溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種使用數(shù)字相機(jī)開展測量過程中，溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng)，該方法包括：采集圖像數(shù)據(jù)及其過程中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)；使用圖像變形與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際變形量；根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，生成并輸出真實(shí)圖像。本發(fā)明可有效的消除使用數(shù)字相機(jī)采集到的圖像中溫度引起的變形誤差，提高圖像測量觀測精度，特別適合使用于長時(shí)間精密觀測以及戶外測量的各類工況中；還可根據(jù)溫度數(shù)據(jù)和相應(yīng)模型及算法對采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，使用者可以直接獲得不含有誤差的真實(shí)圖像。
【專利說明】溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種使用數(shù)字相機(jī)開展測量過程中， 溫度引起的圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像測量，是指利用成像設(shè)備獲得被測物的可見光影像，然后用圖像分析方法得 到被測物位置和運(yùn)動信息（包括位移、速度及加速度等）的方法，圖像測量廣泛地用于工程 精密檢測、物理及力學(xué)實(shí)驗(yàn)測量、大型工程測量、天文測量等領(lǐng)域，從而，獲得高質(zhì)量的數(shù)字 圖像便成為了圖像測量的基礎(chǔ)。
[0003] 目前，在圖像測量中，用來獲取圖像的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是高分辨數(shù)字相機(jī)（以下均 簡稱為相機(jī)）和光學(xué)鏡頭：光學(xué)鏡頭將被測物成像至相機(jī)的感光芯片上，感光芯片將光學(xué) 信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將電信號采樣為數(shù)字信號輸出為數(shù)字圖像。光學(xué) 芯片一般固定在相機(jī)的前端面板上，光學(xué)鏡頭通過接口固定在相機(jī)上。數(shù)字相機(jī)工作時(shí)，其 內(nèi)部高密度集成的電路會大量發(fā)熱，使相機(jī)自身溫度升高（這一現(xiàn)象稱為相機(jī)的自發(fā)熱）， 這種自發(fā)熱會使成像芯片溫度升高，使光電轉(zhuǎn)換過程出現(xiàn)"暗電流"，從而使圖像出現(xiàn)"熱噪 聲"，降低圖像的信噪比，增加測量的隨機(jī)誤差。現(xiàn)有技術(shù)中的一種制冷相機(jī)，可在相機(jī)工作 時(shí)對成像芯片進(jìn)行制冷，使芯片溫度不致升高，起到減小"熱噪聲"的作用。
[0004] 然而自發(fā)熱除了使圖像出現(xiàn)"熱噪聲"外，還會導(dǎo)致相機(jī)的某些器件，尤其是相機(jī) 的金屬外殼和鏡頭金屬接口的熱變形，從而引發(fā)成像平面和鏡頭光心的微小移動，最終使 得所采集的圖像出現(xiàn)虛假的"變形"。除此之外，當(dāng)進(jìn)行野外測量時(shí)，相機(jī)外殼和鏡頭接口 還會在環(huán)境溫度的影響下變形，同樣會引起圖像的虛假變形。研究結(jié)果表明，對于典型的相 機(jī)，這種溫度變化引起的圖像變形率達(dá)到10_ 5/°c量級。按自發(fā)熱導(dǎo)致升溫幅度10?20°C 換算，相機(jī)自發(fā)熱導(dǎo)致的圖像變形率可達(dá)1〇_4量級。如果再考慮環(huán)境溫度的影響，溫度變化 范圍將會更大，由此導(dǎo)致的圖像變形誤差會成倍增加。對于基于精密測量（如測量固體的 變形或熱膨脹系數(shù)）來說，這種誤差不能被忽略。但由于這種由溫度引起的誤差的起因是 相機(jī)外殼和接口的熱變形，因此制冷相機(jī)并不能消除這種誤差。
[0005] 因此，如何解決圖像測量中由溫度引起并造成的圖像誤差，便成為亟待解決的技 術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請所要解決的技術(shù)問題是提供一種在使用數(shù)字相機(jī)開展測量過程中，溫度引 起的圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng)，以解決圖像測量中由于溫度導(dǎo)致的測量精度降低 的問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┝艘环N溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法， 其特征在于，包括 ：
[0008] 采集圖像數(shù)據(jù)及其過程中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)；
[0009] 使用圖像變形與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際變形量；
[0010] 根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，生成并輸出真實(shí)圖像。
[0011] 優(yōu)選地，物理模型，進(jìn)一步包括：預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和 觀測參數(shù)。
[0012] 優(yōu)選地，所述觀測參數(shù)，進(jìn)一步為拍攝時(shí)的焦距、物距以及像距。
[0013] 為解決上述技術(shù)問題，本申請還提供了一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除系 統(tǒng)，其特征在于，該消除系統(tǒng)與圖像采集設(shè)備相耦接，該消除系統(tǒng)包括：溫度采集模塊、數(shù)據(jù) 整合模塊以及圖像校正模塊。其中，
[0014] 所述溫度采集模塊，用于接收所述圖像采集設(shè)備在采集圖像時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)及其 過程中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)整合模塊；
[0015] 所述數(shù)據(jù)整合模塊，用于接收所述溫度采集模塊發(fā)送的所述溫度數(shù)據(jù)，使用圖像 變形與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際變形量發(fā)送至所述圖像校正 模塊；
