高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法技术

本发明专利技术提供一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，通过载有滤光片的双相机拍摄高温物体表面，获得图像数据；利用软件同步触发温度数据采集模块，控制规律分布在物体和相机之间的热电偶传感器采集空间场温度信息，建立实时的三维温度场分布；根据大气折射计算方法建立空间折射率场，结合光线传播计算得到高温环境下选择波段的折射成像偏差；依据实际成像点进行算法重建，获得客观物点偏差，实现坐标补偿；依据多个谱段补偿校正后的图像，采用图像处理技术进行融合处理，最终获得清晰图像。本发明专利技术通过分光式彩色双目相机和热电偶的使用实现高温测量中折射偏差补偿，方法简单，可应用于工程现场下的高温物体的实时高精度测量。

Imaging compensation method considering refraction deviation in high temperature binocular stereo vision measurement

The present invention provides imaging compensation method for refractive errors considering stereo vision measurement of a high temperature high temperature surfaces by shooting binocular, dual camera with filters, to obtain image data; using the software synchronous temperature data acquisition module, control thermocouple sensor acquisition spatial distribution regularity between the object and the camera field temperature information, establish the three-dimensional temperature field the distribution of real time; according to the calculation of atmospheric refraction method to establish space refractive index field, calculated under the high temperature environment of refraction imaging deviation band selection algorithm combined with ray propagation; reconstruction on the basis of the actual image point, obtain objective point coordinate deviation compensation; based on image multiple spectral correction after the fusion image by processing technology, finally get a clear image. The invention realizes the refraction deviation compensation in high temperature measurement by the use of the split type color binocular camera and thermocouple. The method is simple, and can be applied to the real-time high-precision measurement of the high-temperature object in the engineering field.

【技术实现步骤摘要】
高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法
本专利技术属于高温物体几何量测量
，具体涉及基于高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法。
技术介绍
