燃料组件无重叠视场多摄像机拼接标定方法与流程

本发明涉及核燃料组件无损检测与计算机视觉交叉，尤其涉及一种燃料组件无重叠视场多摄像机拼接标定方法。

背景技术：

1、核燃料组件在高温高压环境下长期运行后，可能出现弯曲变形或高度生长等问题，可能影响正常装、卸料操作，需通过高分辨率图像进行尺寸检测。然而，现有视觉测量技术存在以下局限性：

2、单摄像机+机械导轨：传统做法是把摄像机安装在机械导轨上，通过移动摄像机扫描组件表面合成全景图，但是速度慢、精度差、体积大，已经越来越不符合核电站使用需求。

3、单摄像+视频：单摄像机受限于视野范围，仅能获取局部图像，需移动组件才能覆盖整体。虽然可通过视频流拼接合成全景图，但燃料组件表面为弱纹理特征（尤其是新组件的金属光滑表面），导致合成的全景图测量精度不满足要求。

4、有重叠区域的多摄像机阵列：以基于摄像机阵列的燃料组件变形测量系统为例，通过16台摄像机覆盖组件范围，基于重合区域特征拼接出组件全局图像。这种方案虽然实现了高精度要求，但是过多的摄像机导致设备庞大，难以在狭窄的燃料传输通道中部署。

5、现有技术或因速度太慢不满足实时要求，或因拼接误差大不满足精度要求，或因设备庞大难以在燃料传输池同步使用，均无法满足核电站装卸、料期间在燃料传输通道中实现高效、高精度的组件的尺寸测量系统需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，提供一种燃料组件无重叠视场多摄像机拼接标定方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种燃料组件无重叠视场多摄像机拼接标定方法，其包括以下步骤：

3、s1、在燃料组件的传输通道的竖直方向上布置若干摄像机组，并且，所述摄像机组的视场无交叠；

4、s2、在所述传输通道中设置与燃料组件匹配的标定件；所述标定件上设有标准图形，并与所述摄像机组正对设置；

5、s3、通过每一所述摄像机组采集其相对的标定件实测图像，结合所述标定件实测图像与所述标准图形计算得到每一所述摄像机组的畸变参数；

6、s4、根据所述标定件，构建每一所述摄像机组采集的标定件实测图像映射至全局全景图的投影矩阵；

7、s5、根据所述畸变参数和所述投影矩阵，对所述摄像机组采集的燃料组件实测图像进行全景拼接以生成全景图。

8、在一些实施例中，步骤s1中，所述摄像机组由多台摄像机串联组成，多台摄像机沿传输通道竖直方向等间隔上下排布，所述摄像机组内所有摄像机通过硬件同步触发方式，实现实测图像的同步采集。

9、在一些实施例中，步骤s3中，所述标定件的标准图形为棋盘格图形，通过所述摄像机组采集包含所述棋盘格图形的实测图像，并对所述实测图像进行角点提取、畸变系数求解；

10、其中角点获取方式为：结合实测图像局部灰度梯度特征与harris响应算子，筛选棋盘格角点候选区域，利用棋盘格几何拓扑约束剔除无效候选点，获取像素级初始角点，再融合最小二乘法与牛顿迭代算法，迭代求解初始角点对应的亚像素坐标。

11、在一些实施例中，步骤s3中，结合实测图像与标准图形，采用分层分步迭代结合非线性联合优化的方式求解径向畸变系数，得到所述摄像机组对应的畸变参数，其方式为：

12、s31、只求解k1，预设k2=0，以最小化图像重投影误差为优化目标，采用牛顿迭代算法求解主导径向畸变系数k1的最优值；

13、s32、固定第一步求解得到的最优k1数值，保持重投影误差最小化的优化目标不变，迭代求解次级径向畸变系数k2的最优值；

14、s33、在完成分步迭代求解后，采用非线性最小二乘算法对k1、k2进行联合微调优化。

15、在一些实施例中，所述重投影误差的代价函数为：

16、

17、其中，k1、k2是径向畸变系数，e(k1,k2)是重投影误差的代价函数，(ui,vi)是像素在原始畸变图像中的实际坐标，（uimodel(k1,k2),vimodel(k1,k2)）是像素经过畸变模型校正后的理想坐标；

