基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法与流程

本发明属于三维测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法。

背景技术：

动态物体关键点三维测量是使用三维测量仪器连续追踪运动物体关键点三维坐标的技术，这种技术可以用于测量或者分析运动物体的关键点变形、运动速度、加速度、关键点振动、轨迹和姿态角等关键数据，在航空航天、空气动力、汽车工业等领域都有着广泛的应用。基于视觉测量的动态物体关键点三维测量技术以其非接触、测量速度快、操作简单等优点在动态物体关键点三维测量领域发挥着重要作用。

基于视觉测量的动态物体关键点三维测量技术通常使用两个数字相机同时从不同角度连续拍摄被测物体，通过图像处理、对应点查找及三维重构来获得被测特征的三维坐标，这种技术可分为在线测量与离线测量，在进行高速动态物体关键点三维测量时，由于测量速度较快，目前一般使用离线测量方法进行高速动态物体关键点三维测量，即先使用相机采集图像，然后进行数据计算与分析。

高速动态物体关键点三维测量时，进行图像采集的相机帧率需要与测量速度对应，因此当测量速度较快时，需要采集帧率较大的高速相机进行图像采集。然而，使用高速相机进行图像采集存在以下缺陷：1.数字相机的价格随着采集帧率的增加呈指数倍增加，高速相机的价格更是高达几十万元，严重增加了高速动态物体关键点三维测量的成本；2.由于图像传输或者保存速度的限制，当图像采集帧率较大时，图像分辨率较低，严重影响了采集图像的质量与测量精度；3.由于图像存储空间的限制，进行高速动态物体关键点三维测量时，持续测量时间较短，当需要测量时间较长时，使用高速相机进行测量无法满足测量需求。相应地，本领域存在着发展一种测量成本较低的高速动态物体关键点三维测量方法的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法，其基于高速动态物体关键点三维测量的特点，针对高速动态物体关键点三维测量方法进行了设计。所述高速动态物体关键点三维测量方法采用多个低速相机组成低速相机阵列来进行高速图像采集，然后根据低速相机阵列中组成的各双目视觉测量系统的坐标系到世界坐标系的转换关系，将各个双目视觉测量系统的测量数据转换到世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量，降低了测量成本，测量精度较高，测量时间较长。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法，其包括以下步骤：

(1)提供一个关键点三维测量系统，所述关键点三维测量系统包括第一低速相机阵列及第二低速相机阵列，所述第一低速相机阵列与所述第二低速相机阵列组成了多个双目视觉测量系统；对所述关键点三维测量系统进行系统标定以获得各个低速相机的内部参数和外部参数，进而获得各个双目视觉测量系统到世界坐标系的转换关系；

(2)控制所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中的低速相机按照时序顺序同时进行图像采集，并将采集到的图像进行实时保存；

(3)将高速动态物体关键点三维测量看作多个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的组合，并计算各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据，进而依据各个双目视觉测量系统到世界坐标系的转换关系将各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据转换到所述世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量。

进一步地，所述关键点三维测量系统还包括时序触发控制器所述时序触发控制器分别连接于所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列，其用于根据低速相机阵列中的时序关系触发低速相机阵列中的低速相机进行图像拍摄。

进一步地，所述关键点三维测量系统还包括图像存储器，所述图像存储器电性连接于所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列，其用于实时存储所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列拍摄的图像。

进一步地，所述关键点三维测量系统还包括计算机，所述计算机用于进行系统标定、图像处理、对应点匹配及三维重构。

进一步地，所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列包含相同数量的低速相机，且各低速相机的规格相同。

进一步地，所述低速相机的最大采集帧率fmax满足：其中，v为测量速度，n为单个低速相机阵列中低速相机的个数。

进一步地，所述关键点三维测量系统的系统标定包括以下子步骤：

(a)使用所述第一低速相机阵列与所述第二低速相机阵列中的所有低速相机同时拍摄多副标靶在不同姿态下的图像；

(b)分别使用双目视觉测量系统标定方法标定出各个双目视觉测量系统的系统参数；

(c)依次计算第i个(1≤i≤n，n为单个低速相机阵列中低速相机的数量)双目视觉测量坐标系到第一个双目视觉测量坐标系的旋转矩阵ri和平移向量ti，完成测量系统的标定。

进一步地，计算各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据包括以下子步骤：

(s1)采用图像处理方法计算关键点在图像中的像素坐标；

(s2)根据立体视觉的极线几何关系寻找到预定图像上的关键点在另一个低速相机拍摄的图像中的对应点；

(s3)采用三维重构算法计算出关键点在双目视觉测量系统测量坐标系下的坐标。

进一步地，将各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据转换到所述世界坐标系下是根据公式(1)进行的，公式(1)为

p1＝ripi+ti(1)

其中，p1为第一双目视觉测量坐标系中的三维点坐标，pi为第i个双目视觉测量坐标系中的三维点坐标，ri和ti分别为步骤(1)中标定得到的第i个双目视觉坐标系到第一个双目视觉坐标系的旋转矩阵与平移向量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明较佳实施方式提供的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法主要具有以下有益效果：

(1)采用多个低速相机组成低速相机阵列来进行高速图像采集，避免了使用高速相机，降低了测量成本，保证了图像质量；

(2)根据低速相机阵列中组成的各双目视觉测量系统的坐标系到世界坐标系的转换关系，将各个双目视觉测量系统的测量数据转换到世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量，测量精度较高，测量时间较长；

