一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法，利用三維相機(jī)標(biāo)定模板對(duì)相機(jī)的空間位置參數(shù)和像距進(jìn)行標(biāo)定，三維相機(jī)標(biāo)定模板表面設(shè)置有多個(gè)采樣點(diǎn)和用于指示相機(jī)聚焦調(diào)節(jié)的字符圖形；具體為：1)建立世界坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系、相機(jī)成像面坐標(biāo)系之間的關(guān)系；2)相機(jī)采集標(biāo)定模板的圖像，計(jì)算采樣點(diǎn)在成像面的坐標(biāo)；3)根據(jù)采樣點(diǎn)的世界坐標(biāo)和步驟2)的成像面坐標(biāo)，利用步驟1)中的坐標(biāo)關(guān)系計(jì)算相機(jī)的空間位置參數(shù)；4)聚焦點(diǎn)在相機(jī)中的成像滿足透鏡成像公式，利用聚焦點(diǎn)的世界坐標(biāo)和成像平面坐標(biāo)求解出相機(jī)的像距。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便、標(biāo)定結(jié)果更為準(zhǔn)確，利用三維相機(jī)標(biāo)定模板對(duì)分布范圍較廣的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，相機(jī)標(biāo)定范圍廣。
【專利說(shuō)明】一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種相機(jī)參數(shù)標(biāo)定方法，特別是一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的 標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 火焰發(fā)射層析技術(shù)被日益廣泛地用于燃燒場(chǎng)診斷研究中，成為揭示燃燒過(guò)程中的 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)、研究燃燒場(chǎng)的反應(yīng)機(jī)理的重要手段。結(jié)合三維層析重建技術(shù)，可以利用多個(gè)方 向上燃燒場(chǎng)自身的光輻射圖像對(duì)燃燒場(chǎng)中不同波段的光輻射信息進(jìn)行全場(chǎng)三維定量測(cè)量， 突破空間單點(diǎn)與平面檢測(cè)的局限?；鹧姘l(fā)射層析技術(shù)的研究核心之一是構(gòu)建多方向的投影 采集裝置。隨著工業(yè)CCD相機(jī)的發(fā)展，火焰發(fā)射層析系統(tǒng)可以利用多個(gè)CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)。然 而，關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是該系統(tǒng)中多個(gè)CCD相機(jī)空間位置以及相應(yīng)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定和測(cè)量， 以實(shí)現(xiàn)精確的投影匹配與三維重建。目前的相機(jī)標(biāo)定方法基于針孔相機(jī)模型，文獻(xiàn)1 (Roger Y. Tsai,ukversatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses,，'IEEE Journal of Robotics and Automation RA-3 (4)，323-344 (1987))公開(kāi)了一種利用棋盤(pán)標(biāo)定模板對(duì)相 機(jī)的空間位置和內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法忽略了相機(jī)鏡頭的聚焦問(wèn)題，雖然對(duì)相 機(jī)的空間位置標(biāo)定精度高，但是不能很好地測(cè)量相機(jī)像距（相機(jī)鏡頭與CCD靶面之間的距 離）。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法，提高相機(jī) 空間位置以及內(nèi)部參數(shù)測(cè)量結(jié)果的精確度。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法， 利用三維相機(jī)標(biāo)定模板對(duì)相機(jī)的空間位置參數(shù)和像距進(jìn)行標(biāo)定，三維相機(jī)標(biāo)定模板表面設(shè) 置有多個(gè)采樣點(diǎn)和用于指示相機(jī)聚焦調(diào)節(jié)的字符圖形，該方法包括以下步驟：
[0005] 步驟1、建立世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和相機(jī)成像面坐標(biāo)系，確定三個(gè)坐標(biāo)系之間 的轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0006] 步驟2、采集三維相機(jī)標(biāo)定模板的圖像，確定采樣點(diǎn)在相機(jī)成像面的坐標(biāo)；
[0007] 步驟3、根據(jù)采樣點(diǎn)的世界坐標(biāo)和步驟2得到的相機(jī)成像面坐標(biāo)，利用步驟1中的 坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定相機(jī)的空間位置參數(shù)；
[0008] 步驟4、聚焦點(diǎn)在相機(jī)中的成像滿足透鏡成像公式，基于步驟3得到的空間位置參 數(shù)，利用聚焦點(diǎn)的世界坐標(biāo)和成像平面坐標(biāo)確定相機(jī)的像距。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：
[0010] 1)本發(fā)明坐標(biāo)系之間關(guān)系的建立考慮了火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中Tz尹0的特點(diǎn)，適用 于火焰發(fā)射層析系統(tǒng)；
[0011] 2)本發(fā)明考慮了相機(jī)的聚焦效應(yīng)，與傳統(tǒng)的針孔相機(jī)模型相比，測(cè)量相機(jī)像距具 有更高的精度；
[0012] 3)本發(fā)明利用三維相機(jī)標(biāo)定模板對(duì)分布范圍較廣的相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，模板表面有一 系列坐標(biāo)明確的采樣點(diǎn)，并且在模型表面引入字符圖形用于對(duì)相機(jī)的聚焦調(diào)節(jié)進(jìn)行指示， 相機(jī)標(biāo)定范圍更廣。
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】：
[0014] 圖1是本發(fā)明火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法的流程圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中坐標(biāo)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】：
[0016] 結(jié)合圖1，一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法，利用三維相機(jī)標(biāo)定模板 對(duì)相機(jī)的空間位置參數(shù)和像距進(jìn)行標(biāo)定，三維相機(jī)標(biāo)定模板表面設(shè)置有多個(gè)采樣點(diǎn)和用于 指示相機(jī)聚焦調(diào)節(jié)的字符圖形，該方法包括以下步驟：
