本發(fā)明涉及一種基于光纖以太網(wǎng)的多目攝像機(jī)同步數(shù)據(jù)采集方法基于光纖以太網(wǎng)的多目攝像機(jī)同步數(shù)據(jù)采集方法，屬于機(jī)器視覺(jué)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的成像技術(shù)主要采集來(lái)自目標(biāo)輻射的光譜和強(qiáng)度信息，當(dāng)目標(biāo)在水下時(shí)，水的散射及水面的反射造成圖像反差下降，從而影響對(duì)目標(biāo)物體的觀測(cè)與識(shí)別，采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度成像技術(shù)無(wú)法有效檢測(cè)與識(shí)別，為實(shí)現(xiàn)在這些復(fù)雜背景使用環(huán)境中識(shí)別和捕獲感興趣的目標(biāo)，需要發(fā)展新的成像技術(shù)。偏振成像其利用物質(zhì)的偏振特性來(lái)提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度，降低了目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程中的難度，同時(shí)減少了計(jì)算量，早期的偏振成像系統(tǒng)一般只能獲取目標(biāo)的線偏振分量，而隨著目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，成像系統(tǒng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的需要。

根據(jù)偏振測(cè)量理論，目標(biāo)多個(gè)偏振分量圖像必須在相同的條件下獲得，偏振成像結(jié)果的正確性依賴于整個(gè)成像過(guò)程中目標(biāo)和圖像傳感器都處于靜止?fàn)顟B(tài)且光輻射環(huán)境不變。然而在實(shí)際使用環(huán)境中，圖像傳感器可能處于運(yùn)動(dòng)中，或需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，尤其是水下環(huán)境測(cè)量時(shí)會(huì)引入誤差甚至虛假偏振信息。為此，需要發(fā)展同時(shí)偏振成像技術(shù)，即通過(guò)同步曝光獲得目標(biāo)的多幅偏振分量圖像。同時(shí)偏振成像探測(cè)精度高、不受探測(cè)目標(biāo)和系統(tǒng)自身相互運(yùn)動(dòng)以及外界環(huán)境擾動(dòng)的影響，探測(cè)速度快，可用于快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)，系統(tǒng)中無(wú)運(yùn)動(dòng)器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高，是偏振成像系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于光纖以太網(wǎng)的三目標(biāo)定方法和同步采集方法，主要包括三目攝像機(jī)標(biāo)定和三通道同步偏振圖像數(shù)據(jù)采集，三通道標(biāo)定用以求解攝像機(jī)的各種外部、內(nèi)部參數(shù)以及攝像機(jī)之間參數(shù)，包括攝像機(jī)的水平方向放大系數(shù)，垂直方向放大系數(shù)，水平方向和垂直方向的耦合放大系數(shù)，攝像機(jī)拍攝圖像中心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，以及徑向畸變系數(shù)，繞x,y,z軸旋轉(zhuǎn)角度和光心坐標(biāo)，攝像機(jī)之間參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣以及平移矢量；三目攝像機(jī)基于光纖以太網(wǎng)連接，形成三通道同步采集，光纖以太網(wǎng)使用以太網(wǎng)令牌，控制三通道之前延時(shí)時(shí)間補(bǔ)償，同步實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用的每個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定一次，攝像機(jī)之間參數(shù)需要標(biāo)定兩次。此方法適用于多目攝像機(jī)標(biāo)定，需標(biāo)定的參數(shù)較少，計(jì)算量較小，數(shù)據(jù)交換方便，運(yùn)行速度較快。

技術(shù)方案：一種基于光纖以太網(wǎng)的多目攝像機(jī)同步數(shù)據(jù)采集方法，包括三通道標(biāo)定和三通道同步采集兩大步驟；

所述三通道標(biāo)定步驟中，基于拍攝的標(biāo)定板求取攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)和攝像機(jī)之間參數(shù)；所述內(nèi)部參數(shù)包括攝像機(jī)的水平方向放大系數(shù)λ_x，垂直方向放大系數(shù)λ_y，水平方向和垂直方向的耦合放大系數(shù)λ_s，攝像機(jī)拍攝圖像中心的橫坐標(biāo)u₀和縱坐標(biāo)v₀，以及徑向畸變系數(shù)；所述外部參數(shù)包括繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ和光心坐標(biāo)(x_c,y_c,z_c)；所述攝像機(jī)之間參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣R以及平移矢量T。

所述標(biāo)定步驟具體包括：

(1)安裝固定好三通道攝像機(jī)，攝像機(jī)按順序設(shè)置為攝像機(jī)1、攝像機(jī)2、攝像機(jī)3，將標(biāo)定板事先放置好，選擇攝像機(jī)1，調(diào)整好焦距；

(2)用攝像機(jī)1正直拍攝標(biāo)定板，得到目標(biāo)陣列n×m的圖像；

(3)建立攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)模型，具有5個(gè)參數(shù)，模型如下：

