一種單相機測量三維運動軌跡的方法-1

1、一種單相機測量三維運動軌跡的方法(a)(b)(c)(d)圖3 標定圖片(a),(b),(c),(d)不同位置平板圖片F(xiàn)ig3Calibration images(a),(b),(c),(d) plats at differernt locations標定結(jié)果如表1所示。表1 內(nèi)部參數(shù)Tab.1 左圖像 2186.06 2062.15 158.30 237.50 右圖像 2169.80 2405.04 159.50 239.50 左右圖像相對坐標變換矩陣為：4.靜態(tài)測量實驗實驗裝置：Chameleon CMLN-13S2C型CCD相機，兩面平面鏡，魔方，實驗布置如圖2實驗選取魔方不同平面角點作為

2、關(guān)鍵點進行對應(yīng)點匹配及空間坐標計算，復(fù)原了模型的空間位置。對應(yīng)點匹配是是在雙目圖像中尋找到與空間坐標中同一對應(yīng)點的坐標。目前普遍采用的基于特征的模式識別是一種稀疏的匹配算法，不利于精確地計算和誤差分析。而基于區(qū)域相關(guān)匹配算法雖然可以精確地逐點匹配，但計算量大且匹配錯誤率高。本實驗采用交互式區(qū)域相關(guān)匹配方法，首先在左圖像中人工選取能反映目標根本形態(tài)的關(guān)鍵點，以關(guān)鍵點周圍的窗口作為匹配區(qū)域，在極線約束的條件下在右圖像中進行搜索，以相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)點作為相匹配的關(guān)鍵點。只對局部關(guān)鍵點進行計算，相比全局計算，計算量大幅度減小，匹配準確率也很高。圖4為以魔方為待測目標的反射雙目圖，魔方擺放成各邊緣與相

3、機成不同的空間角度，以此能更好地反映空間坐標計算的精度。以魔方的各個棱角點為關(guān)鍵點，在左右雙目圖中進行匹配。圖5為各棱角點的空間坐標計算結(jié)果，及其復(fù)原的魔方空間形態(tài)。表1為各個關(guān)鍵點圖像坐標值的空間坐標值，表2為魔方各條邊線的長度。由表2所示，實測邊長為55mm，平均誤差為-3.04mm，方差為3.88mm，相對誤差為5.52%。圖4.實驗拍攝圖Fig4.Experimental image圖5.模型復(fù)原圖Fig5. Reconstruction model表2.模型各關(guān)鍵點平面坐標與空間坐標Tab2.The plane and space coordinatesof key points o

4、n the model 坐標(pixel) 點序號 u1 v1 u2 v2 x y z 1 116 208 105 206 -40.26 -30.88 2120 2 157 220 138 217 -2.28 -18.86 2092 3 199 210 184 206 36.56 -28.93 2121 4 162 198 153 195 -2.35 -41.37 2156 5 157 274 138 270 -2.28 33.43 2096 6 118 264 107 259 -38.55 24.11 2129 7 199 263 183 258 36.67 23.11 2127 表3.各邊

5、線長度Tab3.The length of the sideline 線段 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 邊長(cm) 49.26 49.60 50.64 56.38 55.61 52.44 52.45 49.93 51.30 誤差(%) -5.74 -5.4 -4.36 1.38 0.61 -2.56 -2.55 -5.07 -3.7 誤差1來源主要包括系統(tǒng)的標定誤差和對應(yīng)點的匹配誤差。對于標定誤差動態(tài)測量，增加拍攝的標定圖片數(shù)目，制作更為精準的標定面板，能有效減少標定誤差。對應(yīng)點匹配的誤差可以通過差值擬合的方法提升匹配精度。同時根據(jù)雙目系統(tǒng)的誤差分析研究，增大相機間

6、基線距離能明顯有效地減小誤差。故增加相機與平面鏡之間的距離或增加平面鏡的夾角，都能明顯地減小系統(tǒng)的測量誤差。5.動態(tài)測量實驗本實驗研究對象是直徑4cm的固體小球。小球在空間內(nèi)做近似橢圓圓周擺的自由運動。實驗裝置：Chameleon CMLN-13S2C型CCD相機，兩面平面鏡，支架，小球，背景擋板。圖6 動態(tài)運動軌跡測量實驗布置圖Fig4 Layout of dynamic measurement實驗布置如圖6所示，將小球以細線懸掛于支架上并放置于背景擋板前。調(diào)整好CCD相機與平面鏡的相對位置，使小球處于各個平面鏡的視野中心位置，防止小球在運動中跑出視野免費。給小球一初始速度，使小球開始做圓周

