周云龍，王雪亮

(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

計算機視覺［1］是計算機實現(xiàn)人的視覺功能-對客觀世界三維場景的感知識別和理解。立體成像系統(tǒng)是3D顯示測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，相當(dāng)于人的“眼睛”，用來獲取流場的圖像信息并傳送到計算機進行處理。原始圖像越接近實際情況，經(jīng)過圖像處理得到的結(jié)果將會越可靠，科學(xué)家們從仿生的角度提出了類似人眼視覺的雙目視覺或立體視覺系統(tǒng)。立體視覺是仿照人類利用雙目線索感知距離的方法，實現(xiàn)對三維信息的獲取，實際上實現(xiàn)上一般都采用兩臺或多臺攝像機對同一事物從不同位置成像，從視差中恢復(fù)距離信息。在機器視覺系統(tǒng)中，雙目立體視覺的成像主要有兩種方法，一是利用雙攝像機從不同的角度獲取周圍景物的兩幅數(shù)字圖像，而是由單攝像機在不同時刻從不同角度獲取周圍景物的兩幅數(shù)字圖像。而單目立體視覺傳感器是通過利用實驗裝置來達(dá)到雙目攝像機成像系統(tǒng)［2］功能，其精度也能基本達(dá)到要求。

在對氣液兩相流體［3］中的氣泡進行研究時，為了提取氣泡的參數(shù)及研究其在流體中的變化，利用攝像機進行拍攝并用圖像處理的方法進行檢測是一種重要的研究方法。此方法的關(guān)鍵在于對攝像機內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定［4］，目前基于透鏡標(biāo)定的方法有很多種，例如Tasi方法、Martins的兩平面方法，張正友法［5］等等。張正友法是一種新的、靈活的方法，此方法具有很好的魯棒性，又不需要昂貴的精制標(biāo)定塊，推進在他在實驗室中的應(yīng)用［6］。目前本課題主要是對實驗裝置進行了設(shè)計，對單目立體視覺成像系統(tǒng)在實驗中的可行性進行了檢驗，后續(xù)將對攝像機的標(biāo)定進行深入的研究。

1 單目立體視覺傳感器的原理

單目立體視覺傳感器［7］由一臺高速攝像機和平面鏡反射組合臺組成，測量示意圖如圖1所示，M1、M2是一對固定的平面鏡，兩片鏡子夾角為90度，反射面在外側(cè)。P1、P2為兩組可平移的平面鏡，反射面在內(nèi)測，它們的位置與中心線的距離為d，和水平基準(zhǔn)線的夾角為Ф。被拍攝物置于傳感器前方，并調(diào)整它位置使其在傳感器的有效視場里。該單目立體視覺傳感器實現(xiàn)的原理本質(zhì)上是利用平面鏡反射組將一幅圖像經(jīng)過反射形成兩幅虛像，從而在一個CCD像面上得到了被測對象在兩個方向上的二維信息，經(jīng)過圖像分割，得到兩幅圖像，利用特征提取、立體匹配等算法提取深度信息，該被測物在空間上實現(xiàn)三維重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

為了建立單目立體視覺傳感器的成像模型，定義參數(shù)如下:

(1)傳感器系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

f:透鏡焦距;

β:攝像機透視中心對CCD像面的張角;

γ:兩組反射鏡之間的夾角;

圖1 單目傳感器結(jié)構(gòu)圖

α:反射鏡M1、M2之間的夾角;

h1:攝像機與反射鏡組M1、M2之間的垂直距離;

h2:兩組反射鏡之間的交點與反射鏡M1、M2間的距離;

h:空間坐標(biāo)平面xoy距離反射鏡M1、M2的距離。

(2)光路分解后對應(yīng)的雙目立體視覺系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

B:攝像機兩個虛像之間的基線距離;

θ:光軸虛像與Z軸之間的夾角;

h0:有效視場相對于第一組反射鏡的最近距離;

△h:有效視場的深度。

(3)坐標(biāo)系定義

(x，y，z):被測物所在的三維空間坐標(biāo)系，o為坐標(biāo)原點;

(Xl，Y1):CCD右半像面對應(yīng)的二維坐標(biāo)系;

(X2，Y2):CCD左半像面對應(yīng)的二維坐標(biāo)系;

(x1’，y1’，z1’):以虛光軸與平面xoy的交點O1’為坐標(biāo)原點，以O(shè)1’O1為z1’軸建立的坐標(biāo)系;

