專利名稱：一種近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)測量領(lǐng)域的方法，具體是一種應(yīng)用于標(biāo)定近紅外測量系統(tǒng)的近紅外標(biāo)定板設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
在光學(xué)測量領(lǐng)域，測量精度主要決定于測量系統(tǒng)的標(biāo)定，即測量系統(tǒng)中攝像機內(nèi)外部參數(shù)的獲取。因此，如何精確標(biāo)定攝像機一直是研究的熱點。一方面是標(biāo)定算法的不斷提高和完善。另一方面是如何設(shè)計精確的標(biāo)定板。如果標(biāo)定板不精確，即標(biāo)定的基準(zhǔn)不精確，無論標(biāo)定算法如何，都不能獲取精確的標(biāo)定結(jié)果。因此，近紅外標(biāo)定板的設(shè)計精度是影響近紅外測量系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。常見的普通光學(xué)成像系統(tǒng)的標(biāo)定板設(shè)計已經(jīng)比較完善， 如采用Dell型號為E177FPC的液晶屏生成平面標(biāo)定板的方法生成的標(biāo)定板，其液晶屏的像素尺寸為0. 264mm,每個50像素X50像素的正方形棋盤格尺寸為13. 200mm,精度達到 0. 001mm。標(biāo)定參考物的形狀、大小一致性非常好，利用此標(biāo)定板標(biāo)定的普通光學(xué)成像系統(tǒng)精度很高。由于近紅外攝像機不能夠獲取普通光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定板的紋理，無法用普通攝像機的標(biāo)定板標(biāo)定近紅外攝像機。因此，要對近紅外攝像機設(shè)計特定的標(biāo)定板。目前尚未見有一種主動近紅外標(biāo)定板設(shè)計方法的報道。因此，設(shè)計一種能夠精確標(biāo)定近紅外攝像機內(nèi)外部參數(shù)的標(biāo)定板非常有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對紅外測量系統(tǒng)標(biāo)定板設(shè)計的空缺，提出一種近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，使其實現(xiàn)對近紅外成像系統(tǒng)的高精度標(biāo)定。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，包括如下步驟(1)將貼片近紅外發(fā)光管按陣列分布固定在一塊剛性板上制作成標(biāo)定板；本發(fā)明采用波長為940nm的貼片OTR-LED按一定方式排列固定在一塊剛性板上制作成標(biāo)定板，可根據(jù)需要，設(shè)計標(biāo)定板的形狀、大小和亮度調(diào)節(jié)。(2)利用已標(biāo)定的普通攝像機測量系統(tǒng)，在其有效視場內(nèi)移動標(biāo)定板，采集一系列近紅外發(fā)光點的左、右圖像，再提取這些圖像中所有光點的亞像素坐標(biāo)，并對所有發(fā)光點進行三維坐標(biāo)重建，最后將多組發(fā)光點三維坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、平移，最終得到近紅外標(biāo)定模板。所述將多組發(fā)光點三維坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、平移是指隨機抽取一組該標(biāo)定板的發(fā)光點的三維坐標(biāo)作為模板，其他多組根據(jù)旋轉(zhuǎn)、平移，使得與模板處于同一個方向上。所述標(biāo)定板上每相鄰發(fā)光管的間距以及尺寸是由已采用液晶屏標(biāo)定的雙目視覺測量系統(tǒng)精確計算得出。所述標(biāo)定板上近紅外發(fā)光管兩端的電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)該電壓來控制發(fā)光點的亮度，使其在被標(biāo)定近紅外攝像機拍攝的圖像中得到灰度呈高斯分布的光斑。這便于精確地從圖像中獲取光斑中心點的亞像素坐標(biāo)，有利于提高標(biāo)定精 度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點本發(fā)明方法制得的標(biāo)定板的精度達0.04mm以內(nèi)，從而可以用于設(shè)計和制造精度高、使用方便和抗環(huán)境光照變化能力強的主動近紅外光源標(biāo)定板。