7、擺動，由CCD相機錄制在鏡面中虛像的運動過程。錄制頻率為15幀每秒，在控制小球運動速度不大于0.2m/s的情況下，圖像不會出現(xiàn)較大的動態(tài)模糊。拍攝的圖像序列為100幅。圖7為小球運動過程中的一幀圖像。圖7 動態(tài)視頻某幀截圖Fig7.One frame of dynamic video由于動態(tài)實驗有大量的圖片序列，匹配對應(yīng)點的方法就要求自動，快速。本實驗采用基于特征的模式識別，自動定位小球的位置。如圖8所示，首先對圖像進行邊緣檢測，識別小球的圓邊緣，然后用Hough圓檢測算子對邊緣進行檢測，確定小球圓心的位置。以圓心作為匹配關(guān)鍵點，能快速精確計算得到小球的空間位置動態(tài)測量，計算量小，自動化程度高

8、。通過對一系列圖像的分析，獲得圖9所示的小球運動軌跡。小球的擺動圈數(shù)為5圈。(a)(b)圖8 Hough算子檢測圓心 (a)左虛擬相機圖 (b)右虛擬相機圖Fig8.Circlecenter detected by Hough operator (a)left virtual camera (b)right virtualcamera利用傳統(tǒng)雙機雙目視覺法進行實時測量時，由于拍攝速度快，圖片數(shù)量巨大，對保持雙機拍攝同步拍攝，以及處理數(shù)據(jù)時選取雙機同時刻幀都較難實現(xiàn)，本實驗將雙目圖像拍攝在同一張圖像上，很好地解決了同步問題，較好了復(fù)原了小球運動的空間軌跡。(a)(b)(c)圖9 小球運動軌跡.(

9、a)左虛相機二維運動軌跡(b)右虛相機二維運動軌跡(c)空間三維運動軌跡Fig9.The orbit of the ball. (a) the 2-D orbit in left virtualcamera. (b) the 2-D orbit in right virtual camera. (c)the 3-D orbit6.結(jié)論本文實驗用靜態(tài)測量驗證了利用平面鏡反射原理實現(xiàn)雙目視覺測量系統(tǒng)的可行性與可靠性，成功地測量了小球在空間的運動軌跡，相比于傳統(tǒng)雙機雙目測量系統(tǒng)，在雙機同步性及減小數(shù)據(jù)處理量方面均有明顯的優(yōu)勢。參考文獻2.韋爭亮,鐘約先,袁朝龍,基于彩色柵線的結(jié)構(gòu)光動態(tài)三維測量技術(shù)研

10、究.光學技術(shù)，2021，35(4),569574. (Wei Zheng liang , Zhong Yue xian , YuanChao long. Research on the technique of dynamic 3D measurementof structured light based on color grating . OpticalTechnique, 2021 35(4), 569574(in chinese).)3.狄紅衛(wèi)，柴穎，李逵，一種快速雙目立體視覺匹配算法，光學學報，2021,29(8),21812184. (Di Hongwei, Chai Ying,

11、Li Kui A Fast Binocular Vision StereoMatching Algorithm , ACTA OPTICA SINICA 2021,29(8), 21812184(in chinese).)4.雷彥章，趙慧潔，姜宏志，一種單雙目視覺系統(tǒng)結(jié)合的三維測量方法，光學學報，2021,28(7), 13391342. (LeiYanzhang, Zhao Huijie, Liang Hongzhi, A Three-Dimensional Measurement MethodbyCombining Binocular and Monocular Vision System

12、s, Optical Technique, 2021, 28(7), 13391342(in chinese).)6.胡勁松，程鵬，續(xù)伯欽，昆蟲自由飛行參數(shù)的雙棱鏡虛擬雙目測量，實驗力學，2007,22(5):512517. (Hu Jin song, Cheng Peng, Xu Bo qin, 3D Reconstruction of Free FlyingInsect Base on Binprism Stereo Camera , JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS, 2007,22(5):512517(in chinese).)7.Goshtasby

13、A., andGruver,W.A. Design of a single-lens stereo camera system. PatternRecognition, 1993.26(6):9239378.JoshuaGluckman, Shree K. NATAR Catadioptric StereoUsing Planar Mirrors, InternationalJournal of Computer Vision, 2001,44(1), 65799.Zhang, Z.Y. FlexibleCamera Calibration By Viewing a Plane From Unknown Orientations. IEEEIntemati