[0016] 所述圖像校正模塊，用于根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處 理，生成并輸出真實(shí)圖像。
[0017] 優(yōu)選地，物理模型，進(jìn)一步包括：預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和 觀測參數(shù)。
[0018] 優(yōu)選地，所述觀測參數(shù)，進(jìn)一步為拍攝時(shí)的焦距、物距以及像距。
[0019] 優(yōu)選地，所述溫度采集模塊，進(jìn)一步為由分別安裝在所述相機(jī)機(jī)殼和接口內(nèi)部的 至少2個(gè)溫度傳感器構(gòu)成的溫度采集模塊。
[0020] 優(yōu)選地，所述圖像校正模塊，進(jìn)一步為由CPU、GPU和/或具有數(shù)據(jù)處理功能的芯片 構(gòu)成的圖像校正模塊。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請所述的一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法和系 統(tǒng)，達(dá)到了如下效果：
[0022] 1)本申請可有效的消除使用數(shù)字相機(jī)采集到的圖像中溫度引起的變形誤差，提高 圖像測量觀測精度，特別適合使用于長時(shí)間精密觀測以及戶外測量的各類工況中；
[0023] 2)本申請可根據(jù)溫度數(shù)據(jù)和相應(yīng)模型及算法對采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，使用 者可以直接獲得不含有誤差的真實(shí)圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本申 請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0025] 圖1為本申請實(shí)施例一所述的溫度引起的圖像虛變形誤差的消除方法的流程圖；
[0026] 圖2為本申請實(shí)施例三所述溫度引起的圖像虛變形誤差的消除方法具體應(yīng)用于 測量低碳鋼壓縮彈性模量時(shí)，低碳鋼試件的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；
[0027] 圖3為本申請實(shí)施例四所述的溫度引起的圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)的各模塊 關(guān)系框圖。
[0028] 圖4為本申請實(shí)施例一、四所述的溫度引起的圖像虛變形誤差的消除方法和系統(tǒng) 的整體功能示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 如在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個(gè)組件。本說明書及權(quán)利要求并不以 名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在 通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的"包含"為一開放式用語，故應(yīng)解釋成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所 述技術(shù)問題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，"耦接"一詞在此包含任何直接及間接的電性 耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電 性耦接于所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說 明書后續(xù)描述為實(shí)施本申請的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說明本申請的一般原則為目 的，并非用以限定本申請的范圍。本申請的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0030] 以下結(jié)合附圖對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不作為對本申請的限定。
[0031] 實(shí)施例一：
[0032] 如圖1和4所示，是本申請實(shí)施例一所述溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法流 程。
[0033] 步驟101，采集圖像數(shù)據(jù)及其過程中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)。
[0034] 在本實(shí)施例中，通過數(shù)字相機(jī)采集圖像，同時(shí)同步記錄采集過程中相機(jī)機(jī)殼和接 口的溫度數(shù)據(jù)。
[0035] 步驟102,使用圖像變形與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際 變形量。
[0036] 物理模型，進(jìn)一步包括：預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和觀測參 數(shù)。對于預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和觀測參數(shù)，具體過程為：采用任意 可以獲得被測物變形的光測方法，拍攝一個(gè)不發(fā)生變形和移動的標(biāo)靶，同時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)， 之后使用所述圖像變形與溫度關(guān)系的物理模型計(jì)算得到所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系 數(shù)和觀測參數(shù)。
[0037] 對于步驟102,對于熱變形系數(shù)，不同型號的相機(jī)或圖像采集設(shè)備的機(jī)殼和接口的 材質(zhì)屬性不同，故其熱變形系數(shù)均有所不同。所述相機(jī)的熱變形系數(shù)并不能直觀地獲得，因 此在采集之前，需采用DIC方法（Digital Image Correlation,數(shù)字圖像相關(guān)）對所述熱變 形系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定（也可以選用使用者在實(shí)際測量中準(zhǔn)備使用的光測方法，但是必須可以得 到變形數(shù)據(jù)）。
