阅读说明：本技术 一种基于偏振成像的冰形三维测量方法 (Ice-shaped three-dimensional measurement method based on polarization imaging ) 是由 陈向成 陈颖 张娅荻 杨旭 罗杰 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于偏振成像的冰形三维测量方法,采用线偏振光源对各种冰形进行照明,偏振相机拍摄激光光条,旋转台架对结冰表面进行扫描；对线激光视觉传感器进行标定；对旋转台进行标定；用图像处理方法提取激光光条中心线,计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标；通过本发明的方法,为冰形在线三维测量奠定良好的理论和技术基础。(The invention provides an ice shape three-dimensional measurement method based on polarization imaging, which adopts a linearly polarized light source to illuminate various ice shapes, a polarization camera to shoot laser light bars, and a rotating platform to scan an icing surface; calibrating a line laser vision sensor; calibrating the rotating platform; extracting the central line of the laser light bar by using an image processing method, and calculating the three-dimensional coordinate of the central line of the laser light bar in a world coordinate system; by the method, a good theoretical and technical foundation is laid for ice shape online three-dimensional measurement.)

一种基于偏振成像的冰形三维测量方法

技术领域

本发明涉及光学三维测量和计算机视觉领域，尤其涉及一种基于偏振成像的冰形三维测量方法。

背景技术

飞机结冰广泛存在于飞行实践中并对飞行安全构成严重威胁，它不仅会破坏空气的平滑流动，增加飞行阻力，还会改变机翼的气动特性，引起舵面控制失效或反效。飞机不同部件上的结冰都可能会影响飞机的安全飞行。现在几乎所有的结冰研究都从测量结冰风洞中飞机表面结冰外形开始。

到目前为止，测量飞机结冰外形的方法主要有：截面轮廓法、摄影测量法、铸模法、激光线扫描法。上述方法都有其优势，但同样具有局限性。国内龚晓亮提出了一种可见激光三维扫描方法，首次测量了霜冰三维外形的连续生长和覆霜后的明冰三维外形，并且，他还利用冰在特定红外波段呈现朗伯辐射的特性，发展了一种红外激光三维扫描方法，首次测量了结冰三维外形的连续生长，但是这种测量方法本质是一种加热的方法，对于冰形的生长过程是否有影响，并未可知。

从国内外的技术发展趋势来看，光学非接触在线冰形测量是未来的发展趋势，然而目前并没有一种适用的方法可以实现冰形的在线测量。国内外学者针对激光刀切法标定精度的改进进行了大量研究，摄像机标定中标定点投影误差达到百分之一像素级，激光平面方程可以通过优化方法得到精确获取。然而，激光中心线提取误差仍制约测量精度，这是由于冰体透明度高且表面光滑，加上激光穿透能力较强，线激光投射在冰体表面，多数光线投射冰体，只有小部分光线通过冰体表面进行反射，造成采集图像激光带区域严重扩散，表现在图像上则是一个亮斑区域。因而，如何滤除散射杂光的影响是实现冰形在线测量过程中亟须要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用线偏振偏光源对各种冰形进行照明，从而进行冰形三维测量。具体包括以下步骤：

步骤1：采用线偏振偏光源对冰进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；

步骤2：线激光视觉传感器标定；

步骤3：旋转台标定；

步骤4：用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标。

其中，步骤2中，摄像机和线激光共同构成线激光视觉传感器；其工作过程如下：线激光器投射出光平面至被测物体，光平面与被测物体表面相交产生光条，光条中包含了物体的高度信息，然后摄像机记录光条图像，并传输至计算机进行分析，解算出物体高度信息。

其中，设定O_W-X_WY_WZ_W作为世界坐标系，同时作为测量坐标系；O_C-X_CY_CZ_C作为摄像机坐标系；O_u-x_uy_u表示图像坐标系，其单位为像素；π表示结构光光平面；任意取光平面上一点P，其在测量坐标系下的坐标为P_w＝[x_w,y_w,z_w]^T，在图像平面上投影点p的图像齐次坐标为p＝[u,v,1]^T，摄像机成像模型表示为：