圖1為近紅外標(biāo)定板設(shè)計電路圖。圖2為攝像機拍攝近紅外標(biāo)定板發(fā)光點圖像，(a)為標(biāo)定板發(fā)光面被攝像機拍攝的紅外圖像；(b)為圖像(a)中灰度值作為高度的三維效果圖。圖3為液晶屏標(biāo)定普通雙目視覺系統(tǒng)示意圖，圖3(a)和圖3(b)為普通光學(xué)攝像機(左、右)拍攝的液晶屏圖像。圖4為近紅外標(biāo)定板NIR-LED坐標(biāo)及每相鄰兩點間距計算過程示意圖；圖4(al)、(a2)分別為近紅外標(biāo)定板在黑暗環(huán)境下被已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)拍攝并存入計算機中的左、右兩幀圖像；圖4(bl)、(b2)分別為圖4(a)中拍攝并存入計算機中的左、右兩幀圖像的亞像素坐標(biāo)提取效果圖；圖4 (c)為近紅外標(biāo)定板上NIR-LED三維重建后的效果圖；圖4(d)為圖4(c)中標(biāo)定板在不同位置所拍攝的一系列圖像所重建得到的三維坐標(biāo)經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)到XY平面的標(biāo)定模板圖。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和標(biāo)定板設(shè)計過程作進一步的詳細描述。本發(fā)明是一種近紅外標(biāo)定板的設(shè)計方法，采用本發(fā)明方法設(shè)計、制作的標(biāo)定板，可以精確標(biāo)定近紅外成像系統(tǒng)。該標(biāo)定板由近紅外發(fā)光貼片元件排列為4X4陣列，采用并聯(lián)連接方式組成規(guī)則、 一致性好的標(biāo)定板。在利用液晶平面顯示屏標(biāo)定方法標(biāo)定的普通光學(xué)測量系統(tǒng)中移動該標(biāo)定板，得到多組標(biāo)定板的圖像，再提取每組圖像中發(fā)光點的亞像素坐標(biāo)，最后通過普通光學(xué)雙目視覺測量系統(tǒng)計算出標(biāo)定板中每相鄰發(fā)光點之間的間距，得到高精度的標(biāo)定模板，精度達0. 04mm以內(nèi)，從而可以將該標(biāo)定板應(yīng)用于近紅外測量系統(tǒng)的高精度標(biāo)定。具體步驟如下首先，設(shè)計近紅外標(biāo)定板。為了使得NIR-LED被攝像機拍攝的圖像呈現(xiàn)清晰而且分辨率高的光點，采用貼片NIR-LED作為標(biāo)記參考物，其型號為IR19-21C-TR8，發(fā)射的光波波長為940nm，元件大小為1. 6mmX0. 8mmX0. 3mm(長X寬X高)，發(fā)光點大小為 0. 3mmX0. 3mm。采用如圖1的連接方式組成電路，制作成電路板。所設(shè)計的標(biāo)定板為4X 4陣列排列，發(fā)光管兩端的電壓相等，一致性好。其中，雙目視覺系統(tǒng)與近紅外標(biāo)定板的相對位置不變；在拍攝時，該標(biāo)定板上電(VCC = +5V)后，通過調(diào)節(jié)電路中的可調(diào)電阻R，可以調(diào)節(jié)近紅外發(fā)光管的發(fā)光亮度，使得其在攝像機拍攝視場內(nèi)所拍攝圖像上的光斑呈高斯分布如圖2所示，有利于發(fā)光點的亞像素坐標(biāo)的精確提取。其次，利用液晶屏標(biāo)定普通雙目視覺系統(tǒng)，用于精確測定標(biāo)定板中各點的三維坐標(biāo)，得到精確的近紅外標(biāo)定模板。普通雙目視覺系統(tǒng)的標(biāo)定過程如圖3所示。 采用像數(shù)尺寸為0. 264mm的彩色液晶屏(Dell_E177FPc)，每個50像素X 50像素的正方形棋盤格尺寸為13. 