本發(fā)明屬于聚光熱發(fā)電領(lǐng)域聚光器方面技術(shù)，特別是曲面聚光反射鏡的質(zhì)量檢測(cè)方面，涉及一種聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法

背景技術(shù)：

隨著化石能源的不斷消耗，環(huán)境污染的日益加重，太陽能作為一種可持續(xù)的清潔能源越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。目前，太陽能利用技術(shù)主要包括聚光熱發(fā)電技術(shù)和光伏熱發(fā)電技術(shù)，前者采用拋物面型或者類拋物面型鏡面匯聚陽光而產(chǎn)生高輻射密度的熱源，從而推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化，具有較高的轉(zhuǎn)化效率。光伏發(fā)電，為了提高其發(fā)電效率，目前也常常采用鏡面匯聚陽光，稱為聚光光伏。因此，聚光鏡面對(duì)太陽能具有重要的意義，為了保證太陽能設(shè)備高效穩(wěn)定的穩(wěn)定，在進(jìn)行實(shí)際安裝前，鏡面的質(zhì)量需要進(jìn)行檢測(cè)。

聚光鏡面常常為拋物面型，鏡面整體曲率變化將會(huì)導(dǎo)致焦距的變化，而局部的曲率誤差將使得反射陽光無法經(jīng)過焦點(diǎn)，這些都將影響聚光效率。為了克服鏡面反射的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鏡面的三維重建，完成鏡面焦距和曲率分布誤差的測(cè)量，有人提出了一種基于deflectometery技術(shù)的鏡面檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)將相機(jī)和反射目標(biāo)靶放于被檢測(cè)鏡面前，相機(jī)拍攝鏡面反射的目標(biāo)靶的成像，通過光線追蹤的方法，實(shí)現(xiàn)鏡面的測(cè)量。但是，該技術(shù)的鏡面檢測(cè)精度依賴于相機(jī)與目標(biāo)靶位置關(guān)系的高精度標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有技術(shù)的相機(jī)與目標(biāo)靶位置關(guān)系標(biāo)定精度較低的不足，本發(fā)明提供了一種操作容易、具有較高的精度和效率的聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法，所述位置標(biāo)定方法包括以下步驟：

1)安裝設(shè)備，所述設(shè)備包括相機(jī)和目標(biāo)靶，目標(biāo)靶上的圖片為棋盤格，單個(gè)格子為邊長為l的正方形；設(shè)備安裝于被測(cè)量聚光曲面鏡的前方，調(diào)整相機(jī)的焦距和方向，使得圖片中鏡面和鏡面反射的目標(biāo)靶清晰；

2)校準(zhǔn)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，將棋盤格放置于相機(jī)前方，調(diào)整棋盤格的位置，使得棋盤格占盡可能多的圖片區(qū)域，拍攝9張以上的不同姿態(tài)棋盤格圖片，在得到以上圖片后，利用matlab的相機(jī)校準(zhǔn)工具實(shí)現(xiàn)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算；

3)將一棋盤格貼于平面鏡上，放置于設(shè)備前方；此棋盤格不同于目標(biāo)靶上的棋盤格，它的尺寸需要與平面鏡匹配；平面鏡放置于被測(cè)量曲面鏡附近，調(diào)整它的姿態(tài)，使得相機(jī)不但能拍攝鏡面上的棋盤格，而且能夠拍攝到經(jīng)其反射的目標(biāo)靶上的棋盤格；

4)拍攝鏡面反射目標(biāo)靶上棋盤格的圖片；

5)計(jì)算相機(jī)與鏡面的位置關(guān)系，利用步驟2)中計(jì)算的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，采用matlab校準(zhǔn)工具，利用單幅鏡面上棋盤格圖片，計(jì)算出相機(jī)與棋盤格間的位置關(guān)系；計(jì)算結(jié)果包括鏡面坐標(biāo)向相機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rm2c,平移向量tm2c；

pxc＝rx2c·pxx+tx2c(1)