[0017] 步驟1、建立世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和相機(jī)成像面坐標(biāo)系，確定三個(gè)坐標(biāo)系之間 的轉(zhuǎn)換關(guān)系；具體為 ：
[0018] 世界坐標(biāo)系（Xw，yw，Zw)，根據(jù)具體情況設(shè)定；
[0019] 相機(jī)成像面（X'，y'）為(XD靶面，X'軸為C⑶靶面長(zhǎng)邊反方向，/軸為C⑶靶面 短邊反方向，坐標(biāo)原點(diǎn)定義為相機(jī)CCD的中心像素點(diǎn)；
[0020] 相機(jī)坐標(biāo)系（X，y，z)，x-y平面平行于相機(jī)成像面，X軸平行于X'軸且與X'軸方 向相反，y軸平行于y'軸且與y'軸方向相反，坐標(biāo)原點(diǎn)是相機(jī)光軸與鏡頭的交點(diǎn)；
[0021] 通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T將世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系，其數(shù)學(xué)關(guān)系為：

【權(quán)利要求】
1. 一種火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法，其特征在于，利用三維相機(jī)標(biāo)定模 板對(duì)相機(jī)的空間位置參數(shù)和像距進(jìn)行標(biāo)定，三維相機(jī)標(biāo)定模板表面設(shè)置有多個(gè)采樣點(diǎn)和用 于指示相機(jī)聚焦調(diào)節(jié)的字符圖形，該方法包括以下步驟： 步驟1、建立世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和相機(jī)成像面坐標(biāo)系，確定三個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn) 換關(guān)系； 步驟2、采集三維相機(jī)標(biāo)定模板的圖像，確定采樣點(diǎn)在相機(jī)成像面的坐標(biāo)； 步驟3、根據(jù)采樣點(diǎn)的世界坐標(biāo)和步驟2得到的相機(jī)成像面坐標(biāo)，利用步驟1中的坐標(biāo) 之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定相機(jī)的空間位置參數(shù)； 步驟4、聚焦點(diǎn)在相機(jī)中的成像滿足透鏡成像公式，基于步驟3得到的空間位置參數(shù)， 利用聚焦點(diǎn)的世界坐標(biāo)和相機(jī)成像面坐標(biāo)確定相機(jī)的像距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多方向火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中的相機(jī)標(biāo)定方法，步驟1中所述 建立世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和相機(jī)成像面坐標(biāo)系，確定三個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系具體 為： 世界坐標(biāo)系（xw, yw, zw); 相機(jī)成像面（x'，y'）為C⑶靶面，x'軸為C⑶靶面長(zhǎng)邊反方向，/軸為C⑶靶面短邊 反方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為相機(jī)CCD的中心像素點(diǎn)； 相機(jī)坐標(biāo)系（x，y，z)，x-y平面平行于相機(jī)成像面，x軸平行于X'軸且與X'軸方向相 反，y軸平行于y'軸且與y'軸方向相反，坐標(biāo)原點(diǎn)為相機(jī)光軸與鏡頭的交點(diǎn)； 通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T將世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

物點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)（xw，yw，zw)與其在相機(jī)成像面上成像點(diǎn)坐標(biāo)（x'，y'） 滿足方程（4)所述關(guān)系。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多方向火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中的相機(jī)標(biāo)定方法，步驟2所述采 集三維相機(jī)標(biāo)定模板的圖像，確定采樣點(diǎn)在相機(jī)成像面的坐標(biāo)具體為： 相機(jī)采集標(biāo)定模板的圖像，選取標(biāo)定模板上不共面的N個(gè)采樣點(diǎn)，N3 6,采樣點(diǎn)在世界 坐標(biāo)系中的位置（xwi, ywi, zwi), i = 1，2,…N,通過(guò)求圓點(diǎn)重心法確定采樣點(diǎn)在相機(jī)成像面的 坐標(biāo)（X' i, y' D , i = 1, 2,…N。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多方向火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中的相機(jī)標(biāo)定方法，步驟3中所述 確定相機(jī)的空間位置參數(shù)具體過(guò)程為： 對(duì)于N個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)式（4)得到2N個(gè)線性方程，方程組用矩陣形式表示為 B2NX11Y11X1 一 b2Nxi (5) 其中
貝丨J可得 r! = y (1) ? a, r2 = y (2) ? a, r3 = y (3) ? a, r4 = y (5) ? a, r5 = y (6) ? a, r6 = y (7) ? a, Tx = y (4) ? a, Ty = y (8) ? a ;根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的右旋正交特性得到r7、r8和r9。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多方向火焰發(fā)射層析系統(tǒng)中的相機(jī)標(biāo)定方法，步驟4中所述 利用聚焦點(diǎn)的世界坐標(biāo)和相機(jī)成像面坐標(biāo)確定相機(jī)的像距具體過(guò)程為： 相機(jī)被預(yù)先調(diào)節(jié)至聚焦于一點(diǎn)（Xwf, ywf, zwf)，該聚焦點(diǎn)在相機(jī)成像面上像點(diǎn)的位置為 (x' f，y' f)，在相機(jī)成像系統(tǒng)中聚焦點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)滿足透鏡成像方程
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104346813SQ201410593206
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】王佳, 宋旸, 李振華, 賀安之 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)