[發(fā)明專利]一種時(shí)-空四維聯(lián)合成像模型及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710674305.4
• 申請(qǐng)日: 2017-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN107449403B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓芳芳;朱均超;張寶峰;劉斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C11/00
• 分類號(hào): G01C11/00;G01B11/00
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 于添

本發(fā)明涉及一種時(shí)?空四維聯(lián)合成像模型，該模型是將三維空間體系下加入時(shí)間維度，建立時(shí)?空四維度成像模型，建立四維體系下的物、像點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在中心透視成像模型的基礎(chǔ)上，將空間物像關(guān)系沿時(shí)間軸展開，拓展成時(shí)?空四維成像體系，建立時(shí)?空四維聯(lián)合成像模型。本發(fā)明提出建立“時(shí)?空”四維成像模型，是在空間三維成像系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上加入時(shí)間參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)完整、合理的時(shí)?空四維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以作為未來視覺檢測(cè)技術(shù)中，基于序列圖像的攝像測(cè)量研究的一個(gè)基礎(chǔ)，因?yàn)榛诖讼到y(tǒng)，可以解決包括空間、時(shí)間、目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的任何一個(gè)參數(shù)的標(biāo)定、測(cè)量、精度分析等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器視覺范疇中的視覺檢測(cè)與視覺測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種時(shí)-空四維聯(lián)合成像模型及應(yīng)用。

背景技術(shù)

測(cè)量是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，測(cè)量的精度和效率在一定程度上決定著制造業(yè)乃至科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。隨著視覺傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，視覺測(cè)量己日臻成熟并逐漸衍生成為一種最為流行的非接觸測(cè)量方法。且隨著攝像硬件設(shè)備技術(shù)的不斷提高，各類圖像處理算法及人工智能算法的開發(fā)與完善，視覺測(cè)量的精度及速度得到了越來越多實(shí)際應(yīng)用上的首肯，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的重視和研究。

視覺測(cè)量是通過對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)拍攝的圖像進(jìn)行分析計(jì)算，測(cè)量出被測(cè)物體在三維空間中的幾何、位姿等參數(shù)。光學(xué)成像系統(tǒng)所拍攝的圖像，是空間物體通過成像系統(tǒng)在像平面上的反映，即三維空間物體在像平面上的投影。數(shù)字圖像每個(gè)像素的灰度反映了空間物體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光強(qiáng)度，而該點(diǎn)的圖像位置對(duì)應(yīng)于空間物體表面的幾何位置。實(shí)際物體位置與其在圖像上的位置的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，由成像系統(tǒng)的幾何投影模型或稱成像模型所決定。

視覺測(cè)量的基本成像模型是中心透視投影模型，或稱作針孔模型。在滿足針孔模型假設(shè)的前提下，像點(diǎn)、光心和物點(diǎn)滿足共線方程，即三點(diǎn)共線。對(duì)于單相機(jī)(單目視覺系統(tǒng))的情況，如果光心和像點(diǎn)已知，就可以確定像點(diǎn)和光心組成的唯一射線，而物點(diǎn)必然在此射線上。此時(shí)，確定的是過光心的射線相對(duì)于光軸的兩個(gè)方向或角度值，但是物點(diǎn)在此射線上的具體位置無法確定。當(dāng)使用兩臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)(雙目或多目視覺系統(tǒng))從不同的位置對(duì)同一目標(biāo)拍攝時(shí)，各個(gè)攝像機(jī)的光心和其對(duì)應(yīng)同名像點(diǎn)組成的射線應(yīng)該都通過同一空間物點(diǎn)，即各射線應(yīng)在物點(diǎn)相交。利用這個(gè)原理就可以對(duì)空間物點(diǎn)進(jìn)行交會(huì)定位，即三角視覺測(cè)量的基本原理。

因此，根據(jù)上述中心透視成像模型和三角視覺測(cè)量原理，基于單目視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平面二維目標(biāo)的幾何參數(shù)測(cè)量，基于雙目或多目視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維目標(biāo)的幾何參數(shù)測(cè)量。但無論單目還是多目視覺系統(tǒng)，目前已有的光學(xué)成像投影模型，均是致力于空間物點(diǎn)與數(shù)字圖像像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只是從三維空間上求解物-像映射關(guān)系及幾何參數(shù)的計(jì)算與測(cè)量。

隨著視覺測(cè)量的理論與應(yīng)用快速發(fā)展，僅僅從空間維度上解決物-像映射關(guān)系，已經(jīng)開始無法滿足視覺測(cè)量的應(yīng)用需求了。例如，近年來，高速視覺測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用開始逐漸增多。高速視覺測(cè)量系統(tǒng)不僅能完成目標(biāo)體常規(guī)狀態(tài)下的幾何尺寸、形狀姿態(tài)的測(cè)量，還能夠通過高速相機(jī)捕獲得到目標(biāo)體在時(shí)間瞬變時(shí)刻的狀態(tài)變化，將人眼或其它常規(guī)傳感器無法測(cè)量得到的信息，以連續(xù)圖像的形式展現(xiàn)出來。因此，高速視覺測(cè)量系統(tǒng)，在高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行姿態(tài)研究、高速運(yùn)動(dòng)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量、碰撞瞬態(tài)研究、微弱信號(hào)提取、振動(dòng)分析等方面，具有重要的研究前景和價(jià)值。

基于高速視覺測(cè)量系統(tǒng)所拍攝的序列圖像，可以觀測(cè)出目標(biāo)的發(fā)展變化狀態(tài)?？墒侨绻康那蠼獬瞿繕?biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，除了需要測(cè)量、求解空間的幾何參數(shù)，還需要求解或確定序列圖像之間的時(shí)間參數(shù)。但前述的中心透視投影成像模型，只實(shí)現(xiàn)了空間中三維物點(diǎn)對(duì)數(shù)字圖像像點(diǎn)的映射關(guān)系，并沒有時(shí)間參數(shù)的引入；為了實(shí)現(xiàn)高速視覺測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量研究，需要在空間成像模型的基礎(chǔ)上，引入時(shí)間參數(shù)。

另一方面，在視覺測(cè)量的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，外界照明光強(qiáng)度相同的情況下，相機(jī)的幀頻及曝光時(shí)長(zhǎng)的不同會(huì)造成圖像亮度及對(duì)比度的不同，圖像亮度及對(duì)比度的不同會(huì)影響相機(jī)標(biāo)定所用的靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的提取定位，從而影響成像系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定的精度，影響最終的測(cè)量精度。