(x2’，y2’，z2’):以虛光軸與平面xoy的交點O2’為坐標(biāo)原點，以O(shè)2’O2為z2’軸建立的坐標(biāo)系。

圖2 單目立體視覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

通過分析可知:參數(shù)f、β、γ、α、h1、h2反映了攝像機與反射鏡之間的位置關(guān)系，決定了單目視覺傳感器的整體結(jié)構(gòu)，也決定了映射過程中各坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

根據(jù)圖2分析傳感器的成像原理，被測物在有效視場內(nèi)經(jīng)對稱角度方向分別通過兩組反射鏡的光路折疊，映射到CCD攝像機的左、右半平面中，使其充當(dāng)了雙目的角色。傳感器中的兩個虛像面如圖2中的放置方法，光軸與Z軸的夾角θ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于張角β，有效視場在水平方向和深度方向都周所以此傳感器適合近距離測量。

2 單目立體視覺傳感器硬件實現(xiàn)

圖3 中央平面鏡固定裝置

在確定出傳感器的結(jié)構(gòu)上的理想?yún)?shù)后，在制作過程中主要考慮傳感器的精度［8］和靈活性。在實驗過程中，要有很高的可調(diào)性，盡量減少平面鏡的垂直誤差。裝置主要包括三個部分:中央平面鏡固定裝置、兩側(cè)平面鏡可調(diào)裝置以及水平臺座。如圖3所示，中央平面鏡固定裝置為一直角水平座，中間設(shè)計為兩條4 mm寬的直角溝槽，槽深為20 mm，槽身兩側(cè)分別各開兩個螺旋孔，通過螺旋孔來調(diào)節(jié)玻璃的垂直度，在槽兩側(cè)也開有六個螺孔，對應(yīng)水平臺座，達(dá)到固定的目的。兩側(cè)平面鏡可調(diào)裝置，如圖4所示，它的一端開有一個螺孔，配合水平臺座上的溝槽能夠水平移動的同時又能水平轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)兩個方向上的靈活性，這樣便可以擴大有效視場的范圍，使操作在實驗過程中所受的約束大大減小。側(cè)邊平面鏡裝置也開有4 mm寬，20 mm深的溝槽，在加工的時候要保證槽底的水平度。水平臺座，如圖5所示，臺座長500 mm，寬350 mm，厚10 mm，使用亞克力材料加工而成，兩側(cè)平面鏡裝置能固定在上面并能沿溝槽左右移動和轉(zhuǎn)動，而中央平面鏡裝置固定在上面不動。

圖4 兩側(cè)平面鏡可調(diào)裝置

圖5 水平承載臺

3 實際應(yīng)用

此實驗裝置主要目的是提取兩相流體中氣泡的參數(shù)，對氣泡在兩相流體中的運動機理進行研究，在進行實驗前，首先要對攝像機進行標(biāo)定，我們應(yīng)用了此系統(tǒng)對標(biāo)定板進行了拍攝，圖6即為此系統(tǒng)拍攝標(biāo)定板圖像，從而可以看出拍攝的圖像較為清晰，達(dá)到了應(yīng)有的效果，可以根據(jù)拍攝圖像進行標(biāo)定。

圖6 攝像機拍攝靶標(biāo)圖像

處理靶標(biāo)圖像的過程如下:

(1)圖像去噪;

(2)根據(jù)直方圖，找到峰峰間的谷值作為閾值進行二值化;

(3)圖像反色;

(4)用圖像標(biāo)記算法進行目標(biāo)標(biāo)記，并顯示為彩色索引圖像，如圖7。

圖7 靶標(biāo)處理圖像示意圖

由圖7可見，處理后的圖像效果清晰，符合實驗要求，我們可以根據(jù)圖像計算標(biāo)記物的質(zhì)心坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，對攝像機進行標(biāo)定，后續(xù)便可以對兩相流體中的氣泡進行拍攝，提取氣泡特征參數(shù)，根據(jù)參數(shù)實現(xiàn)三維重建。

4 結(jié) 論

實驗表明，單目立體視覺成像系統(tǒng)完全能夠達(dá)到雙目成像系統(tǒng)的效果要求，較清晰的拍攝到了圖像，我們可以根據(jù)拍攝到圖像，應(yīng)用圖像處理的方法，如濾波、去噪后得了更加清晰的圖像。本課題對實際機械進行了具體的設(shè)計和加工，完成了整套系統(tǒng)的開發(fā)，并通過實驗獲得了清晰的靶標(biāo)圖像，驗證了系統(tǒng)的價值。

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