在航空航天、汽车制造等机械工业领域，高温构件的测量对指导设计、生产工艺和提高制造效率等方面具有重要的科学意义和经济价值。以航空发动机为例，航空发动机在试车运行状态下外机匣表面温度达到400℃，发动机叶片表面温度甚至高达1000℃。采用传统的接触式电测法会由于高温导致传感器失效而无法进行长时间动态测试数据采集，同时也存在测量不准确、效率低下、空间分辨率低等局限性随着高速CCD技术发展，基于机器视觉的非接触测试方法以其非接触、快速、高精度等优势已经广泛用于工业领域内的高温测量。然而，在高温环境下，由于被测物体的自身的热辐射引起周围温度过高致使传输介质不均匀，且表面温度及周围的温度场分布会随着时间动态变化导致成像折射率发生非线性改变，以及发光和烟雾干扰等因素干扰，无法在可见光的感光波长范围内，对物体进行稳定成像，从而使得测量结果难以准确反映高温物体的真实信息。现有技术中的图像补偿方法，一般只适用于图像质量的提高，不能消除温度梯度变化下的光线的折射偏折；也有图像补偿方法采用彩色CCD相机拍摄物体表面，利用蓝光信息用来计算三维变形，同步利用红光和绿光信息结合标定的基准温度计算物体表面温度，但该方法测量温度仅限于物体表面，同样不适用于全场温度变化下的成像测量。因此，高温物体的双目立体视觉测量，亟需一种针对变温度场下成像光线折射的实时有效的补偿方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本专利技术提供一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，包括如下步骤：相机标定步骤：利用两个彩色CCD相机拍摄被测物体表面图像，利用相机标定程序获得相机内外参数，根据图像处理技术获得常温下被测物体表面的三维坐标；数据采集步骤：实时获取相机拍摄的图像数据，同时通过布置在被测物体表面以及空间场内的若干热电偶传感器同步采集被测物体表面以及空间场内的温度数据；温度场分布模型建立步骤：根据实时采集的温度数据，利用有限元软件模拟建立被测物体到相机空间范围的温度场分布模型；折射率场分布模型建立步骤：根据大气折射率公式确定被测物体表面到相机靶面空间折射率场的非线性分布与温度场的非线性分布之间的对应关系，建立空间折射率场的分布模型；像素坐标偏差计算步骤：根据折射率场的非线性分布和几何光学理论计算在相机成像光谱下被测物体表面P点经过空间折射率场在相机靶面上成像点的像素坐标；同时计算出常温条件下被测物体表面P点在相机靶面上成像点的像素坐标；据此计算高温与常温下物点成像点的像素坐标偏差；图像补偿步骤：依据常温下获取的图像信息对高温环境下获取的图像信息运用图像几何校正方法进行图像坐标补偿，根据不同成像光谱下的被测物体成像差异信息对不同通道的校正图像进行融合，得到温度补偿后的客观被测目标图像；三维坐标重建步骤：根据温度补偿后的客观被测目标图像，运用双目视觉重建相关算法，重建被测物体表面的三维坐标。作为优化的技术方案，相机选用分光式彩色CCD相机，通过分光棱镜将光线分成R、G、B三个成像光谱通道，获取的图像数据包括R、G、B三个成像通道对应的通道图像。作为优化的技术方案，温度场分布模型建立步骤具体为：根据设置在被测物体表面的热电偶传感器实时采集的温度数据添加初始值，建立初始的温度场分布模型；模拟被测物体表面到相机靶面的空间温度分布，结合空间场中布置的其他热电偶采集的温度数据作为新的约束条件，不断修正完善温度场分布模型，最终获得被测物体表面及其周围空间场准确的非线性温度场分布模型。作为优化的技术方案，在折射率场分布模型建立步骤中，根据大气折射率公式确定被测物体表面到相机靶面空间折射率场的非线性分布与温度场的非线性分布之间的对应关系通过公式(1)建立：其中，n为折射率，p为气体压强，T为热力学温度，λ为光线波长，e为水汽压。作为优化的技术方案，在像素坐标偏差计算步骤中，计算在相机成像光谱下被测物体表面P点经过空间折射率场在相机靶面上成像点的像素坐标的方法具体为：采用snell折射定理进行计算，如公式(2)和(3)所示：n1sinθ′1＝n2sinθ2(2)n2sinθ′2＝n3sinθ3(3)其中，n1为非线性分布的温度场区域一层的折射率，θ′1为光线从温度场区域一层进入区域二层的入射角，θ2为光线从温度区域一层进入区域二层的出射角，n2为非线性分布温度场区域二层的折射率，θ′2为光线从温度区域二层进入区域三层的入射角，n3为非线性分布温度场区域三层的折射率，θ3光线从温度区域二层进入区域三层的出射角；根据被测物体表面P点坐标位置，空间场中折射率分布和温度场区域一层进入区域二层入射角θ′1，由(1)、(2)式原理采用迭代算法计算出相机成像光谱下被测物体表面P点经过空间折射率场在相机靶面上成像点的像素坐标A′l(ul,vl)，A'r(ur,vr)。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过控制相机和热电偶传感器的同步测量，获得温度引起的光线折射偏折带来的测量误差，利用几何校正和图像融合来实现实时温度场下的高温物体的成像补偿，能够有效提升高温物体测量的准确性。附图说明图1为本专利技术高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法的总流程图。图2为本专利技术使用的高温双目立体视觉测量系统的结构示意图。图3为本专利技术成像补偿方法的原理示意图。图4为本专利技术成像补偿方法的分析示意图。图5为被测物体到相机靶面的同心球形空间温度场分布示意图。图6为不同距离下的仿真模型中与实测航模发动机机匣部位半径的示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：第一相机1，热电偶传感器2，相机支架3，热电偶安装支架4，被测物体5，热电偶采集模块6，数据处理器7，图像采集卡8，第二相机9。