[发明专利]一种双脉冲式泥沙运移信息的图像测量方法

摘要

一种双脉冲式泥沙运移信息的图像测量方法，属于视觉测量技术领域。两台左右放置的摄像机组成立体视觉系统；其中一台安装点阵光栅片，另一台安装负透镜；在同步控制器的时序控制下，利用点阵光栅片和负透镜脉冲激光器交替打出点阵光与体积椎光，同时利用摄像机的跨帧采集技术在较短的时间内获取不同角度的点阵图像与泥沙图像；通过第一次曝光获取的点阵图像的配对信息来预测第二次曝光泥沙图像的立体匹配位置图像,依照预设定的网格进行归一化协方差相关匹配，最后结合摄像机定标参数重构出泥沙的空间运动矢量；本发明无需停机待时，一次分析便可以得到网格节点处的空间矢量场。

主权项

一种双脉冲式泥沙运移信息的图像测量方法，其特征是由摄像机、脉冲激光器、和内插图像采集卡的PC机组成；两台左右放置的具有外控双曝光功能的工业摄像机组成立体视觉系统固定在被测地形(11)可以被观测到的地点；两台脉冲激光器配有各自的脉冲激光导光臂用于照明；其中一台安装点阵光栅片(9)，另一台安装负透镜(10)；同步控制器(2)的设置端口与PC机(1)相连，用于设置同步控制器(2)的控制参数；而同步控制器(2)的输出端子分别与摄像机A(5)、摄像机B(6)、激光器A(3)的氙灯与调Q外控端口、激光器B(4)的氙灯与调Q的外控端口相连；在同步控制器(2)的时序控制下，利用点阵光栅片(9)和负透镜(10)，两个脉冲激光器可以交替打出点阵光与体积椎光，对泥沙地形进行照明；同时利用摄像机的跨帧采集技术在较短的时间内获取不同角度的点阵图像与泥沙图像；通过第一次曝光获取的点阵图像的配对信息来预测第二次曝光泥沙图像的立体匹配位置；PC机(1)对不同时刻的图像依照预设定的网格进行归一化协方差相关匹配，从而获取左右像平面上的同名运动矢量，最后结合摄像机定标参数重构出泥沙的空间运动矢量，得到泥沙地形的运移信息；其具体方法如下：步骤一：设置同步控制器(2)的时序：首先保证摄像机A(5)的外触发时序与摄像机B(6)的外触发时序严格一致；其次控制脉冲激光器A(3)的氙灯的外触发时序与调Q外触发时序使得脉冲激光器A(3)的脉冲在摄像机A(5)第一次曝光间隔内发出，同理控制脉冲激光器B(4)的氙灯外触发时序与调Q外触发时序使得脉冲激光器B(4)的脉冲在摄像机B(6)第二次曝光间隔内发出；步骤二：左右放置两台摄像机，调整角度使得目标区域可以被观测到；调整脉冲激光器A的导光臂(7)和脉冲激光器B的导光臂(8)，使得两台激光器的照明区域均覆盖被测地形(11)；步骤三：设置两台工业摄像机为同步外控模式，使用张氏定标法进行两台摄像机的定标，完成每台摄像机的内参数与外参数的计算；步骤四：设置两台摄像机为双曝光模式；步骤五：令两台脉冲激光器发出激光脉冲之间的时间间隔为Δt，获取t₁时刻的图像，令第一次曝光的左图像为ImgL(t₁)右图像为ImgR(t₁)，而第二次曝光的左图像为ImgL(t₁+Δt)右图像为ImgR(t₁+Δt)；步骤六：分别对ImgL(t₁)和ImgR(t₁)图像进行二值化处理；然后利用重心法或曲面拟合法对图像中的光斑进行中心提取；之后，在ImgL(t₁)图像上建立一个分析窗口，使得该分析窗内包含的光斑数目不小于5个；利用极线约束，寻找分析窗口内每个光斑点在ImgR(t₁)图像上的候选匹配位置，即得到光斑点的匹配矢量集；逐一搜索每个匹配矢量集合，选择这些匹配矢量集合中最为相似的匹配矢量作为光斑点的匹配矢量，其所对应的匹配位置为图像ImgL(t₁)分析窗口内各个斑点在图像ImgR(t₁)中的对应位置；利用同样的方法将图像ImgL(t₁)中的每个斑点均在图像ImgR(t₁)中找到对应位置，并形成位置对应