[發明專利]一種河工模型試驗三維地形的量測方法

有效

• 申請號: 201210033188.0
• 申請日: 2012-02-14
• 公開（公告）號: CN102538763A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王興奎;孟震;任海濤;陳啟剛;李丹勛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C11/04
• 分類號: G01C11/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種河工模型試驗三維地形的測量方法，其特征在于，采用兩臺參數相同的數碼相機，一臺連續激光矩形點陣示蹤光斑發射裝置，以及分別與兩臺數碼相機相連的一臺計算機；所述連續激光矩形點陣示蹤光斑發射裝置由連續激光器和微調光柵所組成；該微調光柵在河工模型床面上投射出不同間距及大小的矩形點陣示蹤光斑，其中矩形點陣示蹤光斑中心點為定位點O；

該方法，包括以下步驟：

1)首先進行相機焦距f、兩相機兩焦點距離L以及相機偏角φ標定：

1-1)相機焦距f標定計算公式為：

f=a(ΔX)(y1-y2)]]>

式中，a為CCD較短一邊的邊長，y₂指相機初始拍攝垂向最大高度，y₁為相機沿其光軸軸向向后移動ΔX后所拍攝的垂向最大高度(y₁＞y₂)；

1-2)兩焦點距離L標定為：L=2L1sinβ1sinα1cos(α1+β1)]]>

式中，L₁為OB₁的長度，O為定位點，B₁為與點B在左相機成像面上具有相同像素坐標的床面上的一點，點B為在點O垂直向上y高度處的一點；角度α₁為點O與左相機焦點F₁的連線F₁O與直線F₁B₁的夾角，角度β₁為點O與點B₁的連線B₁O與直線B₁F₁的夾角，其中α₁和β₁在標定時計算出α₁＝arctan(O₁P₁/f)，β₁＝arctan(y/L₁)，O₁P₁為床面上線段OB₁在左相機像平面上的圖像長度；

1-3)相機偏角φ標定為：

φ＝α₁+β₁

式中，αX₁為直線F₁O與直線F₁B₁之間的夾角；β₁為直線B₁O與直線B₁F₁之間的夾角；

2)照相機標定完成后，在兩相機焦點中間位置垂直向下安裝連續激光矩形點陣示蹤光斑發射裝置，激光示蹤光斑中心點為定位點O，定位點O在左右兩相機像平面的成像分別為兩相機像平面的中心點O₁和O₂；左右兩相機成像面以中心點O₁和O₂為原點分別建立各自的直角坐標系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以點O為中心點建立坐標系XOY，將兩相機像平面及床面均分成四個象限，且每個象限所包含或所成像的激光示蹤斑點一一對應；

3)對床面進行拍照，分別得到左右兩相機所拍攝的系列照片；對所述系列照片進行噪聲處理、畸變處理、像素二值化及對示蹤光斑邊緣檢測的常規預處理，以及進行示蹤光斑中心坐標的計算，再對示蹤光斑進行匹配及特征提取，獲得床面上同一個示蹤光斑點P分別在左右兩相機像平面上的像素坐標P₁(m_1p，n_1p)和P₂(m_2p，n_2p)，再根據相機像素與CCD物理尺寸的轉換關系，將示蹤光斑點P在左右相機像平面上的像素坐標分別轉化為像平面上的圖像坐標P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)；

4)以左相機焦點F₁(0，0，0)為原點建立三維空間坐標系O-XYZ：F₁F₂為X軸、從點F₁向下引垂線為Z軸，過點F₁沿河床縱向方向為Y軸，根據數碼相機的標定參數f、L、φ，將床面上每個示蹤光斑點P在左右兩相機像平面上的圖像坐標P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)按轉換公式換算為空間坐標系O-XYZ中的三維空間坐標P(X_P，Y_P，Z_P)；

激光示蹤光斑圖像坐標與三維空間坐標的轉換公式為：

其中

式中，P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)分別為模型床面上激光示蹤斑點P在左右兩個像平面上的圖像坐標；f為左右相機的焦距；L為左右相機的焦點間距；φ為相機偏角；θ₁和θ₂為虛擬角度，表示模型床面上的點P在平面I上的投影點P_T與左右兩相機焦點F₁與點F₂的連線F₁P_T和F₂P_T分別與線段F₁F₂和F₂F₁的夾角，平面I為過直線F₁F₂且垂直于模型床面的平面；

5)以床面上所有激光示蹤光斑的三維空間坐標生成河工模型地形圖。