18、所述采用牛顿迭代算法求解主导径向畸变系数k1的表达式为：

19、

20、其中，k1(n+1)是第n+1次迭代后径向畸变系数k1的更新值，k1(n)是第n次迭代时径向畸变系数k1的当前值，e'（k1(n)）是代价函数e在k1(n)处的一阶导数，e''（k1(n)）是代价函数e在k1(n)处的二阶导数。

21、在一些实施例中，步骤s4中，依托所述标定件构建投影矩阵，所述标定件的标准图形划分有多个局部标定区域，各局部标定区域对应一组摄像机组，建立局部标定区域坐标系与全局全景图坐标系之间刚性变换关系，所述刚性变换关系的建立过程为：

22、s41、通过三坐标机对各棋盘格标定板的四个边缘角点进行测量，获取所有角点对应的全局三维坐标数据，以此作为多局部坐标系统一至全局坐标系的基准数据；

23、s42、基于四个边缘角点的全局三维坐标计算几何质心，将所述几何质心作为局部坐标系原点，依托标定板平面两条邻边构建初始局部板面基向量，并对所述初始局部板面基向量执行正交化处理，分别构建得到局部正交基与全局正交基，对应生成局部基矩阵与全局基矩阵，通过所述全局基矩阵与所述局部基矩阵的正交映射运算求解旋转矩阵r；

24、s43、基于求解得到的所述旋转矩阵r，结合局部坐标系下的标定板局部质心坐标，三坐标实测得到的全局坐标系下的全局质心坐标，计算得到用于补偿位置偏差的平移向量t；

25、s44、整合所述旋转矩阵r与所述平移向量t，构建刚性变换齐次矩阵。

26、在一些实施例中，所述旋转矩阵r表达式为：

27、

28、所述计算得到用于补偿位置偏差的平移向量t的表达式为：

29、

30、所述构建刚性变换齐次矩阵的表达式为：

31、

32、其中，是把局部标定板局部坐标系的点映射到全局坐标系的齐次矩阵。

33、在一些实施例中，采用单应矩阵表征摄像机图像平面与标定板世界平面的投影映射关系，所述单应矩阵为融合摄像机内参与姿态的3×3复合矩阵，通过最小二乘法或奇异值分解求解，所述单应矩阵满足：

34、

35、其中xi、yi是角点在世界坐标中的二维坐标，xi、yi是角点在图像坐标中的像素位置，si是尺度因子，h是3×3摄像机内参与姿态的复合效应单应矩阵。

36、在一些实施例中，步骤s4中，以第一台摄像机为基准，计算其图像中棋盘格边长与理想几何边长的比例s1，据此统一其他摄像机的单应矩阵尺度，以hig把每张图像反投影到全局坐标平面，hig的求解表达式为：

37、

38、其中，hig为全局投影矩阵，hib为各摄像机对应的单应矩阵，为刚性变换齐次矩阵tgb的3×3子矩阵。

39、在一些实施例中，步骤s5中，依据畸变参数与投影矩阵完成实测图像全景拼接得到全景图后，开展精度验证，精度验证方式为：在生成的全景图中选取多个已知尺寸的棋盘格或特征点区域，计算其在图像空间中的像素距离与全局物理距离的比例差异，通过比对像素尺度与真实物理尺度的比例一致性，验证拼接图像的几何一致性与整体测量精度。

40、实施本发明具有以下有益效果：本发明于燃料组件传输通道竖直方向布设多组无视场交叠的摄像机组，可全覆盖燃料组件竖直高度成像、无检测盲区，契合细长型燃料组件的全景检测需求，同时无重叠视场布局从根源上规避了传统多相机重叠采集带来的图像数据冗余、重复运算问题，有效降低图像采集、传输及拼接算法的运算负荷，提升在线成像处理效率。而在传输通道内配置标定件，标定件与各摄像机组正对布设，可精准模拟燃料组件实际成像工况，避免标定场景与检测场景不一致导致的标定失效问题，保证各摄像机组可独立、完整采集标准图形信息。本发明在标定阶段仅采用标定件实测图像结合标准图形求解各摄像机组畸变参数，依托标定件标准图形精准的几何尺寸与拓扑特征，可精准求解各相机畸变参数，实现单相机高精度畸变校正。同时，本发明基于标定件实测图像构建各摄像机组对应全局投影矩阵，利用标定件标准几何特征建立各独立无重叠视场与全局全景坐标系的刚性映射关系，实现多相机视场尺度、位置、角度的全局统一，保障无重叠视场图像无缝拼接精度。