一種水下投影儀標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，將提供一種水下投影儀結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法。包括以下步驟：在至少三個(gè)位置拍攝位于同一平面的防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)的圖像對(duì)；在攝像機(jī)坐標(biāo)系下,計(jì)算平面法向向量和投射靶標(biāo)三維坐標(biāo)，采用單視點(diǎn)模型初步標(biāo)定投影儀及結(jié)構(gòu)參數(shù)，將投射靶標(biāo)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至投影儀坐標(biāo)系作為參考值；在投影儀坐標(biāo)系下，建立投射靶標(biāo)的入射光線以及折射光線模型，計(jì)算投射靶標(biāo)三維坐標(biāo)；以計(jì)算出的投射靶標(biāo)三維坐標(biāo)與參考值之間的距離建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行遞歸優(yōu)化。本發(fā)明考慮投影儀光線從空氣介質(zhì)傳播到水介質(zhì)時(shí)發(fā)生的折射現(xiàn)象，以及投影儀光軸與防水裝置窗口法向向量不平行的情況，能夠滿足水下投影儀標(biāo)定需求。
【專利說(shuō)明】一種水下投影儀標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下投影儀標(biāo)定方法，屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]投影儀與攝像機(jī)結(jié)合的結(jié)構(gòu)光模式，是視覺(jué)測(cè)量中一種重要的三維測(cè)量方法和技術(shù)。其原理是采用投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，投影儀根據(jù)測(cè)量需要主動(dòng)投射特征，如點(diǎn)陣、光柵條紋、編碼格網(wǎng)等等，攝像機(jī)捕獲的圖像包含因物體表面形貌變化而產(chǎn)生形變的投射特征，根據(jù)結(jié)構(gòu)光三角測(cè)量原理恢復(fù)物體表面的三維信息。由于攝像機(jī)拍攝的一幅圖像可以包含大量特征信息，因此對(duì)于近距離的水下三維測(cè)量應(yīng)用，投影儀結(jié)構(gòu)光技術(shù)是一種恢復(fù)被測(cè)物體三維信息的有效手段。
[0003]水下投影儀結(jié)構(gòu)光測(cè)量環(huán)境有別于陸地上的空氣介質(zhì)環(huán)境。水下環(huán)境作業(yè)的投影儀需要固定在密封的防水裝置內(nèi)，通過(guò)位于投影儀鏡頭前的透明窗口向位于水中的被測(cè)物體投射特征。由于防水裝置的使用，使得被測(cè)物體與投影儀圖像平面分別位于不同介質(zhì)中，即被測(cè)物體位于水介質(zhì)中，而投影儀圖像平面位于防水裝置內(nèi)的空氣介質(zhì)中，光線從投影儀光心經(jīng)過(guò)窗口平面進(jìn)入水介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。此時(shí)，建立在光線沿直線傳播基礎(chǔ)上的單視點(diǎn)模型已不再適用。
[0004]投影儀的投射過(guò)程與攝像機(jī)的成像過(guò)程相反，可以看做逆向的攝像機(jī)。由于折射使光線發(fā)生了折彎，用單視點(diǎn)模型描述的投影儀光心位置和實(shí)際光心位置不一致。Treibitz 等在文章 “Flat Refractive Geometry.1EEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence, 2012，34(I):51-65”分析指出，折射產(chǎn)生的畸變?nèi)Q于被測(cè)物體與攝像機(jī)之間的距離，若采用單視點(diǎn)模型或用徑向畸變模型表示這種畸變，則會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此單視點(diǎn)模型不能準(zhǔn)確描述水下投影儀投射過(guò)程。但該文只考慮了光軸與窗口平面法向向量平行時(shí)的情況，當(dāng)光軸與窗口平面法向向量不平行時(shí)，基于該文分析建立模型仍會(huì)有偏差。
[0005]從上述分析可知，由于防水裝置窗口對(duì)光線產(chǎn)生的折射效應(yīng)，以及投影儀光軸與窗口平面法向向量不平行的影響，傳統(tǒng)的投影儀單視點(diǎn)模型已不再適用。因此，研究一種適用于水下投影儀結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量傳感器的模型和標(biāo)定方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種用于水下投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器的投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化標(biāo)定方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種水下投影儀標(biāo)定方法，其特征在于該方法包含以下步驟:
