胡廣勝+王青+單清群

摘 要：隨著紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單、無(wú)損、非接觸的檢測(cè)方法，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視與研究，相關(guān)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)主要是紅外熱成像和可見(jiàn)光成像的標(biāo)定方法。文章基于熱成像原理，設(shè)計(jì)了一套用于紅外和可見(jiàn)光攝像機(jī)標(biāo)定平臺(tái)，并利用OpenCV函數(shù)開(kāi)發(fā)了一套雙目標(biāo)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)能使可見(jiàn)光攝像機(jī)標(biāo)定的結(jié)果準(zhǔn)確、迅速。

關(guān)鍵詞：標(biāo)定；標(biāo)定臺(tái)；紅外熱成像；OpenCV

前言

配電盤是軌道車輛的核心部件，包含了電氣電路中八成以上的核心部件和電氣接點(diǎn)，控制著車輛、信號(hào)及電能傳輸?shù)雀鞣N電氣功能，但實(shí)際中工藝復(fù)雜，施工難度極高，接線端子數(shù)量龐大，檢驗(yàn)出的結(jié)果有效性差。在進(jìn)行軌道車輛的配電柜生產(chǎn)過(guò)程中，由于工序復(fù)雜，員工在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)諸如線性錯(cuò)誤、線號(hào)錯(cuò)誤、端子壓接不規(guī)范（虛接、錯(cuò)接、漏接等）、出線位置不規(guī)范、器件型號(hào)混裝、器件位置不當(dāng)、錯(cuò)裝、漏裝器件等問(wèn)題，造成由于配線、壓線問(wèn)題而出現(xiàn)起火、短路或接地缺陷等。

隨著紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展，在生產(chǎn)中該技術(shù)的非接觸的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。紅外熱成像技術(shù)基于光電轉(zhuǎn)換原理，把物體通過(guò)加熱產(chǎn)生的熱輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)[1]。但紅外熱成像畫面與可見(jiàn)光相比，清晰度比較差，因此為了信息參數(shù)的精確性，研究人員考慮將紅外熱成像與可見(jiàn)光圖像進(jìn)行融合，并將所得到的信息進(jìn)行歸納整合，得到精確的數(shù)據(jù)與結(jié)論[2-4]。

在進(jìn)行圖像融合之前，首先進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定：即確定兩臺(tái)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)配置。圖像配準(zhǔn)是確定處于同一場(chǎng)景下來(lái)自不同視角、不同時(shí)間甚至不同成像傳感器的兩或多幅圖像之間的空間變換關(guān)系的技術(shù)。目前圖像配準(zhǔn)的方法主要有線性標(biāo)定法、非線性攝像機(jī)標(biāo)定法和自標(biāo)法等。但是，由于圖像標(biāo)定受到各種外部條件的限制，目前仍然沒(méi)有一套快速、準(zhǔn)確的圖像標(biāo)定系統(tǒng)以滿足實(shí)際的需求。本文通過(guò)研究攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)原理，設(shè)計(jì)出一套準(zhǔn)確度很高的紅外與可見(jiàn)光攝像機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)。

1 標(biāo)定圖片采集

一般情況下標(biāo)定是以確定形狀及尺寸的模板進(jìn)行標(biāo)定。與可見(jiàn)光相機(jī)直接提取標(biāo)定板的紋理特征不同，紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)對(duì)被測(cè)物體發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行特征提取、圖形處理得到被測(cè)物紅外圖像，因此必須以一種特殊的方式對(duì)紅外熱成像樣板進(jìn)行采集。當(dāng)今學(xué)者對(duì)于紅外熱成像樣本采集，取得了很大的進(jìn)步與突破。如S.Vidas等人通過(guò)對(duì)金屬薄板進(jìn)行加熱，將其貼附在標(biāo)定紙板上，將標(biāo)定板上的特殊位置選定為基準(zhǔn)，進(jìn)行樣本采集，完成紅外攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定[5]。張小玉等人通過(guò)不同導(dǎo)熱體加熱后產(chǎn)生的熱輻射區(qū)不同，集成了一個(gè)紅外熱成像標(biāo)定箱，通過(guò)其加熱后產(chǎn)生的變化明顯的熱輻射區(qū)，完成紅外攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定[6]。R.Yang等人設(shè)計(jì)了新型紅外攝像標(biāo)定裝置，可同時(shí)對(duì)三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。用深色塑料板做成標(biāo)定板，在標(biāo)定板上均勻挖出孔，將發(fā)熱的燈泡放入標(biāo)定板上的孔中，保證兩臺(tái)攝像機(jī)和紅外熱像儀能準(zhǔn)確定位到上述孔，裝置中兩臺(tái)可見(jiàn)光攝像機(jī)構(gòu)成了一個(gè)雙目視覺(jué)系統(tǒng)，能夠?qū)?biāo)定板上的孔精確定位，再計(jì)算出相應(yīng)小孔的坐標(biāo)，完成紅外熱像儀的內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，但此方法的準(zhǔn)備及制作過(guò)程繁瑣，所得標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確度較低[7]。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單紅外和可見(jiàn)光圖像圖像標(biāo)定的平臺(tái)，能夠?qū)μ幱谕粋€(gè)視場(chǎng)中采集到的可見(jiàn)光圖像和紅外熱成像圖像進(jìn)行精確的標(biāo)定，建立紅外熱圖像與可見(jiàn)光圖像之間的一一映射關(guān)系，比現(xiàn)有的標(biāo)定平臺(tái)位置精度要高，同時(shí)紅外熱成像熱敏感區(qū)域溫度可調(diào)、可控，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外溫度采集的修正和標(biāo)定。