200mm，利用此液晶屏生成的標(biāo)定參考物的形狀、大小一致性非常好。在采集標(biāo)定參考物即棋盤格圖像用于標(biāo)定該雙目視覺系統(tǒng)之前，必須先設(shè)定液晶顯示屏所生成的標(biāo)定模板的形狀、大小、顏色和灰度；然后再把標(biāo)定模板放置在有效視場內(nèi)， 通過調(diào)節(jié)成像裝置的焦距、光圈以及顯示屏的亮度和對比度，使得雙目視覺系統(tǒng)對顯示屏的成像清晰。調(diào)節(jié)好顯示屏和成像裝置使其成像清晰后，再利用該成像系統(tǒng)拍攝并保存液晶屏顯示的棋盤格標(biāo)定參考物的左、右圖像。在拍攝圖像時，需要保證棋盤格參考物的規(guī)格在成像裝置拍攝的范圍內(nèi)，即參考物在左、右兩攝像機拍攝視場角范圍內(nèi)，拍攝的棋盤格參考物盡可能分布在整個圖像中，確保位于圖像中央，這樣有利于成像裝置的精確標(biāo)定。此外，在棋盤格模板所成的圖像上，角點必須清晰。如圖3(a)和圖3(b)所示。成像裝置拍攝其視場范圍內(nèi)的多組標(biāo)定模板的左、右圖像并保存到計算機。利用多組左、右圖像，通過算法計算標(biāo)定模板各個角點的亞像素坐標(biāo)用于系統(tǒng)標(biāo)定，最終得到該雙目視覺系統(tǒng)中攝像機的內(nèi)外參數(shù)，從而達到標(biāo)定該雙目視覺系統(tǒng)目的。最后，近紅外標(biāo)定模板的計算方法過程如圖4所示。利用上述標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)，采集近紅外發(fā)光點的左、右圖像，通過灰度加權(quán)法提取發(fā)光點的亞像素坐標(biāo)值，再利用測量系統(tǒng)進行發(fā)光點的三維坐標(biāo)重建，最后將多組發(fā)光點圖像進行旋轉(zhuǎn)、平移得到近紅外標(biāo)定模板。利用上述標(biāo)定的雙目視覺測量系統(tǒng)采集近紅外發(fā)光點的多組圖像對。在采集圖像時，通過調(diào)節(jié)攝像機的光圈以及近紅外發(fā)光電路的可調(diào)電阻，使得其在成像裝置所拍攝的視場范圍內(nèi)成像清晰，各點在圖像上的光斑大小均勻，且灰度呈高斯分布。圖像達到要求后進行拍攝并存儲于計算機中，從而得到N(N> 5)組近紅外標(biāo)定板的圖像對(如圖4(al)、 (a2)所示)。獲得近紅外標(biāo)定板的圖像后，通過閾值法求取圖像上的各個發(fā)光點的亞像素位置 (如圖4(bl)、(b2)所示)，即得到亞像素值在二維圖像上的位置坐標(biāo)。其中，黑色十字架標(biāo)識的是通過基于特征值的頂點檢測方法計算出的亞像素坐標(biāo)點，白色線框表示的是標(biāo)定板外圍4個角點的連線所圍成的區(qū)域，即在此區(qū)域內(nèi)，自動檢測發(fā)光點以及計算發(fā)光點的亞像素坐標(biāo)。接著，將多組圖像上的亞像素位置坐標(biāo)輸入到雙目視覺系統(tǒng)中進行三維坐標(biāo)的重建，得到各個發(fā)光點的三維坐標(biāo)，如圖4 (c)，在拍攝近紅外標(biāo)定板時，處于暗室條件下，雙目視覺系統(tǒng)成像裝置、近紅外標(biāo)定板本身的參數(shù)相同；標(biāo)定板在該成像裝置中的可拍攝視場范圍內(nèi)移動，成像裝置拍攝并保存9組該標(biāo)定板的各左、右兩幀圖像；利用標(biāo)定的雙目測量系統(tǒng)，通過算法重建出該標(biāo)定板在相對于成像裝置不同位置時的三維坐標(biāo)。隨機抽取一組該標(biāo)定板的4X4個發(fā)光點的三維坐標(biāo)作為模板，其他多組根據(jù)平移、旋轉(zhuǎn)，使得與模板處于同一個方向上。求取旋轉(zhuǎn)、平移矩陣的過程如下假設(shè)剛隨機抽取的模板為Pp其他處于不同位置上的標(biāo)定板圖像為Pi,那么Pi和P」的關(guān)系可表示為Pj = Rij · Pi+Tij其中Rij為3X3正交旋轉(zhuǎn)矩陣，Tij為3X1平移向量，Pi和Pj為3X16矩陣。P' i 表示Pi減去Pi中每一列的均值所得到的模板，因此得到3X3協(xié)方差矩陣H。