[0008]1.1、調(diào)整位于水下的投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，保證攝像機(jī)在測(cè)量范圍內(nèi)能夠拍攝清晰圖像且投影儀在測(cè)量范圍內(nèi)能夠投射清晰圖像，在投影儀和已標(biāo)定攝像機(jī)的公共視場(chǎng)范圍內(nèi)，采用一附有防水靶標(biāo)的平板，同時(shí)投影儀對(duì)該平板投射另一靶標(biāo)，稱為投射靶標(biāo)，調(diào)整平板位置，直到兩個(gè)靶標(biāo)特征點(diǎn)都位于公共視場(chǎng)范圍內(nèi)；自由移動(dòng)靶標(biāo)至少三個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝含有兩個(gè)靶標(biāo)的圖像對(duì)；
[0009]1.2、提取圖像中防水靶標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)已標(biāo)定攝像機(jī)的參數(shù)，求取平板所在平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的法向向量；
[0010]1.3、提取圖像中投射靶標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，利用步驟1.2中求得的法向向量，由攝像機(jī)參數(shù)和特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，計(jì)算投射靶標(biāo)投射在平板上的對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)位于攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；
[0011]1.4、根據(jù)投射靶標(biāo)在圖像坐標(biāo)，以及步驟1.3中求得的其對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用單視點(diǎn)模型初步標(biāo)定投影儀參數(shù)以及投影儀與攝像機(jī)之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0012]1.5、使用步驟1.4中得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將步驟1.2中所求的法向向量表示在投影儀坐標(biāo)系下；
[0013]1.6、在投影儀坐標(biāo)系下，給定投影儀光心沿光軸方向到防水裝置窗口平面的距離初值，建立投影儀圖像上每個(gè)特征點(diǎn)發(fā)出的光線在防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播時(shí)光線模型，稱為入射光線；
[0014]1.7、建立折射光線的單位向量，根據(jù)幾何約束求解出尺度因子，確定折射光線長(zhǎng)度，求解投影儀坐標(biāo)系下投影靶標(biāo)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)；
[0015]1.8、將步驟1.3中計(jì)算出的三維坐標(biāo)利用步驟1.4中的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換至投影儀坐標(biāo)系下作為參考值；
[0016]1.9、給定投影儀光軸相對(duì)于窗口平面法向向量之間偏角和轉(zhuǎn)角的初值，以步驟
1.7中所述的三維坐標(biāo)與1.8所述的參考值之間的距離建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行遞歸優(yōu)化，即求得的結(jié)構(gòu)參數(shù)用于步驟1.5?1.8，直到目標(biāo)函數(shù)值滿足設(shè)定閾值，閾值根據(jù)測(cè)量精度要求設(shè)定，一般為1E-5至0.1mm。
[0017]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下投影儀標(biāo)定方法，其特征在于:
[0018]2.1、步驟1.1所述的防水靶標(biāo)為防水材質(zhì)制成的平面靶標(biāo)，固定在一平板上，防水靶標(biāo)厚度與測(cè)量距離相比可忽略不計(jì)，靶標(biāo)特征點(diǎn)為平面上的格點(diǎn)，格點(diǎn)之間距離的設(shè)計(jì)由實(shí)際測(cè)量距離和攝像機(jī)視場(chǎng)等確定，一般為10?IOOmm ;所述的投射靶標(biāo)，其格點(diǎn)之間的圖像坐標(biāo)距離根據(jù)投影儀圖像的分辨率確定，一般為10?100像素；
