位姿；进而将基准相机坐标系中各个相机的位姿转换至世界坐标系，得到所有相机在世界坐标系中的位置和姿态，结合内部参数建立像素坐标系与世界坐标系联系，完成多相机标定。
11、本专利技术的进一步技术方案是：所述世界坐标系根据所需测量流场区域确定，取流动开始截面中点为原点，流动方向为x轴，再根据右手系原则确定y轴和z轴方向。
12、本专利技术的进一步技术方案是：所述测量系统的多台相机位于同一平面内并沿周向设置，该平面与流体流动方向垂直。
13、本专利技术的进一步技术方案是：所述标定板的标定图案为二维棋盘格，平贴于标定板上；所述棋盘格的单位格尺寸根据测量距离确定，测量距离越大，单位格尺寸越大，测量距离越小，单位格尺寸越小。
14、本专利技术的进一步技术方案是：所述各个相机进行单目标定的方法为，将各标定板分别置于各个相机对焦的背景图案平面处，拍摄随机放置的不同位置、不同姿态的标定图像不少于20张；采用张正友标定法，以标定板平面为x-y平面，垂直标定板方向为z方向，建立标定板坐标系，则标定板标定图案的z坐标均为0，结合标定图案单元格的物理尺寸，得到其角点的坐标(xq,yq,0)；检测标定图像上的标定图案角点，形成关于成像模型参数的方程组，优化求解即可获得每个相机的内部参数。
15、本专利技术的进一步技术方案是：所述相邻相机进行双目标定的方法为，将标定板置于距离背景图案最近的相邻相机公共视场处，此处介于待测流场和背景图案之间，获得相较待测流场处更清晰的标定图像；以共同拍摄的标定板为关联坐标系，将所述每个相机的内部参数作为已知信息，计算相邻相机的相对外部参数。
16、本专利技术的进一步技术方案是：进行相邻相机双目标定时，标定板的位置确定与测量系统设置相关，即相邻相机之间的距离越小，标定板越靠近背景板，相邻相机之间的距离越大，标定板越靠近待测流场区域。
17、本专利技术的进一步技术方案是：所述获得基准相机坐标系中各个相机的位姿的方法为，通过相邻相机的相对外部参数转换得到基准相机坐标系中的相机位姿，lb＝la-obtab，其中，oa、la和ob、lb分别为相机a和相机b的位姿，rab和tab分别为相机a和相机b之间的相对旋转矩阵和相对位移向量；选取位于中间的相机为基准相机，在基准相机坐标系中对所述相邻相机外部参数分别向右和向左依次进行转换，获得基准相机坐标系中各个相机的位姿。
18、一种基于三维背景导向纹影的多相机标定系统，包括由多台相机组成的测量系统、由多个标定板组成的标定装置及上位机；
19、所述多台相机位于同一平面内并沿周向设置，该平面与流体流动方向垂直；
20、所述标定板上带有标定图案，所述标定图案的单位尺寸根据测量距离确定，测量距离越大，单位尺寸越大，测量距离越小，单位尺寸越小。
21、所述上位机用于测量数据的采集与处理。
22、本专利技术的进一步技术方案是：所述上位机包括至少一个处理器，以及所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述基于三维背景导向纹影的多相机标定方法。
23、有益效果
24、本专利技术的有益效果在于：应用本专利技术的基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，在不调节相机焦距的前提下有效避免了散焦问题和外部参数转换过程中误差累加过多，提高了多相机标定精度。引入“基准相机”，将多相机相对外部参数标定和世界坐标系相机位姿计算分开，即外部参数标定时标定板可以不位于待测流场处，而是位于距离背景图案最近的相邻相机公共视场处，此处介于待测流场和背景图案之间，具体位置与层析测量系统设置有关，能够获得相较待测流场处更清晰的标定图像。最后只对“基准相机”做与待测流场处本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述世界坐标系根据所需测量流场区域确定，取流动开始截面中点为原点，流动方向为x轴，再根据右手系原则确定y轴和z轴方向。
3.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述测量系统的多台相机位于同一平面内并沿周向设置，该平面与流体流动方向垂直。
4.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述标定板的标定图案为二维棋盘格，平贴于标定板上；所述棋盘格的单位格尺寸根据测量距离确定，测量距离越大，单位格尺寸越大，测量距离越小，单位格尺寸越小。
5.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述各个相机进行单目标定的方法为，将各标定板分别置于各个相机对焦的背景图案平面处，拍摄随机放置的不同位置、不同姿态的标定图像不少于20张；采用张正友标定法，以标定板平面为X-Y平面，垂直标定板方向为Z方向，建立标定板坐标
6.根据权利要求5所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述相邻相机进行双目标定的方法为，将标定板置于距离背景图案最近的相邻相机公共视场处，此处介于待测流场和背景图案之间，获得相较待测流场处更清晰的标定图像；以共同拍摄的标定板为关联坐标系，将所述每个相机的内部参数作为已知信息，计算相邻相机的相对外部参数。
7.根据权利要求6所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：进行相邻相机双目标定时，标定板的位置确定与测量系统设置相关，即相邻相机之间的距离越小，标定板越靠近背景板，相邻相机之间的距离越大，标定板越靠近待测流场区域。
8.根据权利要求7所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述获得基准相机坐标系中各个相机的位姿的方法为，通过相邻相机的相对外部参数转换得到基准相机坐标系中的相机位姿，Lb＝La-ObTab，其中，Oa、La和Ob、Lb分别为相机a和相机b的位姿，Rab和Tab分别为相机a和相机b之间的相对旋转矩阵和相对位移向量；选取位于中间的相机为基准相机，在基准相机坐标系中对所述相邻相机外部参数分别向右和向左依次进行转换，获得基准相机坐标系中各个相机的位姿。
9.一种基于三维背景导向纹影的多相机标定系统，其特征在于：包括由多台相机组成的测量系统、由多个标定板组成的标定装置及上位机；用于实施权利要求1-8任一项所述基于三维背景导向纹影的多相机标定方法；
10.根据权利要求9所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定系统，其特征在于：所述上位机包括至少一个处理器，以及所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述基于三维背景导向纹影的多相机标定方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述世界坐标系根据所需测量流场区域确定，取流动开始截面中点为原点，流动方向为x轴，再根据右手系原则确定y轴和z轴方向。
3.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述测量系统的多台相机位于同一平面内并沿周向设置，该平面与流体流动方向垂直。
4.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述标定板的标定图案为二维棋盘格，平贴于标定板上；所述棋盘格的单位格尺寸根据测量距离确定，测量距离越大，单位格尺寸越大，测量距离越小，单位格尺寸越小。
5.根据权利要求1所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述各个相机进行单目标定的方法为，将各标定板分别置于各个相机对焦的背景图案平面处，拍摄随机放置的不同位置、不同姿态的标定图像不少于20张；采用张正友标定法，以标定板平面为x-y平面，垂直标定板方向为z方向，建立标定板坐标系，则标定板标定图案的z坐标均为0，结合标定图案单元格的物理尺寸，得到其角点的坐标(xq,yq,0)；检测标定图像上的标定图案角点，形成关于成像模型参数的方程组，优化求解即可获得每个相机的内部参数。
6.根据权利要求5所述一种基于三维背景导向纹影的多相机标定方法，其特征在于：所述相邻相机进行双目标定的方法为，将标定板置于距离背景图案最近的相邻相机公共视场处，此处介于待测流场和背景图案之间，获得...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏祥智，史经纬，周莉，张晓博，王占学，邓文剑，肖洪，黄盛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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