[發明專利]基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統與方法

在審

• 申請號: 201911426733.0
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111380481A
• 公開（公告）日: 2020-07-07
• 發明（設計）人: 徐觀;沈慧;陳熔;蘇建;張立斌;劉玉梅;戴建國;單紅梅;林慧英;李曉韜;陳芳;朱堯平
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于，所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統包括有攝像機(1)、激光投面儀(2)、二維靶標(3)、二維靶標固定座(4)、連接夾(5)與三角架(6)；

三角架(6)放置在地面上，攝像機(1)通過底部的螺紋孔與三角架(6)頂部的螺栓螺紋固定連接，二維靶標固定座(4)放置在水平地面上，二維靶標(3)底部與二維靶標固定座(4)上的凹槽緊配合固定連接，二維靶標(3)置入連接夾(5)的U形鋼板的細長凹槽中，螺栓穿入連接夾(5)和二維靶標(3)的通孔與螺母螺紋固定連接，激光投面儀(2)插入激光器連接夾(5)鋼管的內孔中，緊定螺釘旋入連接夾(5)鋼管側面的螺紋孔，緊定螺釘端部與激光投面儀(2)圓柱面接觸緊配合，激光投面儀(2)發出的激光平面與二維靶標(3)圖形所在平面共面。

2.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的攝像機(1)為裝有窄帶濾光片的廣角工業相機。

3.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的激光投面儀(2)為可發射線激光的圓柱形零件，激光投面儀(2)發出的激光波長與攝像機(1)的窄帶濾光片的帶通波長一致。

4.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的二維靶標(3)為一塊加工有通孔的矩形鋼板制成的零件，二維靶標(3)的表面粘貼有可生成共線點特征的放射狀黑白相間圖案。

5.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的二維靶標固定座(4)為鋼板加工的長方體零件，上表面加工有細長凹槽。

6.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的連接夾(5)為U形鋼板與鋼管焊接而成的零件，U形鋼板側面加工有通孔，鋼管側面加工有螺紋孔。

7.按照權利要求1所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統，其特征在于所述的三角架(6)為可調整高度的三角支架。

8.按照權利要求1至7所述的基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建系統的重建方法，其特征在于，具體步驟如下：

第一步：基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建方法的圖像采集：

攝像機(1)固定在三角架(6)上，將三角架(6)放置在地面上，激光投面儀(2)插入連接夾(5)的鋼管內孔，打開激光投面儀(2)，通過調節連接夾(5)的鋼管上的螺釘，使激光投面儀(2)投射出的激光與二維靶標(3)共面并將激光投面儀(2)固定，攝像機(1)采集一幅圖像，圖像包含二維靶標(3)以及激光投面儀(2)與車輛表面相交的激光投影點；

第二步：攝像機(1)內參數矩陣的求解：

在二維靶標(3)的每條直線上分別建立一維坐標系，直線上的線段端點Z_q，1、Z_q，2、Z_q，3表示為齊次二維矢量(0，1)^T、(a_q1，1)^T及(a_q1+a_q2，1)^T，各點在圖像平面上投影點的坐標z_q，1、z_q，2、z_q，3也可以表示為齊次二維矢量(0，1)^T、(d_q1，1)^T及(d_q1+d_q2，1)^T，則點之間的投影關系為

H_q，1Z_q，i＝z_q，i

其中，相交線對數q＝1，2...n，i＝1，2，3，至少需要兩對相交直線的五個點，通過SVD分解即可求得Z_q，1、Z_q，2、Z_q，3轉換到z_q，1、z_q，2、z_q，3的1D射影變換矩陣H_q，1；

一維坐標系下每條直線上的無窮遠點投影點坐標

其中V_∞＝(1，0)^T為一維無窮遠點，為一維坐標系下V_∞的投影點的齊次坐標；

根據直線上已知點在一維坐標系下的齊次坐標與圖像坐標系下的齊次坐標，第q條直線的斜率為

其中，(d_qi，1)^T為圖像平面上一維坐標系中投影點坐標的齊次二維矢量形式，z_q，i＝(x_q，i，y_q，i，1)^T為已知點在二維坐標系下的齊次坐標，進一步求得在圖像坐標系下的消失點投影點坐標為

其中，為消失點在一維坐標系下的齊次坐標，消失點與消影線的關系為

v_q，∞^Tw_∞＝0

其中w_∞為消影線的坐標，由全部消失點都在消影線上得

[v_1，1 v_1，2 v_2，1 v_2，2 … v_q，1 v_q，2]^Tw_∞＝0

利用SVD可求得消影線的坐標w_∞；

由圖像原點O_i向消影線的坐標w_∞做垂線，設垂足為P_v，根據直角三角形具有公共邊，可求得攝像機(1)原點O_c到該垂足的距離為

其中，P_V＝(x_v，y_v，1)^T，v_q，1＝(x_q，1，y_q，1，1)^T，v_q，2＝(x_q，2，y_q，2，1)^T，β為v_q，1O_c與v_q，2O_c之間的夾角，進一步可以根據直角三角形勾股定理計算攝像機(1)的焦距為

O_iP_v可以直接在圖像中測量得到，根據焦距及假設主點位于圖像中心的條件即可得到攝像機(1)的內參數為

其中，其中u₀和v₀是圖像在兩個垂直方向上的分辨率的一半；

第三步：攝像機(1)外參數旋轉矩陣以及平移向量的求解：

以O_c為原點，O_cv_q，1為O_cl軸、O_cv_q，2為為O_cm軸創建一個新的三維坐標系O_c-lmn，根據f_i求得的新坐標系和攝像機(1)坐標系間的旋轉矩陣為

其中，v_q，1＝(x_q，1，y_q，1，1)^T，v_q，2＝(x_q，2，y_q，2，1)^T，O_cn＝(n_x，n_y，n_z)^T為新坐標系的第三軸方向單位向量，根據O_cn＝O_cl×O_cm得到，對兩個旋轉矩陣相乘的結果進行SVD分解，把中間對角陣中的元素開方，再與兩側正交陣相乘得到最優旋轉矩陣R_OC；

在世界坐標系下選擇一條已知長度的與世界坐標系O_oX_o方向平行的線段AB，過線段一端點A的投影點a作該線段的平行線ab’，根據ΔO_CAB與ΔO_CaB’為相似三角形，可求得O_cA的范數為

再根據O_CA與O_Ca方向相同求得向量

根據求得的旋轉矩陣，得到平移向量

t_OC＝R_COO_CA

第四步：基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建方法的特征點重建：

根據圖像中采集到的激光面在車身的投影點的圖像坐標根據第一步標定過程求得的攝像機(1)內參數、旋轉矩陣和平移向量，即可得到

由激光平面π^T在二維靶標(3)坐標系下的坐標為π^T＝(0 0 1 1)^T，可得到激光平面在攝像機(1)坐標系下的坐標

再根據待重建點位于激光投面儀(2)發射的激光平面上得

其中，π_q為攝像機(1)坐標系下的激光平面，對以上兩式進行聯立可以解算激光面車身交線點在二維靶標(3)坐標系下的三維坐標；

在汽車形貌重建與檢測過程中，第四步是循環進行的步驟；

通過在攝像機(1)視野范圍內移動二維靶標(3)，即可獲得在其他位置的激光平面與汽車車身的激光交線點，從而確定在二維靶標(3)坐標系下汽車與激光面交線點的坐標，完成基于五點標識的汽車形貌單目主動視覺重建。