[发明专利]具有相机运动校正和参考系构建的立体DIC方法及系统

说明书

本发明公开了一种具有相机运动校正和参考系构建的立体DIC方法及系统。首先立体相机采集标靶与待测物体图像记为参考图像，计算立体相机的内外参；接着识别和定位参考图像中标靶的所有编码点；再构建参考坐标系，进而获得世界坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵；接着基于编码点和透视变换模型对立体相机进行运动校正，获得立体相机的运动模型参数；最后利用运动模型参数移除兴趣点的测量像素坐标中由相机运动引起的全局运动，进而获得兴趣点在参考坐标系下的3D坐标。本发明可提高stereo‑DIC技术在户外测量、大视场测量等不可控测量环境的适应能力。相较于传统方法，本发明具有更高的灵活性、实用性和鲁棒性。

技术领域

本发明属于光电检测领域的一种stereo-DIC测量方法，特别是涉及一种具有相机运动校正和参考系构建的stereo-DIC测量方法及系统。

背景技术

Stereo-DIC技术使用两个相机从不同的角度获取被测结构图像，利用图像匹配算法追踪物体表面的自然纹理实现物体表面的3D变形测量。因其具有非接触、多点测量、实时测量、自动化程度高以及可视化等优点，在实验室已经被广泛地应用于机器人视觉、医学成像、航空航天以及工业检测等领域。

通常，stereo-DIC的关键技术主要包括参数标定、兴趣点定位、应变场计算等。近年来，随着该技术被扩展应用至严苛的测试环境，例如户外测试、高温测试、振动测试及水下测试等，使得该技术面临一系列新的挑战。其中，由风荷载和地面不稳定等因素引起的相机运动会导致已标定的外部参数失效。因此，如何消除由相机姿态变化引起的测量误差是必需要考虑的。此外，由于stereo-DIC的世界坐标系默认被建立在左相机上，以至于系统测量的三维位移分量无法反映被测结构的真实面内和离面变形。又由于被测结构通常缺乏可以利用的标记，因此建立与被测结构设计坐标系一致的参考坐标系是非常困难的。目前，通常分步执行相机运动校正和参考坐标系构建，例如，通过在相机上固连惯性导航单元或角度传感器等辅助设备校正相机运动，在视场中安装人工标靶构建参考坐标系。这种方法具有操作复杂、成本高及计算量大等不足。

理论上，DIC方法通过把数字图像中的像素运动转化为实际位移，像素运动可分为全局运动和局部运动。其中，全局运动是由相机运动引起的图像平移或/和旋转，局部运动是由场景内物体的变形引起的。为了精确地测量局部运动，需要将全局运动从测量的像素运动中移除。而目前全局运动的移除较困难，没有较好的方法。

发明内容

本发明针对Stereo-DIC技术在不可控测试环境下面临的相机运动校正和参考坐标系构建等挑战，提出了一种具有相机运动校正和参考系构建的stereo-DIC测量方法及系统。首先，为了实现精确的兴趣点面内外3D变形测量，利用U型标靶上的3个编码点建立一个参考坐标系，并估计世界坐标系(默认与左相机坐标系对齐)与参考坐标系的变换关系；然后，为了校正测量过程中相机运动引起的测量误差，利用透视变换模型和6个编码点计算与每一帧图像对应的相机运动参数，进而从测量的兴趣点的像素运动中消除全局运动。

本发明的技术方案如下：

一、一种具有相机运动校正和参考系构建的立体DIC方法

步骤1：获取Stereo-DIC系统中立体相机的内参，在立体相机的视场中放置标靶，待测物体放置在标靶的中部，立体相机采集标靶与待测物体图像记为参考图像，根据参考图像确定立体相机的外参；

步骤2：识别和定位参考图像中标靶的所有编码点；

步骤3：基于立体相机的内参和外参确定步骤2中定位获得的编码点在世界坐标系的3D坐标，再基于编码点在世界坐标系的3D坐标构建参考坐标系，进而获得世界坐标系与参考坐标系之间的变换矩阵；

步骤4：立体相机采集一组标靶与待测物体图像记为待校正图像序列，识别并定位待校正图像序列中的所有编码点，基于编码点和透视变换模型对立体相机进行运动校正，获得立体相机的运动模型参数；