基于双图像的折射率测量方法

本发明涉及的是一种折射率测量领域的技术，具体是一种基于双图像的折射率测量方法。

背景技术：

1、现有折射率测量技术基于激光偏折角来计算折射率，需要手动的将待测物质加入仪器中，无法满足工程测量中的灵活性需求。同时，这类仪器本质上属于单点测量，即只能测量所取样品的折射率，而在实际测量中，这样的单点测量方式极易受到环境波动的影响，从而导致测量结果的巨大偏差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术测量过程复杂、采用单图像标定而导致标定精度较低且实际环境波动对测量结果影响较大的缺陷，提出一种基于双图像的折射率测量方法，能够对实际应用环境折射率的微小变化进行识别，并且折射率测量精度优于0.017％，满足实际工程测量要求。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于双图像的折射率测量方法，通过相机采集设置于透明容器内标定板的图像，并建立包含透明容器特性的折射模型；再通过双图像标定法对折射模型进行标定；最后注入待测液体后采集位于透明容器内标定板的图像并通过标定后的折射模型得到待测液体的折射率。

4、所述的采集设置于透明容器内标定板的图像，包括：仅标定板置于透明容器内时采集的图像以及标定板和参考液体同时置于透明容器内时采集的图像。

5、所述的包含透明容器特性的折射模型是指：假设相机作为逆向光源，利用折射定律建立折射模型其中：pr为折射矩阵，k为深度系数，[x y z]’为空间任意一点的物理坐标，[u，v]’为该点映射到成像平面的像素坐标，a为相机内部参数矩阵，[rt]为相机与标定板之间的位姿关系。

6、所述的折射矩阵其中：参考矩阵rodrigues(m,n)为罗德里格斯旋转公式，表示以n为转轴，m为角度的旋转；n为透明容器的表面法向量，d为相机与正对的透明容器表面的距离，t为平板型透明容器的厚度；空气折射率n1、透明容器的折射率n2、参考溶液的折射率或待测物质的折射率n3；v0为根据相机内参a及像素坐标[u，v]以及相机焦距f得到的出射光的单位方向向量；r＝||[u,v,f]||。

7、所述的采集，优选采用背光照明的方式，能够保证标定板在较暗环境也能清晰成像，同时避免正投影光源的反光对成像的影响，同时从而保证特征点识别精度。

8、所述的标定是指：基于相机与标定板之间的位姿关系以及相机内部参数，利用harris角点提取算法提取采集设置于透明容器内标定板的图像中特征点的像点坐标信息，将该信息代入折射模型后进行标定，具体包括：

9、步骤1)根据仅标定板置于透明容器内时采集的图像以及标定板置于盛有参考液体的透明容器内时采集的图像之间的重投影关系，得到目标函数其中：(u2_i'，v2_i')、(u3_i'，v3_i')分别为利用折射模型计算得到的两幅图像中第i个特征点的像素坐标；(u2_i，v2_i)、(u3_i，v3_i)分别为利用harris角点提取算法得到的两幅图像中第i个特征点的像素坐标；n为特征点个数。

10、步骤2)输入模型初始参数及优化范围，包括待优化参数以及固定参数；待优化参数包括透明容器的空间定位参数、几何参数以及折射率，固定参数包括参考液体的折射率；其中，透明容器的空间定位参数以及几何参数可通过卡尺等简单测量工具大致测得，优化范围设为±1％；透明容器的折射率取该种材料的折射率范围的中间值，优化范围为该材料的上下限。

11、步骤3)将初始参数代入折射模型，并计算目标函数err的值，判定err是否大于0.1像素；若否，则输出初始参数，说明该初始参数已是最优值；若是，则继续步骤4)。

12、步骤4)基于粒子群优化算法改变待优化参数的值，代入折射模型并计算目标函数err的值。

13、步骤5)判定err是否小于0.1像素或者相邻两个err的差值△err是否小于0.000001像素；若否，则返回到步骤4)，若是，则继续步骤6)。

14、步骤6)输出参数，此时待优化参数已是最优解，称代入最优待优化参数的折射模型为完全标定的折射模型。

15、所述的待测液体的折射率，通过以下方式得到：

16、步骤a)根据位于含待测液体的透明容器内标定板的图像的重投影关系，得到目标函数：其中：(u4_i'，v4_i')为利用完全标定的折射模型计算得到的第i个特征点的像素坐标；(u4_i，v4_i)为利用特征点识别算法得到的第i个特征点的像素坐标；n为特征点个数。

