一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统技术方案

本发明专利技术公开了一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统，包括：光学装置、测量空间、图像采集模块和图像处理模块；所述光学装置，包含两个复相机，同步采集目标测量区域数据并成像；所述测量空间，其内设置光源和目标测量区域，光源用于产生特定波长范围的光线；目标测量区域为待测大运动物体及其运动范围；所述图像采集模块，用于实时接收图像传感器发送的光电信号，转换为M

【技术实现步骤摘要】
一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统


[0001]本专利技术属于摄影测量学
，具体涉及一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统。

技术介绍

[0002]专业术语视场(FOV,Field of View)代表光学系统能够观测到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。专业术语分辨率(Resolution)特指光学系统的分辨率，是用来描述光学成像系统解析物体细节的能力。当图像传感器为CCD或CMOS时，若图像传感器的最大像素数为M
×
N像素，用其拍摄大小为P
×
Q毫米2的视场，则分辨率通常以其分辨某一方向细节的能力P/M毫米/像素、Q/N毫米/像素来衡量，P/M和Q/N值越大，该光学系统的分辨率越低。传统的光学测量的视场越大分辨率越低，测量视场与分辨率相互制约。
[0003]专业术语散斑(SP,Speckle pattern)，为随机的、细小的、具有较高黑白对比度的图案，可以依靠纹理本身、黑白色涂料、荧光溶剂等制作在被测物体表面，是三维测量技术中常用来进行特征标记的图案。
[0004]大运动物体，即物体的运动范围是物体本身大小的至少S(S≥2)倍。
[0005]传统的三维高速测量技术基于双目立体视觉和高速摄影测量而开发，是目前较好的测量大运动物体的技术。然而，由于较小的测量目标和相对较大的运动范围，测量大运动物体运动过程中物体本身细节变化仍然存在较大挑战。
[0006]为了测量大运动物体，要求测量装置能够动态追踪较大范围内的物体，同时保持较高的分辨率。然而，受到传统的光学测量视场与分辨率的相互制约，依靠传统的三维高速测量技术的分辨率有限。若要同时增大测量视场和提高分辨率，需增加更多的高速相机，形成相机阵列、图像传感器阵列或镜头阵列，此类阵列将测量范围的各个子视场目标独立成像到各自的图像传感器或图像传感器的局部，传感器(局部)相互并列无叠加，是一类通过提高图像传感器像元数量来提高分辨率的装置，一般具有较大的体积和较高的成本。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统，以解决现有技术中测量大运动物体时，测量视场与分辨率相互制约、三维高速测量技术分辨率有限的问题。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]本专利技术的一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统，包括：光学装置、测量空间、图像采集模块和图像处理模块；其中，
[0010]所述光学装置，包含两个复相机，二者呈15
°
～45
°
夹角组装，且两个复相机同步采集目标测量区域数据并成像；每个复相机均由复镜头、图像传感器、合光组件构成，对目标测量区域进行独立成像；
[0011]复镜头，包括多个不同焦距的定焦子镜头和滤光片，用于对目标测量区域进行光
线汇聚成像并微调成像清晰度；
[0012]合光组件，用于将透过复镜头的光线经过反射、折射处理后合成到相同图像传感器，并使得每个定焦子镜头的成像占据图像传感器的全部像素数；
[0013]图像传感器，用于接收和转化光信号，设有M
×
N个阵列分布的感光单元，即M
×
N个像元，图像传感器最大像素数为M
×
N；
[0014]所述测量空间，其内设置光源和目标测量区域，所述光源用于产生特定波长范围的光线；所述目标测量区域为待测大运动物体及其运动范围；所述大运动物体标记随机分布的散斑；
[0015]所述图像采集模块，用于实时接收图像传感器发送的光电信号，并将其转换为M
×
N像素的图片输出给图像处理模块；
[0016]所述图像处理模块，用于将接收到的M
×
N像素的图片进行立体视觉标定、三维重构与数据融合，输出大运动物体的三维运动信息。
[0017]进一步地，所述复相机的视场对应目标测量区域，即待测大运动物体及其运动范围；目标测量区域划分为多个子区域，复镜头的每个子镜头的视场为子视场，分别与目标测量区域中的一个子区域对应；待测大运动物体的尺寸应小于/等于任意一个子区域的尺寸；相邻子区域的边缘有部分重合，重合部分不超过子区域的5％。
