基于单摄像机的红外滤光片折射率的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及先进测量技术和自动化领域，更具体的，涉及一种基于单摄像机的红 外滤光片折射率的测量方法。
【背景技术】
[0002] 红外滤光片主要应用于安防监控领域，在计算机视觉和双目视觉导航领域，为了 对目标与背景快速分割或是对目标快速定位，经常使用近红外850nm波段滤光片滤掉不需 要的可见光谱段光线，如医用导航用快速精确测量定位，在镜头前加装红外滤光片；有时为 了满足摄像机在特殊情况下进行使用，经常使用透明材质做成的保护罩保护镜头或摄像机 不受损害，如单反镜头的UV镜以及海底双目测量定位装置的保护罩。在精密测量中，滤光 片以及透明保护罩对视觉测量精度都有不可忽略的影响，这个影响主要表现在滤光片以及 透明保护罩的折射率对成像光路的影响，在精密测量中红外滤光片及透明保护罩的影响不 能忽略，因此，准确测量红外滤光片及透明保护罩的折射率对摄像机成像的矫正以及双目 视觉精确测量定位具有重大实用价值。
[0003] 材料折射率通常采用光学仪器测量法进行测量，光学仪器测量法的优点是精度 高；缺点是需要昂贵的光学仪器，测量环境要求非常高，操作比较复杂。对于计算机视觉 应用领域来说，可以使用计算机视觉测量法对材料的折射率进行简单测量，计算机视觉 测量法的优点是器材要求低，只需要普通摄像头即可，对环境要求也不高，可以在各种环 境下进行，可以使用图像处理技术自动计算等。目前，使用计算机视觉法对材料折射率 进行测量，有两种方法对透明液体的折射率进行测量（Jason Gedge，Minglun Gong and Yee-Hong Yang，"Refractive Epipolar Geometry For Underwater Stereo Matching'，， 2011 Canadian Conference on Computer and Robot Vision,146-152)(Atsushi Yamashita1Akira Fujii and Toru Kaneko，''Three Dimensional Measurement of Objects in Liquid and Estimation of Refractive Index of Liquid by Using Images of Water Surface with a Stereo Vision System'，，2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena, CA, USA, May 19-23, 2008)，以上两篇文章提出的折射 率的测量具有极大的局限性。其一，该方法使用固体浸入液体中测量液体的折射率，因此只 适用于测量透明液体（如水）的折射率，并不适合测量透明固体的折射率；其二，红外滤光 片（850nm)的波段不属于可见光范畴，如果制定特殊的满足条件的红外标定板，则价格昂 贵，难以实现。
[0004] 目前，国内所研发的医用红外导航仪由于没有找到合适的对红外滤光片矫正（或 标定）技术，均没有考虑红外滤光片的影响，分析可知红外滤光片对医用红外导航仪测量 精度的影响是不可忽略的（医用导航仪的测量精度达到〇. 25_，一般红外滤光片的厚度在 1~3mm左右），同时滤光片对摄像机成像不能通过简单的标定技术消除。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种基于单摄像机红外滤光片 折射率的测量方法。当摄像机镜头前端加红外滤光片时，通过测量红外滤光片的折射率，矫 正红外滤光片对摄像机成像的影响，进一步提高红外医用导航仪的测量精度。本发明可广 泛应用于普通摄像机所使用的红外滤光片折射率的测量以及平板玻璃等可透光平面平行 板折射率的测量，在带有红外滤光片摄像机成像校正和医用红外导航仪的精确定位中有着 重要应用，可降低红外滤光片对摄像机成像的影响以及提高医用红外导航仪的精度。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种基于单摄像机的红外滤光片折射率的测量方法，包括以下几个步骤：
[0008] 步骤一，利用单摄像机标定方法对摄像机进行标定，确定出摄像机的内参数矩阵A 和畸变参数S ;
[0009] 步骤二，设计棋盘格标定板，在一定太阳光照射下，太阳光中850nm光谱段辐射强 度较强，调整摄像机的光圈到合适的位置，一般需要调到接近最大位置，使有红外滤光片时 和无红外滤光片时，摄像机能采集得到棋盘格标定板的图像清晰；
[0010] 步骤三，固定好摄像机与棋盘格标定板，使用摄像机拍摄棋盘格标定板的图像Ivl; 然后在摄像机镜头前加装红外滤光片，拍摄棋盘格标定板的图像Iv2。利用畸变参数S对两 幅图像Ivl、Iv2进行畸变校正，得到不含有畸变信息的两幅图像I vbl、Ivb2;
[0011] 步骤四，使用角点提取算法，提取两幅图像Ivbl、Ivb2的棋盘格的角点坐标序列Cp C2;
[0012] 步骤五，根据棋盘格角点C1，计算摄像机相对于棋盘格的外参旋转矩阵R、平移矩 阵t和棋盘格标定板相应角点在摄像机坐标系中的空间坐标序列X ;
[0013] 步骤六，通过图像中棋盘格角点坐标序列Q、C2和棋盘格标定板相应角点在摄像 机坐标系中的空间坐标X，根据Snell定律计算得到红外滤光片的折射率η。
[0014] 步骤二的棋盘格标定板，对850nm近红外光漫反射较强，镜面反射较差，棋盘格标 定的材质选择普通的打印纸，不要压膜。
[0015] 本发明所提出的基于单摄像机的红外滤光片折射率的测量方法，使用器材简单易 得，比使用光学仪器法易于操作，并且精度较高，可以满足实际应用需求。
[0016] 本发明提出的基于单摄像机的红外滤光片折射率的测量方法，在医用红外导航仪 的校正和医用红外导航仪的精确定位中有着重要应用，对于提高测量精度具有重要的实用 价值。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的摄像机采集图像未加红外滤光片时的成像示意图；
[0018] 图2为本发明的摄像机采集图像加红外滤光片时的成像示意图；
[0019] 图3为本发明的单摄像机的红外滤光片折射率的测量方法原理示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的描述。
[0021] 为了更好地讲解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步的详细描 述。
[0022] 本发明方法，首先制定满足要求的棋盘格标定板，并把摄像机的光圈调到合适位 置；其次利用单摄像机标定方法，标定摄像机的内参数和畸变参数（Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11) : 1330-1334, 2000.);然后用摄像机拍摄棋盘格标定板的图 像，在保证摄像机和标定板位置不动的情况下，在镜头前加装850nm红外滤光片后，应该保 证红外滤光片表面与镜头表面平行，第二次拍摄棋盘格标定板的图像；最后通过计算得到 红外滤光片的折射率。
[0023] 使用单摄像机标定算法（Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration.IEEE Transactions on Pattern Analy