将测量坐标系建立在摄像机坐标系上，即P_w＝P_c＝[x_c,y_c,z_c]^T，则摄像机成像模型表示为：

其中：s为比例系数；A为摄像机内参矩阵，f_u,f_v为焦距参数，u₀,v₀为主点图像坐标；同时，因为P为光平面上一点，所以还需满足如下光平面方程：

ax_w+by_w+cz_w+d＝0 (3)

其中：a，b，c，d分别为光平面方程的系数。

其中，通过标定出摄像机内参矩阵A和摄像机坐标系下的光平面方程，联立公式(2)和(3)，求解出光条中心上点P在摄像机坐标系下的三维坐标,如下所示：

其中，考虑摄像机的镜头畸变，通过张正友标定法对摄像机内参矩阵A进行标定，采用棋盘格标靶进行标定。

其中，采用棋盘格标靶对光平面方程标定包括如下四个步骤：

(1)标靶姿态获取；将设计好的标靶放置在摄像机视野内，摄像机拍摄标靶图像，提取标靶特征点，建立图像坐标和世界坐标的映射方程，求解出标靶的外部参数，即摄像机坐标系与标靶坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；

(2)光条中心提取；保持标靶姿态不变，投射线激光至标靶表面，拍摄得到光条图像，通过光条中心提取算法,得到光条中心的图像坐标；

(3)求解光条三维坐标；通过标靶姿态参数R和T，以及光条中心的图像坐标，确定光条中心在摄像机坐标系下的三维坐标；

(4)光平面求解；重复上述操作，拍摄不同姿态的标靶和光条图像，获得不同姿态下的光条中心三维坐标，这些坐标均满足光平面方程，通过最小二乘法确定光平面方程的系数。

其中，光条中心提取算法采用灰度重心法。

其中，步骤3中，摄像机和线激光固定在同一支架上，然后转台带着支架旋转，以使摄像机和线激光的相对位置不变，即光平面在摄像机坐标系下的系数是固定不变的；但是摄像机是随着支架旋转的，因此摄像机坐标系不是固定的，需要标定不同旋转角度下摄像机的姿态变化，进行旋转台标定。

其中，旋转台标定的过程包括：

转动支架过程中标靶位置固定，分别在角度1和角度2拍摄得到两幅标靶图像，根据摄像机内参标定，得到偏振相机与标靶之间的外参方程：

则角度1和角度2下偏振相机的位置关系为：

此时将不同旋转角度下摄像机坐标系统一到同一全局坐标系下。

区别于现有技术，本发明的基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用线偏振光源对各种冰形进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；对线激光视觉传感器进行标定；对旋转台进行标定；用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标；通过本发明的方法，为冰形在线三维测量奠定良好的理论和技术基础。

附图说明

图1：为本发明的方法流程图

图2：为测量系统结构框图；

图3：为线激光视觉传感器标定的示意图；

图4：为旋转标定原理示意图图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实验在3米×2米结冰风洞中进行三维冰形在线测量。主要设备包含：计算机、偏振摄像机、旋转台架、线激光器、3米×2米结冰风洞、冰块。冰块放置在结冰风洞中，为了减少风洞实验的干扰以及避免结冰风洞中低温、水汽、凝华现象对测量设备的影响，相机、激光器以及相应的光学仪器均安装在结冰风洞试验段之外，通过透光玻璃窗口进行测量。激光器和偏振相机固定在旋转台架上，保持其相对位置不变，通过旋转台架对结冰表面进行扫描，进而测量得到整个结冰冰形的三维形貌数据。在系统测量过程中，需要进行各种装置同步工作，如相机与旋转台的同步工作。本发明采用FPGA读取旋转台的旋转角度(码盘读数)，并且将其作为触发信号，传给相机，进行位置触发测量，计算机将储存对应位置的图像信息。