[0018]进一步地，所述复相机中，设定子视场或目标测量区域的子区域在图像传感器中成像为子像，其数量为S个，S≥2；每个子像占图像传感器的全部像素，即M
×
N像素；
[0019]所述图像传感器的图像是各子像灰度叠加的综合效应，即目标测量区域全部成像到图像传感器中，且最终图像为M
×
N像素；
[0020]目标测量区域的实际重建的像素近似等于M
×
N
×
S像素。
[0021]进一步地，所述光源为特定波长范围的光源，与标记在待测大运动物体表面的散斑、复镜头的滤光片、合光组件一一对应(即标记在待测大运动物体表面的散斑、滤光片、合光组件的光学特性与光源的波长变化相对应)；当光源处于关闭状态时，测量空间为暗场，无光线；当光源处于开启状态时，测量空间中仅大运动物体表面的散斑的光能够进入复相机。
[0022]其中，散斑使大运动物体表面进入镜头的光具有不同的波长特征，可依据待测对象自身的材质、制作散斑的黑/白色涂料或荧光溶剂实现。
[0023]其中，大运动物体指在较大范围内运动的较小运动物体；运动范围是运动物体大小的S倍，S≥2。
[0024]进一步地，所述图像采集模块，将每个图像传感器发送的光电信号转换为M
×
N像素的图片，采用硬触发同步控制器，使两个复相机(两个图像传感器)在时间上同步输出各自的M
×
N像素图片。
[0025]进一步地，所述图像处理模块的立体视觉标定，指复相机的S个子视场的内部参数、外部参数和子视场间外部参数的相对关系标定，根据张正友标定法对每个子视场逐步标定；记第i个子视场坐标O
i
‑
x
i
y
i
z
i
与世界坐标系O
w
‑
x
w
y
w
z
w
的旋转平移矩阵[R t]i
‑
w
。
[0026]所述图像处理模块的三维重构具体为：根据三维数字图像相关(3D
‑
DIC,3D Digital Image Correlation)方法，对M
×
N像素的图片进行计算，输出所在子视场中大运动物体的三维运动信息。
[0027]所述图像处理模块的数据融合具体为：根据三维数据的运动特征，采用编码的方式将S个子区域的数据统一至相同世界坐标系，并融合子区域间的重叠点；
[0028]编码是根据大运动物体的初始状态和运动信息进行；不失一般性，假设初始状态(t0时刻,编码为#0)的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高大运动物体光学测量分辨率的系统，其特征在于，包括：光学装置、测量空间、图像采集模块和图像处理模块；所述光学装置，包含两个复相机，二者呈15
°
～45
°
夹角组装，且两个复相机同步采集目标测量区域数据并成像；每个复相机均由复镜头、图像传感器、合光组件构成，对目标测量区域进行独立成像；复镜头，包括多个不同焦距的定焦子镜头和滤光片，用于对目标测量区域进行光线汇聚成像并微调成像清晰度；合光组件，用于将透过复镜头的光线经过反射、折射处理后合成到相同图像传感器，并使得每个定焦子镜头的成像占据图像传感器的全部像素数；图像传感器，用于接收和转化光信号，设有M
×
N个阵列分布的感光单元，即M
×
N个像元，图像传感器最大像素数为M
×
N；所述测量空间，其内设置光源和目标测量区域，所述光源用于产生特定波长范围的光线；所述目标测量区域为待测大运动物体及其运动范围；所述大运动物体标记随机分布的散斑；所述图像采集模块，用于实时接收图像传感器发送的光电信号，并将其转换为M
×
N像素的图片输出给图像处理模块；所述图像处理模块，用于将接收到的M
×
N像素的图片进行立体视觉标定、三维重构与数据融合，输出大运动物体的三维运动信息。2.根据权利要求1所述的提高大运动物体光学测量分辨率的系统，其特征在于，所述复相机的视场对应目标测量区域，即待测大运动物体及其运动范围；目标测量区域划分为多个子区域，复镜头的每个子镜头的视场为子视场，分别与目标测量区域中的一个子区域对应；待测大运动物体的尺寸应小于/等于任意一个子区域的尺寸；相邻子区域的边缘有部分重合，重合部分不超过子区域的5％。3.根据权利要求1所述的提高大运动物体光学测量分辨率的系统，其特征在于，所述复相机中，设定子视场或目标测量区域的子区域在图像传感器中成像为子像，其数量为S个，S≥2；每个子像占图像传感器的全部像素，即M
×
N像素；所述图像传感器的图像是各子像灰度叠加的综合效应，即目标测量区域全部成像到图像传感器中，且最终图像为M
×
N像素；目标测量区域的实际重建的像素近似等于M
×
N
×
S像素。4.根据权利要求1所述的提高大运动物体光学测量分辨率的系统，其特征在于，所述光源为特定波长范围的光源，与标记在待测大运动物体表面的散斑、复镜头的滤光片、合光组件一一对应；当光源处于关闭状态时，测量空间为暗场，无光线；当光源处于开启状态时，测量空间中仅大运动物体表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振宁，赵华涛，孙伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：