[0038] 所述觀測參數(shù)，進(jìn)一步為拍攝時(shí)的焦距、物距以及像距。
[0039] 步驟103,根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，生成并輸出真 實(shí)圖像。
[0040] 對于步驟103,利用所述實(shí)際變形量，使用插值的方法對含有誤差的圖像進(jìn)行處 理，消除圖像虛變形，得到不含誤差的真實(shí)圖像。
[0041] 實(shí)施例二：
[0042] 本發(fā)明所述相機(jī)的機(jī)殼及接口的熱變形系數(shù)需通過標(biāo)定的方法獲得，標(biāo)定的方法 和過程具體如下（該標(biāo)定方法對數(shù)字相機(jī)型號無要求，具有普適性）：
[0043] 需要說明的是，對所述熱變形參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定所采用的DIC方法需要事先在被測物 上噴涂散斑點(diǎn)，之后使用數(shù)字相機(jī)采集被測物在加載過程中的變形圖像，最后通過相關(guān)運(yùn) 算對圖像進(jìn)行處理，獲得被測物的變形場。該方法是一種成熟的光學(xué)圖像測量方法，此處不 再贅述。使用者在實(shí)際測量時(shí)可直接采用準(zhǔn)備使用的光測方法。
[0044] 本實(shí)施例中，所述相機(jī)固定在一隔振臺上，以保證所述相機(jī)不發(fā)生振動，其正前方 放置一固定不動的散斑標(biāo)志板，所述散斑標(biāo)志是一種隨機(jī)分布的具有一定灰度梯度的斑點(diǎn) 物?志。
[0045] 所述相機(jī)對所述散斑標(biāo)志板進(jìn)行第一次對焦調(diào)節(jié)，在獲得清晰的散斑圖像后，記 錄此時(shí)的物距Ul和焦距，并進(jìn)一步獲得像距Vl。啟動相機(jī)進(jìn)行圖像采集，在此過程中，保 持所述散斑標(biāo)志板不發(fā)生任何移動和變形，同時(shí)，記錄相機(jī)部件的溫度數(shù)據(jù)。理論上，所述 相機(jī)拍攝固定不動的所述散斑標(biāo)志時(shí)，圖像并不會發(fā)生變形，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于所述相 機(jī)溫度變化導(dǎo)致成像器件變形（所述相機(jī)機(jī)殼的變形會引起成像靶面的移動，所述相機(jī)接 口的變形會引起鏡頭的移動），從而造成成像參數(shù)的變化，采集到的散斑圖像發(fā)生了虛擬的 變形。通過DIC方法計(jì)算得到圖像的變形量a el。
[0046] 之后，改變所述散斑標(biāo)志板與相機(jī)的距離，所述相機(jī)進(jìn)行第二次調(diào)整焦距獲得清 晰的圖像后，記錄新的物距u 2、焦距f2以及像距v2，重復(fù)上述過程得到所述圖像的變形量 αε2。根據(jù)上述參數(shù)即可獲得所述相機(jī)的機(jī)殼及接口的熱變形系數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法，其特征在于，包括： 采集圖像數(shù)據(jù)及其過程中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)； 使用圖像變形與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際變形量； 根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，生成并輸出真實(shí)圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法，其特征在于，物理模型， 進(jìn)一步包括：預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和觀測參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1中所述的溫度引起圖像虛變形誤差的消除方法，其特征在于，所述觀 測參數(shù)，進(jìn)一步為拍攝時(shí)的焦距、物距以及像距。
4. 一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)，其特征在于，該消除系統(tǒng)與圖像采集設(shè) 備相耦接，該消除系統(tǒng)包括：溫度采集模塊、數(shù)據(jù)整合模塊以及圖像校正模塊。其中， 所述溫度采集模塊，用于接收所述圖像采集設(shè)備在采集圖像時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)及其過程 中相機(jī)機(jī)殼和接口的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)整合模塊； 所述數(shù)據(jù)整合模塊，用于接收所述溫度采集模塊發(fā)送的所述溫度數(shù)據(jù)，使用圖像變形 與溫度關(guān)系的物理模型以及所述溫度數(shù)據(jù)，得到圖像實(shí)際變形量發(fā)送至所述圖像校正模 塊； 所述圖像校正模塊，用于根據(jù)所述圖像實(shí)際變形量對所述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，生 成并輸出真實(shí)圖像。
5. 如權(quán)利要求4中所述的溫度引起圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)，其特征在于，物理模 型，進(jìn)一步包括：預(yù)先標(biāo)定的所述相機(jī)機(jī)殼和接口的熱變形系數(shù)和觀測參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求4中所述的溫度引起圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)，其特征在于，所述觀 測參數(shù)，進(jìn)一步為拍攝時(shí)的焦距、物距以及像距。
7. 如權(quán)利要求4中所述的一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)，其特征在于，所 述溫度采集模塊，進(jìn)一步為由分別安裝在所述相機(jī)機(jī)殼和接口內(nèi)部的至少2個(gè)溫度傳感器 構(gòu)成的溫度采集模塊。
8. 如權(quán)利要求4中所述的一種溫度引起圖像虛變形誤差的消除系統(tǒng)，其特征在于，所 述圖像校正模塊，進(jìn)一步為由CPU、GPU和/或具有數(shù)據(jù)處理功能的芯片構(gòu)成的圖像校正模 塊。
【文檔編號】G06T5/00GK104050647SQ201410320390
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】馬沁巍, 馬少鵬, 龐家志, 王顯 申請人:北京理工大學(xué)