下面结合图1至图3介绍本发明的实施方式。图1是本发明所涉及的方法流程示意图，图2是实施该方法对应的设备结构示意图。本发明实施方式的具体步骤为：

步骤1：采用线偏振偏光源对冰进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；

步骤2：线激光视觉传感器标定；

步骤2中，摄像机和线激光共同构成线激光视觉传感器。如图3所示，其工作过程如下：线激光器投射出光平面至被测物体，光平面与被测物体表面相交产生光条，光条中包含了物体的高度信息，然后摄像机记录光条图像，并传输至计算机进行分析，解算出物体高度信息。假设O_W-X_WY_WZ_W表示世界坐标系，也是测量坐标系；O_C-X_CY_CZ_C表示摄像机坐标系；O_u-x_uy_u表示图像坐标系，其单位为像素；π表示结构光光平面。任意取光平面上一点P，其在测量坐标系下的坐标为P_w＝[x_w,y_w,z_w]^T，在图像平面上投影点p的图像齐次坐标为p＝[u,v,1]^T。

通常情况下，我们将测量坐标系建立在摄像机坐标系上，即P_w＝P_c＝[x_c,y_c,z_c]^T，则摄像机成像模型为：

其中：s为比例系数；A为摄像机内参矩阵，f_u,f_v为焦距参数，u₀,v₀为主点图像坐标。同时，因为P为光平面上一点，所以还需满足如下光平面方程：

ax_w+by_w+cz_w+d＝0 (3)

其中：a，b，c，d分别为光平面方程的系数。因此，我们只需要标定出摄像机内参矩阵A和摄像机坐标系下的光平面方程，联立上述两个公式，即可求解出光条中心上某点P在摄像机坐标系下的三维坐标,如下所示：

一般情况下，还需要考虑摄像机的镜头畸变。摄像机内参矩阵A可通过著名的张正友标定法标定得到，通常采用棋盘格标靶进行标定。光平面方程标定则通过如下四个步骤求解：

(1)标靶姿态获取。将设计好的标靶放置在摄像机视野内，摄像机拍摄标靶图像，提取标靶特征点，然后建立图像坐标和世界坐标的映射方程，即可求解出标靶的外部参数，即摄像机坐标系与标靶坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T。

(2)光条中心提取。保持标靶姿态不变，投射线激光至标靶表面，拍摄得到光条图像，通过光条中心提取算法,如灰度重心法等，得到光条中心的图像坐标。

(3)求解光条三维坐标。通过标靶姿态参数R和T，以及光条中心的图像坐标，即可确定光条中心在摄像机坐标系下的三维坐标。

(4)光平面求解。重复上述操作，拍摄不同姿态的标靶和光条图像，获得不同姿态下的光条中心三维坐标，这些坐标均满足光平面方程，通过最小二乘法即可确定光平面方程的系数。

步骤3：旋转台标定。

如图4所示，步骤3中，摄像机和线激光固定在同一支架上，然后转台带着支架旋转，因此摄像机和线激光的相对位置不变，即光平面在摄像机坐标系下的系数是固定不变的，因此不同的旋转角度，不需要重复标定光平面。但是摄像机是随着支架旋转的，因此摄像机坐标系不是固定的，因此我们需要标定不同旋转角度下摄像机的姿态变化，我们称为旋转台标定。

转动过程中标靶位置固定，我们分别在角度1和角度2拍摄得到两幅标靶图像，根据摄像机内参标定，我们可以得到偏振相机与标靶之间的外参方程：

则角度1和角度2下偏振相机的位置关系为:

这样我们就可以将不同旋转角度下摄像机坐标系统一到同一全局坐标系下。

步骤4：用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标。

区别于现有技术，本发明的基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用线偏振光源对各种冰形进行照明，偏振相机拍摄激光光条，旋转台架对结冰表面进行扫描；对线激光视觉传感器进行标定；对旋转台进行标定；用图像处理方法提取激光光条中心线，计算激光光条中心线在世界坐标体系中的三维坐标；通过本发明的方法，为冰形在线三维测量奠定良好的理论和技术基础。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本邻域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本邻域技术人员可以理解的其它实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，他们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更应包含在本发明的保护范围之内。