关系的查找表PosLut；步骤七：在ImgL(t₁+Δt)中划分网格，网格的节点为需要进行分析的位置；然后在ImgL(t₁+Δt)中逐一选择分析点P，并以分析点为中心以2×w_r+1为边长选择一方形分析区域，与此同时在PosLut查找表中查询与P点最为近邻的匹配位置P′，随后在ImgR(t₁+Δt)中的P′位置以4×w_r+1为边长选择一分析区域；接下来对这两个区域的数据进行归一化协方差相关匹配，并找出最大值的位置P″；按此过程遍历分析ImgL(t₁+Δt)上所有的网格节点，计算得到ImgR(t₁+Δt)上的对应点，并将位置对应关系记录在查找表StereoLut_1中；步骤八：获取t₂时刻的图像数据，分别记作ImgL(t₂)与ImgR(t₂)、ImgL(t₂+Δt)与ImgR(t₂+Δt)；利用步骤F与步骤G所述的方法，得到ImgL(t₂+Δt)与ImgR(t₂+Δt)之间对应关系的查找表StereoLut_2；步骤九：仍使用归一化协方差相关匹配方法在分析网格节点处，分别对ImgL(t₁+Δt)与ImgL(t₂+Δt)、ImgR(t₁+Δt)与ImgR(t₂+Δt)进行相关分析，此时t₁+Δt时刻的两幅图像中使用的分析窗口边长为2×w_r+1而t₂+Δt时刻的两幅图像中使用的分析窗口边长为2×W_r+1，其中W_r需同时满足W_r≥w_r和W_r≥4×S_max，S_max为t₁～t₂间隔内被测目标物体图像上的最大移动距离；分析结束得到ImgL(t₁+Δt)与ImgL(t₂+Δt)之间的对应关系，记录在查找表MatchLut_L中，而ImgR(t₁+Δt)与ImgR(t₂+Δt)之间的对应关系，记录在查找表MatchLut_R中；步骤十：遍历ImgL(t₁+Δt)上所有分析节点，搜索其在ImgL(t₂+Δt)以及ImgR(t₂+Δt)上的对应位置：令当前一个分析位置记作P₀，然后在MatchLut_L中查找P₀点在ImgL(t₂+Δt)的对应位置P₁，并搜索与P₁最近邻的网格节点的位置P₁′；在StereoLut_2中查找P₁′在ImgR(t₂+Δt)上的对应位置P₁″，之后将P₁′与P₁″之间的位置变化关系用于P₁点，计算得到P₁在ImgR(t₂+Δt)上的对应位置P_1Z；步骤十一：在StereoLut_1中查找P₀点在ImgR(t₁+Δt)上的对应位置P₂，同时搜索与P₂最近邻的网格节点的位置P₂′；在MatchLut_R中查找P₂′在ImgR(t₂+Δt)上的对应位置P₂″；同样将P₂′与P₂″之间的位置变化关系用于P₂点，计算得到P₂在ImgR(t₂+Δt)上的对应位置P_2Z；步骤十二：当||P_1Z‑P_2Z||＜ε_T时，认为当前分析点P₀处可以得到正确的配对结果，需要进一步计算P₀点在ImgR(t₂+Δt)上的对应位置P₃：以P_1Z点与P_2Z点之间连线的中点为中心以r为半径，要求半径r不小于P_1Z点与P_2Z点之间连线长度的一半，划定一个分析区域，记作f₃；用r/2为半径分别在P₁点与P₂点处建立分析区域，记为f₁与f₂；使用f₁与f₂分别在f₃区域遍历性进行归一化协方差相关计算，得到的相关系数矩阵，记作M₁与M₂；计算两个相关系数矩阵的乘积，记作M＝M₁·M₂；在M中寻找最大值的位置，该位置即为所求的P₃位置；步骤十三：利用摄像机定标参数对像面上的点进行三维重构：通过[P₀,P₂]对应点可以得到t₁+Δt的空间位置P_W1；通过[P₁,P₃]对应点可以得到t₂+Δt的空间位置P_W2，因此可以得到一个空间矢量使用相同的分析方法完成对ImgL(t₁+Δt)上所有节点的分析后，便可以得到从t₁+Δt时刻到t₂+Δt时刻的被测泥沙的运动演变信息。