(4)根據(jù)圖像坐標(biāo)和對(duì)象空間坐標(biāo)的關(guān)系，利用線性最小二乘法，求出標(biāo)定系數(shù)矩陣M_in，得出內(nèi)部參數(shù)；

(5)根據(jù)求得的標(biāo)定系數(shù)矩陣M_in，求出圖像點(diǎn)在焦距歸一化成像平面上的成像點(diǎn)坐標(biāo)，并基于徑向畸變模型，求得徑向畸變系數(shù)，建立徑向畸變模型：

其中，(u,v)為圖像實(shí)際坐標(biāo)，r為圖像點(diǎn)到參考點(diǎn)(u′,v′)的距離，k_u′和k_v′為二階畸變系數(shù)。

所述攝像機(jī)之間的參數(shù)，具體求解過(guò)程包括：

(1)考慮到空間一點(diǎn)p，在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)矢量為X，在攝像機(jī)1和攝像機(jī)2中攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量為x_c1和x_c2，兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

這樣從攝像機(jī)1到攝像機(jī)2的關(guān)系為：

x_c2＝Rx_c1+T (5)

其中T＝T₂-RT₁，求得攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。

(2)在攝像機(jī)2和攝像機(jī)3中攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量為x_c2和x_c3，兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

這樣從攝像機(jī)2到攝像機(jī)3的關(guān)系為：

x_c3＝Rx_c2+T (7)

其中T＝T₃-RT₂，求得攝像機(jī)2和3之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量。

所述三通道同步步驟具體包括：

(1)把數(shù)字信號(hào)處理單元即DSP模塊設(shè)定為主站，每個(gè)通道偏振成像模塊包括一個(gè)FPGA模塊，和主站組成以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，主站為周期性發(fā)送數(shù)據(jù)的各個(gè)偏振成像通道產(chǎn)生令牌，通道數(shù)據(jù)發(fā)送周期分別為ti(i＝1，2，3)；

(2)三個(gè)偏振成像通道根據(jù)其在控制網(wǎng)絡(luò)中的偏振角度在初始化時(shí)被分配一個(gè)邏輯序號(hào)00、01和10，將邏輯序號(hào)按順序連接，三通道和主站首尾成像通道相連便形成了一個(gè)邏輯環(huán)；

(3)采用令牌技術(shù)控制各成像通道的數(shù)據(jù)發(fā)送，并設(shè)令牌在3個(gè)通道之間輪流傳遞一次，各通道完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送所需的時(shí)間為S，則S應(yīng)滿足S＜min(S1，S2，S3)；

(4)令牌的起始和結(jié)束定界符的位格式都是JK0JK000；訪問(wèn)控制字段的位格式是PPPUMRRR(PPP是3個(gè)優(yōu)先級(jí)位，RRR 為3個(gè)預(yù)約比特，這里表示各通道接收數(shù)據(jù)幀后所需延時(shí)時(shí)間，U用于表示令牌的狀態(tài))，延時(shí)時(shí)間根據(jù)令牌邏輯傳遞順序，設(shè)定三通道同步；

(5)在基于令牌協(xié)議的三通道以太網(wǎng)絡(luò)中，只有當(dāng)令牌的優(yōu)先級(jí)低于各通道設(shè)備的優(yōu)先級(jí)時(shí)，各成像通道才能獲得空閑的令牌，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，所以令牌的訪問(wèn)控制字段PPP始終保持為000；U設(shè)置為0，表示此時(shí)的令牌處于空閑狀態(tài)；為1則表示此時(shí)的令牌處于忙狀態(tài)，即被成像通道捕獲；

(6)主站產(chǎn)生令牌以后，然后封裝成令牌幀，各通道在初始化時(shí)，在電子表格中保存了邏輯號(hào)順序和通道地址，接收令牌的通道，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器，讀取控制字段中延時(shí)時(shí)間，當(dāng)計(jì)算器達(dá)到延時(shí)時(shí)間，開(kāi)始偏振成像數(shù)據(jù)采集。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于光纖以太網(wǎng)的多目攝像機(jī)同步數(shù)據(jù)采集方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明使用的每個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定一次，攝像機(jī)之間參數(shù)需要標(biāo)定兩次。

2、進(jìn)行多次標(biāo)定時(shí)，需標(biāo)定的參數(shù)較少，計(jì)算量較少，運(yùn)行速度較快。

綜上所述，本發(fā)明能夠滿足面向水下偏振成像的要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的方法總體流程圖；

圖2為本發(fā)明的三通道標(biāo)定流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，基于光纖以太網(wǎng)的多目攝像機(jī)同步數(shù)據(jù)采集方法，包括三通道標(biāo)定和三通道同步采集兩大步驟；

