[发明专利]一种基于偏振成像的冰形三维测量方法

权利要求书

1.一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：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。

4.根据权利要求3所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：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：

5.根据权利要求4所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：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。

6.根据权利要求5所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：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。

7.根据权利要求6所述的一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，其特征在于：光条中心提取算法采用灰度重心法。