17、步骤b)输入待测液体的折射率初始值及优化范围；其中，待测液体的折射率取该种介质的折射率范围的中间值，优化范围为该介质的上下限。

18、步骤c)代入步骤6)中得到的完全标定的折射模型，并计算目标函数err。

19、步骤d)判定err是否大于0.1像素；若否，输出待测液体的折射率初始值，说明该初始值已是最优值；若是，则继续步骤e)。

20、步骤e)基于粒子群优化算法改变待测液体的折射率的值，代入完全标定的折射模型，并计算目标函数err以及相邻目标函数err的差值△err。

21、步骤f)判定err是否小于0.1像素，或者△err是否小于0.000001像素；若是，输出待测液体的折射率，此时为最优解；若否，则返回步骤e)。

22、所述的相机与标定板之间的位姿关系，采用但不限于标定板置于透明容器外时采集的图像经坐标映射后得到。

23、所述的坐标映射是指：预先利用现有的相机标定方法对相机进行标定，得到相机的内部参数，再根据标定板置于透明容器外时采集的图像中提取的标定板特征点的像素坐标与实际空间点的对应关系，并代入相机透视模型中，最终得到该标定板相对于相机的位姿关系。

24、所述的相机的视场优选覆盖整个标定板，以保证标定板上的特征点能够全部在相机中成像。

25、所述的参考溶液的折射率优选大于待测物质的折射率，通过利用较大折射率的参考溶液对折射模型进行标定，再通过该标定的折射模型对待测物质进行测量时，可以拥有较高的灵敏度，因此当待测物质因环境变化而引起微小的折射率变化也能够被识别以及准确地测量。当应用场景为水下测量时，参考溶液为标准的乙醇溶液，待测物质可为纯净水、海水或盐水。当应用场景为大气测量时，参考溶液为标准的蒸馏水，待测物质为大气。

26、技术效果

27、本发明通过仅标定板置于透明容器内时采集的图像以及标定板置于盛有参考液体的透明容器内时采集的图像，对折射模型进行完全标定。相比现有技术，本发明实现区域折射率快速测量的同时，避免动态环境对测量结果的影响并显著提高了折射率的测量精度和适用性。

技术特征：

1.一种基于双图像的折射率测量方法，其特征在于，通过相机采集设置于透明容器内标定板的图像，并建立包含透明容器特性的折射模型；再通过双图像标定法对折射模型进行标定；最后注入待测液体后采集位于透明容器内标定板的图像并通过标定后的折射模型得到待测液体的折射率；

2.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的折射矩阵其中：参考矩阵rodrigues(m,n)为罗德里格斯旋转公式，表示以n为转轴，m为角度的旋转；n为透明容器的表面法向量，d为相机与正对的透明容器表面的距离，t为平板型透明容器的厚度；空气折射率n1、透明容器的折射率n2、参考溶液的折射率或待测物质的折射率n3；v0为根据相机内参a及像素坐标[u，v]以及相机焦距f得到的出射光的单位方向向量；r＝||[u,v,f]||。

3.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的采集，采用背光照明的方式。

4.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的标定是指：基于相机与标定板之间的位姿关系以及相机内部参数，利用harris角点提取算法提取采集设置于透明容器内标定板的图像中特征点的像点坐标信息，将该信息代入折射模型后进行标定。

5.根据权利要求1或4所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的标定，具体包括：

6.根据权利要求5所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的待测液体的折射率，通过以下方式得到：

7.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的相机与标定板之间的位姿关系，采用标定板置于透明容器外时采集的图像经坐标映射后得到；

8.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的相机的视场覆盖整个标定板，以保证标定板上的特征点能够全部在相机中成像。

9.根据权利要求1所述的基于双图像的折射率测量方法，其特征是，所述的参考溶液的折射率大于待测物质的折射率，通过利用较大折射率的参考溶液对折射模型进行标定，再通过该标定的折射模型对待测物质进行测量时，可以拥有较高的灵敏度。

技术总结
一种基于双图像的折射率测量方法，通过相机采集设置于透明容器内标定板的图像，并建立包含透明容器特性的折射模型；再通过双图像标定法对折射模型进行标定；最后注入待测液体后采集位于透明容器内标定板的图像并通过标定后的折射模型得到待测液体的折射率，本发明能够对实际应用环境折射率的微小变化进行识别，并且折射率测量精度优于0.017％，满足实际工程测量要求。

技术研发人员：丁天皓,陈巨兵,孙晨,马少鹏
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11