[發明專利]一種機車輪對磨耗參數檢測的攝像機標定方法

在審

• 申請號: 201711374802.9
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108109178A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發明（設計）人: 吳開華;肖幟
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.一種機車輪對磨耗參數檢測的攝像機標定方法，其特征在于,該方法具體包括

(1)根據機車輪對磨耗參數檢測方法建立攝像機標定模型的步驟為：

①標定板的設計；

標定板來作為標定參照物；標定板的正面設計圖案由若干個大小不等的矩形框組成，都以中心十字叉為幾何中心，矩形框角邊以及邊線中心都設有十字叉，并且矩形邊框與十字叉等寬；攝像機的視場能覆蓋矩形框，標定板中心十字叉的空間位置設計為攝像機光軸與輪對的交點，即視場中心；在現場標定中，標定板垂直固定于軌道面上；

②標定板與CCD的位置關系；

標定板設于軌道上方，標定板中心十字叉中心到軌道上平面距離為m1；攝像機設于軌道下方，攝像機CCD中心到軌道上平面的距離為m2，到標定板所在的平面距離為m3，到軌道內側面的距離為m4；

根據上述兩個方面內容，并以針孔成像模型為基礎建立攝像機標定模型；建立攝像機坐標系和世界坐標系；將世界坐標系原點設置在標定板中心，攝像機光軸經過標定板中心點；

(2)由攝像機標定算法得到標定板特征點的理論圖像坐標的步驟為：

①空間點坐標與視場平面坐標的轉換；

根據攝像機標定模型，已知條件為標定板中心距CCD中心的垂直高度、標定板所在的平面與CCD中心之間的水平距離、CCD與軌道之間的水平距離，以及標定板各標定點之間的距離；

由已知條件得到CCD中心距標定板中心的物距U，空間角度在水平面上的分量，即偏角∠α，在垂直平面上的分量，即仰角∠β；

標定板上的某一特征點坐標為(x0，y0)，世界坐標系Xw軸投影到視場平面上時，其投影與視場平面x軸重合，因此在Xw軸上得點在視場平面上的投影點在x軸上；利用三角變換，得到特征點在視場平面上投影的l以及該投影與視場平面橫坐標軸的夾角θ，即可求得該特征點在視場平面的坐標(x，y)；

②視場平面坐標與像平面的轉換

假定鏡頭焦距為f，像距為v，放大率為β；特征點物距為u，根據透鏡成像公式將視場平面坐標(x，y)轉換為攝像機像平面坐標(xc，yc)；

③像平面坐標與計算機圖像坐標的轉換

像平面坐標是以物理尺寸為單位的，根據CCD像素單元尺寸大小d以及像平面幾何中心的圖像坐標(u0，v0)，將像平面坐標轉換為計算機圖像坐標(u，v)；

根據上述步驟(2)-①、(2)-②、(2)-③，若已知攝像機到標定板平面的物距以及攝像機的空間角度，則通過上述方法得到標定板平面上的特征點在CCD中的理論圖像坐標；將由理論的攝像機仰角、偏角和物距經攝像機標定算法得到的標定點上的各個特征點的圖像坐標標記在視頻采集界面上；

(3)固定安裝與圖像采集的步驟為：

①安裝CCD攝像機，固定標定板；

安裝CCD攝像機于攝像機固定架上，將CCD攝像機通過通訊接口與計算機連接，安裝標定板于標定板固定架上；

②調節CCD攝像機

打開攝像機標定程序，CCD以幀率k連續采集標定板圖像，并傳入計算機，觀察連續拍攝的圖像，調整CCD攝像機的空間角度和位置，使攝像機中心對準標定板中心，且拍攝到的標定板上的十字叉中心與在視頻采集界面上對應的理論特征點坐標重合；保存此時拍攝到的標定板圖像；

③固定CCD攝像機

固定此時的CCD攝像機；

(4)圖像特征點實際坐標求取的步驟為：

對于保存的標定板圖像按以下步驟處理

①以每個標定板特征點的理論圖像坐標為中心選取合適的區域，區域大小為W0×H0；

②區域圖像進行閾值分割，得到二值圖像；

③通過統計和搜索像素的方式得到特征點在該區域中的坐標(m0,n0)，由圖像大小W×H和區域中心點坐標(cx,cy)，可求得該點在圖像中的坐標值為(x0,y0)；

(5)攝像機位置參數計算的步驟為：在理論的攝像機位置參數上根據調節的攝像機位置在誤差區間估計一個合理的范圍，在這個范圍內的每一個攝像機位置參數的數值用攝像機標定算法進行迭代，計算得到與實際圖像特征點最為接近的一組圖像特征點坐標，其相對應的攝像機位置參數值即作為實際攝像機的位置參數；

(6)保存標定參數

將得到的攝像機仰角，偏角和物距參數保存，標定結束。