2 攝像機(jī)標(biāo)定原理

在視覺(jué)圖像測(cè)量應(yīng)用中，為了得到空間物體某點(diǎn)的三維幾何信息與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，并利用攝像機(jī)得到的圖像信息來(lái)計(jì)算空間中物體的幾何位置，就必須建立攝像機(jī)的成像幾何模型，包括攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)等。攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定在計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用中是非常重要的一步，其標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響到以后測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文采用線性攝像機(jī)數(shù)學(xué)方程來(lái)確定圖像成像的三維空間關(guān)系。以攝像機(jī)為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，得到其與圖像坐標(biāo)系投影關(guān)系，如圖2所示。

在圖像上設(shè)中心像素坐標(biāo)為（u0，v0），圖像中每個(gè)像素點(diǎn)在坐標(biāo)軸X、Y方向上的物理長(zhǎng)度為dx、dv，則在兩坐標(biāo)系下圖像像素點(diǎn)的關(guān)系為

（x，y）為圖像幾何單位坐標(biāo)，（u，v）為圖像像素單位坐標(biāo)。

在線性攝像機(jī)數(shù)學(xué)方程中，利用旋轉(zhuǎn)矩陣【R】、平移向量【T】來(lái)表示攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的的關(guān)系，如式（2）所示。

式中（Xw，Yw，Zw，1）和（Xc，Yc，Zc，1）為空間任意一點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)。

若在空間中存在點(diǎn)P（Xw，Yw，Zw），其在攝像機(jī)空間坐標(biāo)為（Xc，Yc，Zc）。將原點(diǎn)Oc和P連線與圖像相交于p點(diǎn)，即為P點(diǎn)在圖像上的投影位置，圖像平面和光學(xué)中心的距離設(shè)為有效焦距f。根據(jù)數(shù)學(xué)方程有如下關(guān)系。

用齊次坐標(biāo)與矩陣可表示為

將公式（1）與公式（2）帶入（5）式中，可得在廣義坐標(biāo)系下，P點(diǎn)和投影p點(diǎn)的位置關(guān)系。

式中 M1為內(nèi)參數(shù)矩陣；M2為外參數(shù)矩陣。

3 標(biāo)定平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)標(biāo)定平臺(tái)能同時(shí)標(biāo)定可見(jiàn)光相機(jī)和紅外熱成像儀，主要包括黑白分明的漫反射棋盤格裝置（內(nèi)附發(fā)熱元件、測(cè)溫元件和連接導(dǎo)線等）和溫控裝置等。所述發(fā)熱元件集成在黑白格的角點(diǎn)處，所述測(cè)溫元件和發(fā)熱元件通過(guò)釬焊的方式固接在一起，通過(guò)溫控裝置控制發(fā)熱元件的導(dǎo)通，使黑白角點(diǎn)處的發(fā)熱元加熱。黑白棋盤格的機(jī)體由絕熱元件組成，通過(guò)溫控裝置控制黑白角點(diǎn)處的溫度。雙通道的成像系統(tǒng)（集成了可見(jiàn)光成像傳感器和紅外熱成像傳感器的雙目相機(jī)）通過(guò)采集該黑白棋盤格表面的可見(jiàn)光圖片和熱敏感點(diǎn)圖像，實(shí)現(xiàn)雙目相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定。標(biāo)定平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3、4所示。

當(dāng)需要進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，通過(guò)可見(jiàn)光相機(jī)和紅外相機(jī)同時(shí)采集溫控棋盤格表面的漫反射貼紙，可見(jiàn)光中可以拍攝黑白相間的可見(jiàn)光圖像，紅外熱像儀獲取的灰度圖片為帶有大約0.1mm超亮白點(diǎn)的黑底紅外熱圖，通過(guò)溫控儀可以調(diào)節(jié)白點(diǎn)的亮度，使其具有更高的辨識(shí)度，同時(shí)可以對(duì)紅外熱像儀的溫度值進(jìn)行標(biāo)定和校核。利用發(fā)熱元件在可見(jiàn)光圖像中的實(shí)際位置關(guān)系，可對(duì)兩種相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行分別標(biāo)定，建立兩種視覺(jué)系統(tǒng)下的意義映射關(guān)系。