所述三通道標(biāo)定步驟中，基于拍攝的標(biāo)定板求取攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)和攝像機(jī)之間參數(shù)；所述內(nèi)部參數(shù)包括攝像機(jī)的水平方向放大系數(shù)λ_x，垂直方向放大系數(shù)λ_y，水平方向和垂直方向的耦合放大系數(shù)λ_s，攝像機(jī)拍攝圖像中心的橫坐標(biāo)u₀和縱坐標(biāo)v₀，以及徑向畸變系數(shù)；所述外部參數(shù)包括繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ和光心坐標(biāo)(x_c,y_c,z_c)；所述攝像機(jī)之間參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣R以及平移矢量T。

其中：

如圖2所示，所述標(biāo)定步驟具體包括：

(1)安裝固定好三通道攝像機(jī)，攝像機(jī)按順序設(shè)置為攝像機(jī)1、攝像機(jī)2、攝像機(jī)3，將標(biāo)定板事先放置好，選擇攝像機(jī)1，調(diào)整好焦距；

(2)用攝像機(jī)1正直拍攝標(biāo)定板，得到目標(biāo)陣列n×m的圖像；

(3)建立攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)模型，具有5個(gè)參數(shù)，模型如下：

(4)根據(jù)圖像坐標(biāo)和對(duì)象空間坐標(biāo)的關(guān)系，利用線性最小二乘法，求出標(biāo)定系數(shù)矩陣M_in，得出內(nèi)部參數(shù)；

(5)根據(jù)求得的標(biāo)定系數(shù)矩陣M_in，求出圖像點(diǎn)在焦距歸一化成像平面上的成像點(diǎn)坐標(biāo)，并基于徑向畸變模型，求得徑向畸變系數(shù)，建立徑向畸變模型：

其中，(u,v)為圖像實(shí)際坐標(biāo)，r為圖像點(diǎn)到參考點(diǎn)(u′,v′)的距離，k_u′和k_v′為二階畸變系數(shù)。

所述攝像機(jī)之間的參數(shù)，具體求解過(guò)程包括：

(1)考慮到空間一點(diǎn)p，在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)矢量為X，在攝像機(jī)1和攝像機(jī)2中攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量為x_c1和x_c2，兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

這樣從攝像機(jī)1到攝像機(jī)2的關(guān)系為：

x_c2＝Rx_c1+T (5)

其中T＝T₂-RT₁，求得攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。

(2)在攝像機(jī)2和攝像機(jī)3中攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量為x_c2和x_c3，兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系為：

這樣從攝像機(jī)2到攝像機(jī)3的關(guān)系為：

x_c3＝Rx_c2+T (7)

其中T＝T₃-RT₂，求得攝像機(jī)2和3之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量。

所述三通道同步步驟具體包括：

(1)把數(shù)字信號(hào)處理單元即DSP模塊設(shè)定為主站，每個(gè)通道偏振成像模塊包括一個(gè)FPGA模塊，和主站組成以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，主站為周期性發(fā)送數(shù)據(jù)的各個(gè)偏振成像通道產(chǎn)生令牌，通道數(shù)據(jù)發(fā)送周期分別為ti(i＝1，2，3)；

(2)三個(gè)偏振成像通道根據(jù)其在控制網(wǎng)絡(luò)中的偏振角度在初始化時(shí)被分配一個(gè)邏輯序號(hào)00、01和10，將邏輯序號(hào)按順序連接，三通道和主站首尾成像通道相連便形成了一個(gè)邏輯環(huán)；

(3)采用令牌技術(shù)控制各成像通道的數(shù)據(jù)發(fā)送，并設(shè)令牌在3個(gè)通道之間輪流傳遞一次，各通道完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送所需的時(shí)間為S，則S應(yīng)滿足S＜min(S1，S2，S3)；

(4)令牌的起始和結(jié)束定界符的位格式都是JK0JK000；訪問(wèn)控制字段的位格式是PPPUMRRR(PPP是3個(gè)優(yōu)先級(jí)位，RRR為3個(gè)預(yù)約比特，這里表示各通道接收數(shù)據(jù)幀后所需延時(shí)時(shí)間，U用于表示令牌的狀態(tài))，延時(shí)時(shí)間根據(jù)令牌邏輯傳遞順序，設(shè)定三通道同步；

(5)在基于令牌協(xié)議的三通道以太網(wǎng)絡(luò)中，只有當(dāng)令牌的優(yōu)先級(jí)低于各通道設(shè)備的優(yōu)先級(jí)時(shí)，各成像通道才能獲得空閑的令牌，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，所以令牌的訪問(wèn)控制字段PPP始終保持為000；U設(shè)置為0，表示此時(shí)的令牌處于空閑狀態(tài)；為1則表示此時(shí)的令牌處于忙狀態(tài)，即被成像通道捕獲；

(6)主站產(chǎn)生令牌以后，然后封裝成令牌幀，各通道在初始化時(shí)，在電子表格中保存了邏輯號(hào)順序和通道地址，接收令牌的通道，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器，讀取控制字段中延時(shí)時(shí)間，當(dāng)計(jì)算器達(dá)到延時(shí)時(shí)間，開(kāi)始偏振成像數(shù)據(jù)采集。