(3)所述高速动态物体关键点三维测量方法简单易于实现，可以满足更长的测量时长要求，有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法的流程示意图；

图2是图1中的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法涉及的关键点三维测量系统的结构框图。

具体实施方式

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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法，所述高速动态物体关键点三维测量方法采用多个低速相机(相对于高速相机而言)组成低速相机阵列来进行高速图像采集，然后根据低速相机阵列中组成的各双目视觉测量系统的坐标系到世界坐标系的转换关系，将各个双目视觉测量系统的测量数据转换到世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量，降低了测量成本，测量精度较高，测量时间较长，克服了现有基于视觉的高速动态物体关键点三维测量方法在进行高速动态物体关键点三维测量时存在的测量成本高、图像质量差、持续测量时间短等缺点。

本实施方式中，所述的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供一个关键点三维测量系统，所述关键点三维测量系统包括第一低速相机阵列及第二低速相机阵列，所述第一低速相机阵列与所述第二低速相机阵列组成了多个双目视觉测量系统；对所述关键点三维测量系统进行系统标定以获得各个低速相机的内部参数和外部参数，进而获得各个双目视觉测量系统到世界坐标系的转换关系。

具体地，所述关键点三维测量系统还包括时序触发控制器、图像存储器及计算机，所述时序触发控制器分别连接于所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列，其用于根据低速相机阵列中的时序关系触发低速相机阵列中的低速相机进行图像拍摄。

所述图像存储器连接于所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列，其用于实时存储所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列拍摄的图像。

所述计算机用于进行系统标定、图像处理、对应点匹配、三维重构等。本实施方式中，所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列包含相同数量的低速相机，且各低速相机的规格相同，所述低速相机的最大采集帧率fmax满足：其中，v为测量速度，n为单个低速相机阵列中低速相机的个数。

在对所述关键点三维测量系统进行系统标定时，所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中低速相机序号相同的两低速相机标记为一套双目视觉测量系统，如在所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中序号为i的两个相机标记为第i个双目视觉测量系统(1≤i≤n，n为单个低速相机阵列中低速相机的数量)，则基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量系统可以看作是多套双目视觉测量系统的组合。具体地，将第一个双目视觉测量系统的测量坐标系定义为世界坐标系；标定时，使用所述第一低速相机阵列与所述第二低速相机阵列中的所有低速相机同时拍摄多副标靶在不同姿态下的图像，然后分别使用双目视觉测量系统标定方法标定出各个双目视觉测量系统的系统参数，最后依次计算第i个双目视觉测量坐标系到第一个双目视觉测量坐标系的旋转矩阵ri和平移向量ti，完成测量系统的标定。各个双目视觉测量系统测量坐标系到第一双目视觉测量坐标系的旋转矩阵及平移向量体现了各个双目视觉测量系统到世界坐标系的转换关系。

步骤二，控制所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中的低速相机按照时序顺序同时进行图像采集，并将采集到的图像进行实时保存。具体地，在进行图像采集时，所述时序触发控制器控制所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中的低速相机按照时序顺序进行图像采集，即：所述第一低速相机阵列及所述第二低速相机阵列中序号为i的两个低速相机同时在第时刻采集图像，其中k为单个低速相机已经采集的图像张数，n为低速相机阵列中相机的个数。所述低速相机采集的图像实时保存在所述图像存储器内，以便于所述计算机进行三维数据计算时使用。

步骤三，将高速动态物体关键点三维测量看作多个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的组合，并计算各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据，进而依据各个双目视觉测量系统到世界坐标系的转换关系将各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据转换到所述世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量。

具体地，基于低速相机阵列的动态物体关键点三维测量系统可以看作多套双目视觉动态物体关键点三维测量系统的组合，在基于低速相机阵列的动态物体关键点测量系统三维计算前需要先计算各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据计算，然后根据公式(1)将各个双目视觉动态物体关键点三维测量系统的三维数据转换到第一双目视觉测量坐标系中，以完成基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量。

p1＝ripi+ti(1)

其中，p1为第一双目视觉测量坐标系中的三维点坐标，pi为第i个双目视觉测量坐标系中的三维点坐标，ri和ti分别为步骤一中标定得到的第i个双目视觉坐标系到第一个双目视觉坐标系的旋转矩阵与平移向量。

双目视觉动态物体关键点测量系统的三维数据计算包括以下步骤：关键点提取、对应点匹配及三维重构。关键点提取是使用图像处理方法计算关键点在图像中的像素坐标，其中关键点可以为圆形关键点或者角点关键点；对应点匹配是根据立体视觉的极线几何关系寻找到特定图像上的关键点在另一个低速相机图像中的对应点；对应点匹配完成后就可以使用三维重构算法计算出关键点在双目视觉测量系统测量坐标系下的坐标。一般双目视觉测量系统测量坐标系与双目视觉测量系统左相机的相机坐标系重合。

本发明提供的基于低速相机阵列的高速动态物体关键点三维测量方法采用多个低速相机组成低速相机阵列来进行高速图像采集，然后根据低速相机阵列中组成的各双目视觉测量系统的坐标系到世界坐标系的转换关系，将各个双目视觉测量系统的测量数据转换到世界坐标系下，以完成高速动态物体关键点三维测量，降低了测量成本，测量精度较高，测量时间较长。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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。