技术领域
[0001] 本
发明属于高温物体几何量测量技术领域，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。
背景技术
[0002] 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
[0003] 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。
[0004]
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。
[0005] 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。
发明内容
[0006] 为了解决现有技术中存在的上述技术
缺陷，本发明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。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] 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：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013]
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；
[0014] 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；
[0015] 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。
[0016] 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：
[0017] 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。
[0018] 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：
[0019]
[0020] 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。
[0021] 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：
[0022] 采用snell折射定理进行计算，如公式(2)和(3)所示：
[0023] n1sinθ′1＝n2sinθ2 (2)
[0024] n2sinθ′2＝n3sinθ3 (3)
[0025] 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；
[0026] 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)。
[0027] 本发明具有以下有益效果：
[0028] 本发明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
[0029] 图1为本发明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。
[0030] 图2为本发明使用的高温双目立体视觉测量系统的结构示意图。
[0031] 图3为本发明成像补偿方法的原理示意图。
[0032] 图4为本发明成像补偿方法的分析示意图。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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：
[0036] 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
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
[0038] 实施例1：
[0039] 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。
[0040] 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和第二相机9拍摄的图像通过图像采集卡8进行采集并传输到数据处理器7进行处理，所有热电偶传感器2通过热电偶采集模块6采集温度数据并传输到数据处理器7进行处理。数据处理器7可以是计算机处理系统，也可以是其他智能终端。
[0041] 在本实施例中，被测物体为航模发动机机匣部位，通过遥控点火运行，航模发动机机匣部位温度很快上升到400摄氏度，对被测物体表面进行成像和温度采集。
[0042] 以上关于高温双目立体视觉测量系统的描述仅为更好地说明和解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。本领域内的技术人员可以感觉实际需要搭建相应结构的系统，只要保证必要的硬件部件即可。
[0043] 下面具体说明本发明成像补偿方法的具体技术方案：如图1所示，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，包括如下步骤：
[0044] 步骤S1，相机标定步骤：在对被测物体进行加热前，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。
[0045] 在本实施例中，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。
[0046] 本发明对相机标定程序不做具体限定，可以根据实际需要进行选择，可以使用张正友相机标定方法、Tsai两步法、直接线性法以及立体编码靶标标定方法等，但不限于此，本领域内的技术人员可以根据实际需要进行选择。
[0047] 在本实施例中，所需的相机内外参数包括：相机内参数：主点、焦距；相机外参数包括：旋转矩阵R、平移矩阵T。
[0048] 本步骤中使用的图像处理技术具体是根据拍摄的常温图像利用双目视觉
三维重建算法进行重建，获取常温下被测物体的表面三维坐标。
[0049] 步骤S2，数据采集步骤：在对被测物体进行加热过程中，利用两个相机实时拍摄被测物体表面，利用图像采集卡实时采集相机拍摄的图像数据，并将图像数据传输至数据处理器。与此同时，通过布置在被测物体表面以及空间场中的若干热电偶传感器同步采集温度数据，利用热电偶采集模块实时获取被测物体的表面温度数据，并将表面温度数据传输至数据处理器。
[0050] 在具体应用中，实现图像数据和温度数据同步采集的具体工作原理为：通过将与数据处理器配合的
信号发生器输入引脚与相机采集卡外触发输出引脚连接，利用信号发生器产生的边沿信号作为外触发信号控制双相机同步采集软件，而相机同步采集软件与热电偶模块采集软件间通过TCP/IP协议进行通信，相机同步软件在控制双相机进行同步采集同时给予热电偶采集软件信号进行温度采集，这样就通过信号发生器给予外触发信号使相机和热电偶传感器进行同步采集。
