[发明专利]一种机车轮对磨耗参数检测的摄像机标定方法

权利要求书

1.一种机车轮对磨耗参数检测的摄像机标定方法，其特征在于,该方法具体包括

(1)根据机车轮对磨耗参数检测方法建立摄像机标定模型的步骤为：

①标定板的设计；

标定板来作为标定参照物；标定板的正面设计图案由若干个大小不等的矩形框组成，都以中心十字叉为几何中心，矩形框角边以及边线中心都设有十字叉，并且矩形边框与十字叉等宽；摄像机的视场能覆盖矩形框，标定板中心十字叉的空间位置设计为摄像机光轴与轮对的交点，即视场中心；在现场标定中，标定板垂直固定于轨道面上；

②标定板与CCD的位置关系；

标定板设于轨道上方，标定板中心十字叉中心到轨道上平面距离为m1；摄像机设于轨道下方，摄像机CCD中心到轨道上平面的距离为m2，到标定板所在的平面距离为m3，到轨道内侧面的距离为m4；

根据上述两个方面内容，并以针孔成像模型为基础建立摄像机标定模型；建立摄像机坐标系和世界坐标系；将世界坐标系原点设置在标定板中心，摄像机光轴经过标定板中心点；

(2)由摄像机标定算法得到标定板特征点的理论图像坐标的步骤为：

①空间点坐标与视场平面坐标的转换；

根据摄像机标定模型，已知条件为标定板中心距CCD中心的垂直高度、标定板所在的平面与CCD中心之间的水平距离、CCD与轨道之间的水平距离，以及标定板各标定点之间的距离；

由已知条件得到CCD中心距标定板中心的物距U，空间角度在水平面上的分量，即偏角∠α，在垂直平面上的分量，即仰角∠β；

标定板上的某一特征点坐标为(x0，y0)，世界坐标系Xw轴投影到视场平面上时，其投影与视场平面x轴重合，因此在Xw轴上得点在视场平面上的投影点在x轴上；利用三角变换，得到特征点在视场平面上投影的l以及该投影与视场平面横坐标轴的夹角θ，即可求得该特征点在视场平面的坐标(x，y)；

②视场平面坐标与像平面的转换

假定镜头焦距为f，像距为v，放大率为β；特征点物距为u，根据透镜成像公式将视场平面坐标(x，y)转换为摄像机像平面坐标(xc，yc)；

③像平面坐标与计算机图像坐标的转换

像平面坐标是以物理尺寸为单位的，根据CCD像素单元尺寸大小d以及像平面几何中心的图像坐标(u0，v0)，将像平面坐标转换为计算机图像坐标(u，v)；

根据上述步骤(2)-①、(2)-②、(2)-③，若已知摄像机到标定板平面的物距以及摄像机的空间角度，则通过上述方法得到标定板平面上的特征点在CCD中的理论图像坐标；将由理论的摄像机仰角、偏角和物距经摄像机标定算法得到的标定点上的各个特征点的图像坐标标记在视频采集界面上；

(3)固定安装与图像采集的步骤为：

①安装CCD摄像机，固定标定板；

安装CCD摄像机于摄像机固定架上，将CCD摄像机通过通讯接口与计算机连接，安装标定板于标定板固定架上；

②调节CCD摄像机

打开摄像机标定程序，CCD以帧率k连续采集标定板图像，并传入计算机，观察连续拍摄的图像，调整CCD摄像机的空间角度和位置，使摄像机中心对准标定板中心，且拍摄到的标定板上的十字叉中心与在视频采集界面上对应的理论特征点坐标重合；保存此时拍摄到的标定板图像；

③固定CCD摄像机

固定此时的CCD摄像机；

(4)图像特征点实际坐标求取的步骤为：

对于保存的标定板图像按以下步骤处理

①以每个标定板特征点的理论图像坐标为中心选取合适的区域，区域大小为W0×H0；

②区域图像进行阈值分割，得到二值图像；

③通过统计和搜索像素的方式得到特征点在该区域中的坐标(m0,n0)，由图像大小W×H和区域中心点坐标(cx,cy)，可求得该点在图像中的坐标值为(x0,y0)；

(5)摄像机位置参数计算的步骤为：在理论的摄像机位置参数上根据调节的摄像机位置在误差区间估计一个合理的范围，在这个范围内的每一个摄像机位置参数的数值用摄像机标定算法进行迭代，计算得到与实际图像特征点最为接近的一组图像特征点坐标，其相对应的摄像机位置参数值即作为实际摄像机的位置参数；

(6)保存标定参数

将得到的摄像机仰角，偏角和物距参数保存，标定结束。