一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法
【專利摘要】一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，屬于視覺測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。由兩個(gè)攝像機(jī)（1）；傳輸導(dǎo)線（2）；計(jì)算機(jī)（3）和實(shí)驗(yàn)水槽（4）組成；兩個(gè)攝像機(jī)（1）固定在實(shí)驗(yàn)水槽（4）外側(cè)，透過玻璃水槽側(cè)壁（5）觀測(cè)水下目標(biāo)點(diǎn)（9），并通過傳輸導(dǎo)線（2）與計(jì)算機(jī)（3）連接；利用立體視覺成像時(shí)光線的幾何關(guān)系，配合系統(tǒng)定標(biāo)、坐標(biāo)系方向校正以及目標(biāo)定位等操作對(duì)畸變后的坐標(biāo)進(jìn)行校正，獲得水下目標(biāo)點(diǎn)（9）的真實(shí)位置。本發(fā)明充分考慮介質(zhì)的折射影響，并且在不添加任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下修正目標(biāo)點(diǎn)（9）的坐標(biāo)，準(zhǔn)確還原出目標(biāo)點(diǎn)（9）的真實(shí)位置。
【專利說明】一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于視覺測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到多介質(zhì)下目標(biāo)點(diǎn)的三維重建問題，特別涉及玻璃槽內(nèi)水下目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋工程模型試驗(yàn)中，往往需要對(duì)實(shí)驗(yàn)水槽中目標(biāo)物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如粒子示蹤測(cè)速分析、水下泥沙淤積實(shí)驗(yàn)以及水中網(wǎng)箱的變形分析等，因而如何高精度、快速地獲取目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)顯得尤為重要。視覺測(cè)量技術(shù)通過圖像采集分析的方式重構(gòu)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)信息，具有非接觸、精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足模型試驗(yàn)的要求。然而，目前使用視覺測(cè)量方法對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行三維重構(gòu)時(shí)，視覺系統(tǒng)與被測(cè)目標(biāo)往往都處在同一介質(zhì)環(huán)境下(如空氣)，而水槽實(shí)驗(yàn)時(shí)為了不對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，一般將視覺系統(tǒng)放置在玻璃水槽的外面，隔著玻璃觀測(cè)水中目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)，因此被測(cè)目標(biāo)與視覺系統(tǒng)之間除了空氣這一介質(zhì)外，還存在著玻璃介質(zhì)與水介質(zhì)。在這三種不同折射率介質(zhì)的作用下，目標(biāo)物原有的成像光路發(fā)生了改變，所以利用不同角度像點(diǎn)位置通過直線光路交匯的方式重構(gòu)目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。目前，針對(duì)這一問題所采取的解決方法有三種:
[0003]I)將攝像系統(tǒng)的光軸與水槽玻璃屏幕垂直，忽略折射影響。
[0004]2)在水下進(jìn)行光學(xué)定標(biāo)，將折射問題簡化為成像畸變問題。
[0005]3)在實(shí)驗(yàn)水槽中放入折射率匹配液對(duì)折射光線進(jìn)行校正。
[0006]方法I中利用垂直介質(zhì)入射的光線光路不發(fā)生改變?cè)韺?duì)接近法線方向的成像光線忽略其折射的影響。該方法的分析過程較為簡單，仍使用視覺測(cè)量的三維重構(gòu)公式，但是為了忽略折射影響而僅采用圖像中心附近的成像區(qū)域，很大程度上縮小了測(cè)量范圍，限制了該測(cè)量方法的應(yīng)用范圍。方法2雖然考慮了折射的影響，但通過修正成像畸變的方法來修正折射的影響效率較低，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)目標(biāo)物在水中的位置是不固定的，被測(cè)目標(biāo)到攝像系統(tǒng)的距離是變化的，所以介質(zhì)的厚度不同，因此若要準(zhǔn)確修正成像畸變，就需要隨著距離的變化而準(zhǔn)確地變化畸變參數(shù)，而這一過程在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中是較難做到的。