[發(fā)明專利]一種基于圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210019857.9
• 申請日: 2012-01-20
• 公開（公告）號: CN102609983A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉陳;劉輝龍;劉德明
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 周發(fā)軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，適用于對空間中的自由曲線狀物體進(jìn)行空間定位并進(jìn)行三維重建。

背景技術(shù)

雷電產(chǎn)生巨大的破壞作用，而且目前人類還無法控制和阻止它的產(chǎn)生。雷電災(zāi)害被聯(lián)合國有關(guān)部門列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”。

雷電探測設(shè)備主要是利用閃電回?fù)糨椛涞穆暋⒐狻㈦姶艌鎏匦詠磉b測閃電回?fù)舴烹妳?shù)，因此在探測技術(shù)上，雷電監(jiān)測定位方法可分為聲學(xué)法、光學(xué)法和電磁場法。地基和空基雷電探測的目的是確定雷電的空間發(fā)生位置及主要特征參數(shù)，為雷電定位和預(yù)測提供數(shù)據(jù)，并不能提供雷電物理基礎(chǔ)研究所需要的雷電產(chǎn)生、發(fā)展過程信息。自然雷電的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性和瞬時性，只有通過加深對雷電放電時空演變特征、復(fù)雜形態(tài)的認(rèn)識，才能揭示閃電放電的發(fā)生發(fā)展過程。

目前雷電定位主要采用VLF和LF進(jìn)行云閃及地閃的定位，用于監(jiān)測閃電發(fā)生的區(qū)域，難以獲得閃電的發(fā)生、發(fā)展過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的是提供一種一整套的基于圖像及立體視覺的閃電三維圖像重建方法，可通過同一時刻不同地點(diǎn)獲得的多幅閃電圖像獲取閃電的三維空間信息，為研究閃電的產(chǎn)生、發(fā)展過程提供信息。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思在于如何實(shí)現(xiàn)相距較遠(yuǎn)的兩臺或多臺攝像機(jī)的完整標(biāo)定方法，從背景復(fù)雜的圖像中分割出閃電部分，和如何實(shí)現(xiàn)對這些攝像機(jī)拍攝的閃電圖片的匹配，并且利用立體視覺系統(tǒng)計(jì)算出空間點(diǎn)的坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)三維立體定位。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了完整的解決方案，包括以下步驟：

S1：對兩臺或多臺相機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一世界坐標(biāo)系的標(biāo)定，求出每臺相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣和每臺相機(jī)相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；

S2：用兩臺或多臺相機(jī)同時拍下天空中閃電的圖像；

S3：去除圖像中背景信息，得到閃電部分，對閃電部分的雙輪廓抽取出只包含一個像素的中心曲線，作為最終的輪廓曲線；

S4：對閃電輪廓利用極線約束和斜率互相關(guān)進(jìn)行圖像匹配；

S5：利用雙目立體視覺測量數(shù)學(xué)模型求出空間三維點(diǎn)的坐標(biāo)。

所述相機(jī)標(biāo)定包括，將靶標(biāo)鉛直放置于相機(jī)前方，以其中一臺相機(jī)所在地建立世界坐標(biāo)系，其它相機(jī)所在地放置靶標(biāo)的位置建立相應(yīng)的偽世界坐標(biāo)系；世界坐標(biāo)系和偽世界坐標(biāo)系均以水平面為基準(zhǔn)，且其X軸、Y軸、Z軸的朝向完全相同。

所述閃電輪廓抽取包括，對圖像灰度用K均值聚類法將圖像分割成1，2，..，n層圖像，第n層為閃電的部分；同時對傳統(tǒng)的K均值聚類法進(jìn)行改進(jìn)：考慮第n-1層中每個點(diǎn)對聚類貢獻(xiàn)的權(quán)重，設(shè)定權(quán)重閾值，取出權(quán)重大于閾值的點(diǎn)；第n-1層圖像中，圖像矩陣(i，j)處的點(diǎn)的權(quán)重d(i，j)的定義如下：

d(i,j)=1I(i,j)-Cn-1]]>

其中，C_n-1為第n-1層聚類中心的灰度值，I(i，j)為圖像矩陣(i，j)處的灰度值。

所述閃電輪廓抽取還包括：利用差分算子計(jì)算圖像的橫向梯f₁(i，j)和縱向梯度f₂(i，j)；在每一行中，對單獨(dú)這一行的所有的像素的梯度值構(gòu)成的離散序列求出其中梯度為極值的像素；若這一行中兩個極值像素點(diǎn)滿足下列條件：列號小的像素是極大值，列號大的像素是極小值，并且兩個像素之間沒有其他極值點(diǎn)；則這兩個極值像素點(diǎn)之間的所有像素均為閃電點(diǎn)；在每一列中，對單獨(dú)這一列的所有的像素的梯度構(gòu)成的離散序列求出其中梯度為極值的像素；若這一列中兩個極值像素點(diǎn)滿足下列條件：行號小的像素是極大值，行號大的像素是極小值，并且兩個像素之間沒有其他極值點(diǎn)；則這兩個極值像素點(diǎn)之間的所有像素均為閃電點(diǎn)；對得到的閃電部分，抽取出閃電部分的雙輪廓中心曲線，得到每幅圖像中用輪廓曲線序列點(diǎn)E(m，k)表示的點(diǎn)；