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：本实施例提供一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，该成像补偿方法基于高温双目立体视觉测量系统的硬件环境实现，高温双目立体视觉测量系统的结构示意图如图2所示。如图1所示，高温双目立体视觉测量系统包括一测量区域，被测物体5放置在测量区域内的底部；测量区域的顶部安装有两个CCD彩色相机即第一相机1和第二相机9，通常是通过相机支架3进行固定，分别设置在被测物体5上方的左右两侧，两个相机镜头均对准被测物体5。测量区域内均布有多个热电偶传感器2，可以是铠装K型热电偶，测量温度范围为0到800摄氏度，图中示出了15个，分为两列，从第一相机1和第二相机9分别向被测物体5的位置延伸，根据先密后疏的非等间距对称原则布置在高温物体表面到相机的空间场中，同时在被测物体表面上另外布置一个热电偶传感器2直接采集物体表面温度信息。但不限于此，可以根据实际需要调整热电偶传感器2的数量和安装位置。一般情况下热电偶传感器2通过热电偶安装支架4进行固定。第一相机1和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：相机标定步骤：利用两个彩色CCD相机拍摄被测物体表面图像，利用相机标定程序获得相机内外参数，根据图像处理技术获得常温下被测物体表面的三维坐标；数据采集步骤：实时获取相机拍摄的图像数据，同时通过布置在被测物体表面以及空间场内的若干热电偶传感器同步采集所述被测物体表面以及空间场内的温度数据；温度场分布模型建立步骤：根据实时采集的所述温度数据，利用有限元软件模拟建立所述被测物体到所述相机空间范围的温度场分布模型；折射率场分布模型建立步骤：根据大气折射率公式确定所述被测物体表面到所述相机靶面空间折射率场的非线性分布与温度场的非线性分布之间的对应关系，建立空间折射率场的分布模型；像素坐标偏差计算步骤：根据折射率场的非线性分布和几何光学理论计算在所述相机成像光谱下所述被测物体表面P点经过空间折射率场在所述相机靶面上成像点的像素坐标；同时计算出常温条件下所述被测物体表面P点在所述相机靶面上成像点的像素坐标；据此计算高温与常温下物点成像点的像素坐标偏差；图像补偿步骤：依据常温下获取的图像信息对高温环境下获取的图像信息运用图像几何校正方法进行图像坐标补偿，根据不同成像光谱下的被测物体成像差异信息对不同通道的校正图像进行融合，得到温度补偿后的客观被测目标图像；三维坐标重建步骤：根据温度补偿后的客观被测目标图像，运用双目视觉重建相关算法，重建所述被测物体表面的三维坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：相机标定步骤：利用两个彩色CCD相机拍摄被测物体表面图像，利用相机标定程序获得相机内外参数，根据图像处理技术获得常温下被测物体表面的三维坐标；数据采集步骤：实时获取相机拍摄的图像数据，同时通过布置在被测物体表面以及空间场内的若干热电偶传感器同步采集所述被测物体表面以及空间场内的温度数据；温度场分布模型建立步骤：根据实时采集的所述温度数据，利用有限元软件模拟建立所述被测物体到所述相机空间范围的温度场分布模型；折射率场分布模型建立步骤：根据大气折射率公式确定所述被测物体表面到所述相机靶面空间折射率场的非线性分布与温度场的非线性分布之间的对应关系，建立空间折射率场的分布模型；像素坐标偏差计算步骤：根据折射率场的非线性分布和几何光学理论计算在所述相机成像光谱下所述被测物体表面P点经过空间折射率场在所述相机靶面上成像点的像素坐标；同时计算出常温条件下所述被测物体表面P点在所述相机靶面上成像点的像素坐标；据此计算高温与常温下物点成像点的像素坐标偏差；图像补偿步骤：依据常温下获取的图像信息对高温环境下获取的图像信息运用图像几何校正方法进行图像坐标补偿，根据不同成像光谱下的被测物体成像差异信息对不同通道的校正图像进行融合，得到温度补偿后的客观被测目标图像；三维坐标重建步骤：根据温度补偿后的客观被测目标图像，运用双目视觉重建相关算法，重建所述被测物体表面的三维坐标。2.根据权利要求1所述的高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，其特征在于，所述相机选用分光式彩色CCD相机，通过分光棱镜将光线分成R、G、B三个成像光谱通道，获取的图像数据包括R、G、B三个成像通道对应的通道图像。3.根据权利要求1所述的高温双目立体视觉测量中考虑折射偏差的成像补偿方法，其特征在于，所述温度场分布模型建立步骤具体为：根据设置在所述被测物体表面的热电偶传感器实时采集的温度数据添加初始值，建立初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：张进，王飞，邓华夏，隆昌宇，余寰，于连栋，马孟超，钟翔，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34