另外，水下的光學(xué)定標(biāo)在深水水槽中操作也較為困難。方法3常用于忽略玻璃影響而僅考慮水介質(zhì)影響的情況下。這種方法采用了添加試劑的方法來提高測(cè)試精度，雖然在理論上可以很好解決折射影響，但是實(shí)際中很難這么操作，因?yàn)樗蹖?shí)驗(yàn)都具有一定的規(guī)模，若整個(gè)水槽進(jìn)行匹配的話則試劑用量較大，實(shí)驗(yàn)成本提高。另外，試劑的添加影響了水本身的流體力學(xué)特性，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，加大了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析難度。
[0007]綜上所述，目前還沒有一種視覺重構(gòu)技術(shù)可以很好地解決實(shí)驗(yàn)水槽中目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的獲取問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對(duì)水槽實(shí)驗(yàn)過程中介質(zhì)折射對(duì)目標(biāo)點(diǎn)重構(gòu)的影響問題，本發(fā)明將光學(xué)折射規(guī)律與視覺測(cè)量原理相結(jié)合，提出一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法。[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，由兩個(gè)攝像機(jī)；傳輸導(dǎo)線；計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)水槽組成；兩個(gè)攝像機(jī)固定在實(shí)驗(yàn)水槽外側(cè)，透過玻璃水槽側(cè)壁觀測(cè)水下目標(biāo)點(diǎn)，并通過傳輸導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)連接；令成像光線從空氣進(jìn)入水槽側(cè)壁時(shí)的折射率為Ii1，從水槽側(cè)壁進(jìn)入水的折射率為n2，水槽側(cè)壁厚度為d，左攝像機(jī)光心到水槽側(cè)壁的距離為h，左攝像機(jī)光心坐標(biāo)(Xmyc^zci);成像光線(8)從空氣到水槽側(cè)壁的入射角為α，折射角為β ;成像光線從水槽側(cè)壁入射到水中時(shí)的折射角為Y，目標(biāo)點(diǎn)P的空間坐標(biāo)為(X，y, ζ)，其對(duì)應(yīng)的重構(gòu)后的虛假點(diǎn)P’的空間坐標(biāo)為(xw, yw, zw),此時(shí)，X = xw, y = yw,而
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種視覺重建水槽內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的方法，其特征在于由兩個(gè)攝像機(jī)(I);傳輸導(dǎo)線(2 );計(jì)算機(jī)(3 )和實(shí)驗(yàn)水槽(4 )組成；兩個(gè)攝像機(jī)(I)固定在實(shí)驗(yàn)水槽(4 )外側(cè)，透過玻璃水槽側(cè)壁(5)觀測(cè)水下目標(biāo)點(diǎn)(9)，并通過傳輸導(dǎo)線(2)與計(jì)算機(jī)(3)連接；令成像光線(8)從空氣進(jìn)入水槽側(cè)壁(5)時(shí)的折射率為Ii1，從水槽側(cè)壁(5)進(jìn)入水的折射率為n2，水槽側(cè)壁(5)厚度為d，左攝像機(jī)光心到水槽側(cè)壁(5)的距離為h，左攝像機(jī)光心坐標(biāo)(X(l，Ztl)；成像光線(8)從空氣到水槽側(cè)壁(5)的入射角為α，折射角為β ;成像光線(8)從水槽側(cè)壁(5)入射到水(6)中時(shí)的折射角為Y，目標(biāo)點(diǎn)(9)Ρ的空間坐標(biāo)為(x，y，z)，其對(duì)應(yīng)的重構(gòu)后的虛假點(diǎn)(10) P’的空間坐標(biāo)為(xw, yw, Zw),此時(shí)，X = Xw, y = yw,而
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103868455SQ201410114494
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】杜海, 孟娟, 李木國 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)
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