H = P' i · Pj' τ然后分解矩陣H得到奇異值一個3X3歸一化矩陣U，一個3X3對角矩陣Σ和歸一化矩陣V從而可以得到旋轉(zhuǎn)矩陣Rij和TijtlRij = V · Ut
Tij = U · PrRij · U · Pi最后根據(jù)求解的旋轉(zhuǎn)、平移矩陣得到近紅外標(biāo)定模板，如圖4(d)所示。該圖表示將標(biāo)定模板平移、旋轉(zhuǎn)到XY平面上。其中，P(m，n)(m= 1、2、3、4 ;n = 1、2、3、4)表示標(biāo)定板上發(fā)光點的三維坐標(biāo)點。各點的三維坐標(biāo)值如表1所示。L(m，n)和D(m，n)表示標(biāo)定模板上每兩個相鄰發(fā)光點的間距。如L(2，3)表示P(2，3)和P(2，4)兩點之間的間距，D(2，2) 表示P(2，2)和P(3，2)兩點之間的間距。標(biāo)定模板上每相鄰兩點的間距值是由其三維坐標(biāo)計算得出，再對多組相對應(yīng)的間距值求取平均，得到標(biāo)定板模板的各相鄰兩點的間距以及平均誤差。結(jié)果如表2所示。表1.近紅外標(biāo)定模板重建三維坐標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，包括如下步驟(1)將貼片近紅外發(fā)光管按陣列分布固定在一塊剛性板上制作成標(biāo)定板；(2)利用已標(biāo)定的普通攝像機測量系統(tǒng)，在其有效視場內(nèi)移動標(biāo)定板，采集一系列近紅外發(fā)光點的左、右圖像，再提取這些圖像中所有光點的亞像素坐標(biāo)，并對所有發(fā)光點進行三維坐標(biāo)重建，最后將多組發(fā)光點三維坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、平移，最終得到近紅外標(biāo)定模板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，其特征在于，所述將多組發(fā)光點三維坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、平移是指隨機抽取一組該標(biāo)定板的發(fā)光點的三維坐標(biāo)作為模板，其他多組根據(jù)旋轉(zhuǎn)、平移，使得與模板處于同一個方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，其特征在于，所述標(biāo)定板上每相鄰發(fā)光管的間距以及尺寸是由已采用液晶屏標(biāo)定的雙目視覺測量系統(tǒng)精確計算得出。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外標(biāo)定板設(shè)計方法，其特征在于，所述標(biāo)定板上近紅外發(fā)光管兩端的電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)該電壓來控制發(fā)光點的亮度，使其在被標(biāo)定近紅外攝像機拍攝的圖像中光斑灰度呈高斯分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近紅外標(biāo)定模板設(shè)計方法，包括如下步驟(1)將貼片近紅外發(fā)光管按陣列分布固定在一塊剛性板上制作成標(biāo)定板；(2)利用已標(biāo)定的普通攝像機測量系統(tǒng)，在其有效視場內(nèi)移動標(biāo)定板，采集一系列近紅外發(fā)光點的左、右圖像，再提取這些圖像中所有光點的亞像素坐標(biāo)，并對所有發(fā)光點進行三維坐標(biāo)重建，最后將多組發(fā)光點三維坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、平移，最終得到近紅外標(biāo)定模板。其平均誤差在0.04mm以內(nèi)。本發(fā)明能用于設(shè)計和制造精度高、使用方便和抗環(huán)境光照變化能力強的主動近紅外光源標(biāo)定板。
文檔編號G01J5/02GK102221409SQ201110091468
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者劉素娟, 吳效明, 楊榮騫, 溫小艷, 王志剛 申請人:華南理工大學(xué)