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 基于OpenCV的攝像機(jī)標(biāo)定

OpenCV是一個(gè)基于BSD許可（開(kāi)源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，輕量級(jí)而且高效，由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。在OpenCV中， 攝像機(jī)的標(biāo)定是利用平面方格作為標(biāo)定模板，進(jìn)行多個(gè)方向的測(cè)量，其中攝像機(jī)與標(biāo)定板的位置是不固定的，可自由移動(dòng)。在標(biāo)定模板的周圍，預(yù)留了一定寬度的黑色區(qū)域是為了增加角點(diǎn)提取的可提取率 。OpenCV出力的函數(shù)，滿足計(jì)算準(zhǔn)確、運(yùn)行速度快、過(guò)程簡(jiǎn)單等高效的標(biāo)定算法。

4.2 角點(diǎn)提取

獲取圖像之后就需要對(duì)其進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，角點(diǎn)提取成功是否與輸入模板圖像的質(zhì)量有重要關(guān)系，因此在提取角點(diǎn)之前要對(duì)其進(jìn)行一定的增強(qiáng)處理來(lái)提高角點(diǎn)檢測(cè)的成功率。角點(diǎn)提取是由函數(shù) cv Find Chessboard Corners來(lái)完成，如果該函數(shù)返回值為1，則表示在該幅圖像上所有的內(nèi)角點(diǎn)都已完全提取出來(lái)了，此時(shí)說(shuō)明角點(diǎn)提取成功；若返回值為0，則說(shuō)明角點(diǎn)提取失敗，這樣的圖像就不能在標(biāo)定計(jì)算中使用，則要將其丟棄，并進(jìn)行下一幅圖像的采集。

攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)的精度會(huì)與之前所得到的角點(diǎn)精度與直接關(guān)系，其影響成正比。因此為了更精確的攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)，必須對(duì)所提取角點(diǎn)的精度加以控制。

4.3 標(biāo)定結(jié)果的顯示與保存

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，，可以利用函數(shù)cv Show Image（）將需要觀察的角點(diǎn)的圖像顯示出來(lái)。提取后的角點(diǎn)如圖5所示。最終標(biāo)定的各種參數(shù)在程序界面中顯示，為了方便以后目標(biāo)距離計(jì)算時(shí)使用這些參數(shù)，并將其結(jié)果以數(shù)組的形式保存在文件中。Open CV 提供了大量用于文件處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及函數(shù)，利用這些函數(shù)可以很方便地進(jìn)行文件的讀寫操作。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上的標(biāo)定原理及方法，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明此標(biāo)定運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)定精度較高，而且運(yùn)行速度較快，具有較強(qiáng)實(shí)用性。用位置固定的攝像機(jī)采集了在不同角度的多組方格標(biāo)定模板圖像，校準(zhǔn)后的圖形如圖6所示。

上述結(jié)論達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，將雙目攝像機(jī)的參數(shù)校正后，可以實(shí)現(xiàn)將左右攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行位置的變換、空間的平移、疊加等，且變換后的兩個(gè)圖像的配準(zhǔn)也與預(yù)期的目標(biāo)基本吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了紅外成像與可見(jiàn)光成像的標(biāo)定方法，結(jié)合紅外成像原理，設(shè)計(jì)了紅外和可見(jiàn)光攝像機(jī)標(biāo)定平臺(tái)?；贠penCV的函數(shù)完成了雙目視覺(jué)系統(tǒng)攝像機(jī)的標(biāo)定，使用這種標(biāo)定方法在進(jìn)行兩圖像標(biāo)定時(shí)，可見(jiàn)光圖像和熱成像圖像在空間上坐標(biāo)相同，紅外熱敏感區(qū)域小于0.1mm，處于可見(jiàn)光圖像的角點(diǎn)，大大提高了匹配精度；棋盤格標(biāo)定板的紅外熱敏感區(qū)域的溫度可控，分辨率為0.1K，范圍25℃～200℃，提高了熱成像圖像的顯示精度及對(duì)熱敏感區(qū)溫度控制進(jìn)度；本裝置中支撐黑白格和發(fā)熱元件的基體采用絕熱材料制作，降低了熱傳導(dǎo)，提高了紅外熱敏感區(qū)域的分辨率；本裝置的設(shè)計(jì)使得紅外熱圖和可見(jiàn)光圖可以同時(shí)標(biāo)定，標(biāo)定算法和操作流程通用，能實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定；本平臺(tái)的中的發(fā)熱元件和測(cè)溫元件通過(guò)釬焊的方式固接在一起，能夠快速的響應(yīng)溫度變化，提高系統(tǒng)的控溫精度。

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