一种河工模型试验三维地形的量测方法

摘要

发明属于水利量测技术领域，特别涉及三维地形的测量方法。在水利工程的河工模型试验中实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术实时量测河工模型试验中床面的三维形态。集成数码摄像机、激光矩形点阵示踪光斑发射装置和计算机为一体，通过设定的系统安装、相机参数校正、床面上激光点阵光斑投影，经济、安全、高质量地实现河工模型床面示踪、床面图像采集、河床激光示踪点提取及匹配，结合计算公式计算出床面上激光示踪光斑的三维空间坐标。基于计算机，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标为媒介生成河工模型的地形图。

主权项

1.一种河工模型试验三维地形的测量方法,其特征在于，采用两台参数相同的数码相机,一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点O； 该方法,包括以下步骤： 1）首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角φ标定： 1-1）相机焦距f标定计算公式为： 式中，a为CCD较短一边的边长，y₂指相机初始拍摄垂向最大高度，y₁为相机沿其光轴轴向向后移动ΔX后所拍摄的垂向最大高度,y₁＞y₂； 1-2）两焦点距离L标定为：式中，L₁为OB₁的长度，O为定位点，B₁为与点B在左相机成像面上具有相同像素坐标的床面上的一点，点B为在点O垂直向上y高度处的一点；角度α₁为点O与左相机焦点F₁的连线F₁O与直线F₁B₁的夹角，角度β₁为点O与点B₁的连线B₁O与直线B₁F₁的夹角,其中α₁和β₁在标定时计算出α₁=arctan(O₁P₁/f)，β₁＝arctan(y/L₁)，O₁P₁为床面上线段OB₁在左相机像平面上的图像长度； 1-3）相机偏角φ标定为： φ＝α₁+β₁式中，α₁为直线F₁O与直线F₁B₁之间的夹角；β₁为直线B₁O与直线B₁F₁之间的夹角； 2）照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，激光示踪光斑中心点为定位点O,定位点O在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O₁和O₂；左右两相机成像面以中心点O₁和O₂为原点分别建立各自的直角坐标系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以点O为中心点建立坐标系XOY,将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应； 3）对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算，再对示踪光斑进行匹配及特征提取，获得床面上同一个示踪光斑点P分别在左右两相机像平面上的像素坐标P₁(m_1p,n_1p)和P₂(m_2p,n_2p),再根据相机像素与CCD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑点P在左右相机像平面上的像素坐标分别转化为像平面上的图像坐标P₁(x_1p,y_1p)和P₂(x_2p,y_2p); 4）以左相机焦点F₁(0,0,0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ：F₁F₂为X轴、从点F₁向下引垂线为Z轴，过点F₁沿河床纵向方向为Y轴，根据数码相机的标定参数f、L、φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P₁(x_1p,y_1p)和P₂(x_2p,y_2p)按转换公式换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P(X_P,Y_P,Z_P)； 激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为： 其中式中，P₁(x_1p,y_1p)和P₂(x_2p,y_2p)分别为模型床面上激光示踪斑点P在左右两个像平面上的图像坐标；f为左右相机的焦距；L为左右相机的焦点间距；φ为相机偏角；θ₁和θ₂为虚拟角度，表示模型床面上的点P在平面I上的投影点P_T与左右两相机焦点F₁与点F₂的连线F₁P_T和F₂P_T分别与线段F₁F₂和F₂F₁的夹角，平面I为过直线F₁F₂且垂直于模型床面的平面；ψ₁为P₁相对于左相机像平面中心点O₁的偏角∠O₁F₁K₁,表示角∠P₁F₁K₁,θ₁表示角∠K₁F₁F₂；同样ψ₂为P₂相对于右相机像平面中心点O₂的偏角∠O₂F₂K₂,θ₂为∠K₂F₂F₁；K₁和点K₂分别为P₁点和点P₂投影到I平面的点；5）以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标生成河工模型地形图。