[0019]2.2、步驟1.1所述的防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)，在攝像機(jī)合理使濾光器件如濾光片的前提下，兩靶標(biāo)在平板上所占區(qū)域可重疊；當(dāng)平板在同一位置時(shí)，攝像機(jī)不使用濾光器件且投影儀不投射靶標(biāo)時(shí)，攝像機(jī)拍攝只得到防水靶標(biāo)圖像，當(dāng)攝像機(jī)使用濾光器件且投影儀投射靶標(biāo)時(shí)，該靶標(biāo)與防水靶標(biāo)有重疊區(qū)域，攝像機(jī)拍攝只得到投射靶標(biāo)圖像；
[0020]2.3、步驟1.1所述的拍攝含有兩個(gè)靶標(biāo)的圖像對(duì)，其特征在于，當(dāng)使用濾光器件時(shí)，每一個(gè)位置拍攝兩幅圖像，為分別含有防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)的圖像對(duì)。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0022]第一，考慮投影儀在水下作業(yè)時(shí)光線從防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播至防水裝置外的水介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，建立了投影儀光線折射模型；
[0023]第二，考慮投影儀光軸與防水裝置窗口平面法向向量不平行時(shí)的情況，以光軸相對(duì)于法向向量的偏角和轉(zhuǎn)角描述該現(xiàn)象，并通過(guò)優(yōu)化方法得出兩個(gè)角度的值；
[0024]第三，合理使用濾光器件，采用了可重疊的防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)，讓兩個(gè)靶標(biāo)能夠同時(shí)盡量占滿視場(chǎng)，提高了標(biāo)定精度。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明建立的水下投影儀光線折射模型示意圖。
[0026]圖2是水下投影儀光軸與窗口平面法向向量不平行的示意圖。
[0027]圖3是水下投影儀標(biāo)定方法流程圖。
[0028]圖4是標(biāo)定水下投影儀使用的靶標(biāo)位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明建立水下投影儀的光線折射模型，對(duì)光軸與防水裝置窗口平面法向向量存在旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了高精度的水下投影儀標(biāo)定。
[0030]圖1所示為水下投影儀光線折射模型示意圖。以投影儀光心為原點(diǎn)建立投影儀坐標(biāo)系Op-XpYpZp,原圖像坐標(biāo)系為Ou-UV, (Utl, V0)為主點(diǎn)的坐標(biāo)。以投影儀圖像上的主點(diǎn)位置為原點(diǎn)建立圖像坐標(biāo)系 o-xy,有 X = u-u0, y = V-Vqo 定義 ox | OpXp, oy |θρΥρ。χ = [χ, y]τ表示投影儀圖像平面上的一點(diǎn)的理想圖像坐標(biāo)，Xd= [xd，yd]T為實(shí)際受到鏡頭畸變影響的圖像坐標(biāo)。從投影儀圖像平面上的點(diǎn)Xd = [xd，yd]T投射出的光線，經(jīng)過(guò)防水裝置窗口平面時(shí)發(fā)生折射，記入射光線為Rin，折射光線為R。#用η =示投影儀坐標(biāo)系下窗口平面的單位法向向量，其中W1和W2分別表示投影儀光軸相對(duì)于窗口平面法向向量之間的
偏角和轉(zhuǎn)角，如圖2所示,且滿足
【權(quán)利要求】
1.一種水下投影儀標(biāo)定方法，其特征在于該方法包含以下步驟: 1.1、調(diào)整位于水下的投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，保證攝像機(jī)在測(cè)量范圍內(nèi)能夠拍攝清晰圖像且投影儀在測(cè)量范圍內(nèi)能夠投射清晰圖像，在投影儀和已標(biāo)定攝像機(jī)的公共視場(chǎng)范圍內(nèi)，采用一附有防水靶標(biāo)的平板，同時(shí)投影儀對(duì)該平板投射另一靶標(biāo)，稱為投射靶標(biāo)，調(diào)整平板位置，直到兩個(gè)靶標(biāo)特征點(diǎn)都位于公共視場(chǎng)范圍內(nèi)；自由移動(dòng)靶標(biāo)至少三個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝含有兩個(gè)靶標(biāo)的圖像對(duì)； 