[0051] 步骤S3，温度场分布模型建立步骤：根据从被测物体表面到相机的空间内布置的若干热电偶传感器实时采集的温度数据，利用数据处理器上安装的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。
[0052] 在本实施例中，温度场分布模型建立步骤具体为：
[0053] 根据设置在被测物体表面的热电偶传感器实时采集的被测物体表面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温度场准确的非线性温度场分布模型。
[0054] 本步骤中使用的有限元软件具体是指comsol multiphysics软件，利用comsol multiphysics软件建立被测物体到相机空间范围的温度场分布模型的方法具体为：在comsol multiphysics软件的
传热模块中，根据航模发动机尺寸建立
几何模型，用一个正方
体模拟空间空气域，其中将正方体的棱长设置为航模发动机到相机的空间距离，对航模发动机施加400℃，空气域施加常温20℃作为初始温度，进行流固耦合热分析，根据热电偶实测的布置点温度对几何模型施加边界条件进行修正。
[0055] 步骤S4，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。
[0056] 在本实施例中，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：
[0057]
[0058] 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。
[0059] 在实际公式计算中，水汽压影响较小，考虑为0，
大气压强P＝101325Pa。
[0060] 步骤S5，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A′l(ul,vl)，A'r(ur,vr)；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Al(ul,vl)，Ar(ur,vr)；据此计算高温与常温下物点成像点的像素坐标偏差d。在本实施例中，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：
[0061] 采用snell折射定理进行计算，如公式(2)和(3)所示：
[0062] n1sinθ′1＝n2sinθ2 (2)
[0063] n2sinθ′2＝n3sinθ3 (3)
[0064] 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；
[0065] 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)。
[0066] 步骤S6，图像补偿步骤：依据常温下的图像对高温环境下相机三个通道的图像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。
[0067] 本步骤中的图像融合具体为：对两个分光式彩色相机各自三个通道的输出图像先进行
图像配准再采用空间域算法进行像素级的图像融合，最终获取的单个相机下三个波段的融合图像。
[0068] 本步骤中的图像几何校正方法具体为：通过常温拍摄图像的已知像素参考点和选取的谱段高温图像的偏移的像素坐标间的对应关系，拟合出映射关系中的未知系数，然后根据映射关系对图像的各个像素坐标进行校正补偿。
[0069] 步骤S7，三维坐标重建步骤：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。
[0070] 在本实施例中，空间点三维坐标重建算法采用的是张广军《机器视觉》双目立体视觉重建公式，表示为：
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 其中
[0075] 当求出相机内外参数，并提取出左右图像上对应点的像素坐标，代入重建公式中即可求解出检测点的空间三维坐标。
[0076] 本实施例的技术原理在于：
[0077] 本实施例中通过有限元软件模拟确定被测高温物体表面到相机靶面的空间温度分布模型为同心球型热源辐射模型，以航模发动机机匣表面温度为热源辐射的第一层温度。
[0078] 如图2所示，P点为高温物体表面物点，θ′1为光线在第一层和第二层温度界面第1个折射点的入射角，θ′2，θ′3……θ′k分别为第2个、第3个、第k个折射点的入射角，θ0为第一个折射点法线的倾斜角，θ2，θ3……θk为第1个、第2个、第k-1个折射点的出射角，n1，n2……nk为同心球型温度场对应分布的折射率，r1，r2……rk为同心球型温度场依次变小的温度层半径。
[0079] 以同心球型温度场的球心坐标为极
坐标系原点，如图3所示，根据snell定律有：
[0080] sinθ′1n1＝sinθ2n2 sinθ′2n2＝sinθ3n3 …… sinθ′knk＝sinθk+1nk+1 (4)[0081] 在ΔO'A2M2中，由正弦定理得到：
[0082]
[0083] 由(3)式可得：
[0084]
[0085] 则有：
[0086]
[0087] 代入(4)和(6)式，可以得到
[0088]
[0089] 由(8)式可以得出：
[0090]
[0091] 则有：
[0092]
[0093] 同理可得：
[0094]
[0095] 由(11)式可得：
[0096]
[0097] 由三角几何关系可得：
[0098]
[0099] 因此，在以O'为原点的直角坐标系中，折射光线在最后一个折射界面出射点直角坐标为： 折射光线到达相机靶面的直角坐标为(xk,yk)：
[0100] 建立以左相机坐标系与世界坐标系重合的成像模型，根据坐标换算，得到光线在相机靶面的图像坐标为
[0101]
[0102] 同时计算出常温状态下光线在相机靶面图像坐标
[0103] 下面结合具体实验数据以及相关技术原理，具体说明本实施例的有益效果：
[0104] 采用本实施例提供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对运行中的航模发动机进行测量，设置航模发动机运行时的温度为400℃，初步设置航模发动机距离相机空间距离是1000mm；航模发动机机匣位置实际测量半径为：18.56mm利用comsol multiphysics软件仿真模拟出被测物体到相机靶面的同心球形空间温度场分布如图5所示。
[0105] 波长分别为650nm 380nm 550nm的光线在空间各个温度层中的折射率分布如表1所示：表1光线在空间各个温度层中的折射率分布
[0106]
[0107] 根据温度影响范围分别调整物体和相机空间距离为900mm、800mm、700mm、600mm、500mm，通过仿真建立对应的成像光线误差模型，计算出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，如图6所示。结合上述实验结果可知，本实施例提供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能够有效提升高温物体测量的准确性。
[0108] 本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