1.2、提取圖像中防水靶標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)已標(biāo)定攝像機(jī)的參數(shù)，求取平板所在平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的法向向量； 1.3、提取圖像中投射靶標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，利用步驟1.2中求得的法向向量，由攝像機(jī)參數(shù)和特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，計(jì)算投射靶標(biāo)投射在平板上的對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)位于攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)； 1.4、根據(jù)投射靶標(biāo)在圖像坐標(biāo)，以及步驟1.3中求得的其對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用單視點(diǎn)模型初步標(biāo)定投影儀參數(shù)以及投影儀與攝像機(jī)之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)； 1.5、使用步驟1.4中得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將步驟1.2中所求的法向向量表示在投影儀坐標(biāo)系下； 1.6、在投影儀坐標(biāo)系下，給定投影儀光心沿光軸方向到防水裝置窗口平面的距離初值，建立投影儀圖像上每個(gè)特征點(diǎn)發(fā)出的光線在防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播時(shí)光線模型，稱為入射光線； 1.7、建立折射光線的單位向量，根據(jù)幾何約束求解出尺度因子，確定折射光線長(zhǎng)度，求解投影儀坐標(biāo)系下投影靶標(biāo)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)； 1.8、將步驟1.3中計(jì)算出的三維坐標(biāo)利用步驟1.4中的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換至投影儀坐標(biāo)系下作為參考值； 1.9、給定投影儀光軸相對(duì)于窗口平面法向向量之間偏角和轉(zhuǎn)角的初值，以步驟1.7中所述的三維坐標(biāo)與1.8所述的參考值之間的距離建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行遞歸優(yōu)化，即求得的結(jié)構(gòu)參數(shù)用于步驟1.5?1.8，直到目標(biāo)函數(shù)值滿足設(shè)定閾值，閾值根據(jù)測(cè)量精度要求設(shè)定，一般為1E-5至0.1mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下投影儀標(biāo)定方法，其特征在于: 2.1、步驟1.1所述的防水靶標(biāo)為防水材質(zhì)制成的平面靶標(biāo)，固定在一平板上，防水靶標(biāo)厚度與測(cè)量距離相比可忽略不計(jì)，靶標(biāo)特征點(diǎn)為平面上的格點(diǎn)，格點(diǎn)之間距離的設(shè)計(jì)由實(shí)際測(cè)量距離和攝像機(jī)視場(chǎng)等確定，一般為10?IOOmm ;所述的投射靶標(biāo)，其格點(diǎn)之間的圖像坐標(biāo)距離根據(jù)投影儀圖像的分辨率確定，一般為10?100像素； 2.2、步驟1.1所述的防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)，在攝像機(jī)合理使濾光器件如濾光片的前提下，兩靶標(biāo)在平板上所占區(qū)域可重疊；當(dāng)平板在同一位置時(shí)，攝像機(jī)不使用濾光器件且投影儀不投射靶標(biāo)時(shí)，攝像機(jī)拍攝只得到防水靶標(biāo)圖像，當(dāng)攝像機(jī)使用濾光器件且投影儀投射靶標(biāo)時(shí)，該靶標(biāo)與防水靶標(biāo)有重疊區(qū)域，攝像機(jī)拍攝只得到投射靶標(biāo)圖像； 2.3、步驟1.1所述的拍攝含有兩個(gè)靶標(biāo)的圖像對(duì)，其特征在于，當(dāng)使用濾光器件時(shí)，每一個(gè)位置拍攝兩幅圖像，為分別含有防水靶標(biāo)和投射靶標(biāo)的圖像對(duì)。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103985121SQ201410200408
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】周富強(qiáng), 王曄昕 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)