其中，pxc為像中的一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置；pxx為像中一點(diǎn)在像坐標(biāo)系下的位置；rx2c為像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣；tx2c為像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的平移矩陣；

6)計(jì)算相機(jī)與鏡中目標(biāo)靶成像的位置關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)靶在鏡面中像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rx2c，平移矩陣tx2c；

pmc＝rm2c·pmm+tm2c(2)

其中，pmc為鏡面上一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置；pmm為鏡面上的一點(diǎn)在鏡面坐標(biāo)系中的位置；rm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣；tm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的平移矩陣；

7)計(jì)算相機(jī)與目標(biāo)靶的位置關(guān)系，利用步驟5)和)6中計(jì)算得到的像、鏡面與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)靶坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

進(jìn)一步，所述步驟7中，目標(biāo)靶坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系的計(jì)算過程如下：

設(shè)像中一點(diǎn)在像坐標(biāo)系重的位置為pxx，則根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出它在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置pxc，設(shè)它對(duì)應(yīng)的實(shí)際目標(biāo)靶點(diǎn)在棋盤格坐標(biāo)系中的位置為pgg，由鏡面反射原理則：

該目標(biāo)靶上的點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置為pgc，根據(jù)householdtranslation，則：

pgc＝-2(n^t·p+d)n+pxc(4)

其中，pgc為目標(biāo)靶棋盤格中某點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，pxc為經(jīng)鏡面反射的像在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，n為鏡面法向量，p為相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)到像點(diǎn)pxc的向量，d為相機(jī)到鏡面的距離；鏡面的法向量可按照下面的方法進(jìn)行計(jì)算：

其中，n為鏡面法向量，rm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣。

根據(jù)以上過程，計(jì)算出至少4組棋盤格坐標(biāo)中的點(diǎn)pgg(xgg,ygg)^t和對(duì)應(yīng)的相機(jī)坐標(biāo)中的位置pgc(xgc,ygc,zgc)^t。

棋盤格坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化公式表示為：

pgc＝rg2c·pgg+tg2c(6)

設(shè)

tg2c＝[b1b2b3]^t(8)

則根據(jù)公式(9)、(10)和(11)，根據(jù)最小二乘法，得到3組最小二乘不等式：

利用以上得到pgg和pgc，利用最小二乘法，分別計(jì)算出(9)、(10)和(11)中的未知數(shù)，最終得到目標(biāo)靶向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rg2c，平移矩陣tg2c。

再進(jìn)一步，所述步驟2)中，利用matlab的相機(jī)校準(zhǔn)工具實(shí)現(xiàn)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算，處理過程包括：圖片讀取，角點(diǎn)提取，內(nèi)參計(jì)算，計(jì)算出的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括：焦距，圖片中心位置和鏡頭畸變參數(shù)；

所述步驟5)中，采用matlab校準(zhǔn)工具，利用單幅鏡面上棋盤格圖片計(jì)算出相機(jī)與棋盤格間的位置關(guān)系的過程包括：圖片的讀取，內(nèi)部參數(shù)的加載，鏡面上棋盤格角點(diǎn)的提取和外部參數(shù)的計(jì)算。

本發(fā)明中，基于平面反射鏡提出了一種聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法。在完成相機(jī)內(nèi)參校準(zhǔn)后，本專利將棋盤格貼于或者顯示在目標(biāo)靶上，將平面鏡放置于設(shè)備前方，即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)與目標(biāo)靶位置的標(biāo)定。

利用matlab相機(jī)校準(zhǔn)工具實(shí)現(xiàn)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)，利用平面鏡上黏貼的小型棋盤格建立鏡面與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，利用目標(biāo)靶棋盤格在鏡面中的成像建立起像坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，利用householdertranslation和最小二乘法計(jì)算出目標(biāo)靶坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，具有較高的效率和標(biāo)定精度。

附圖說明

圖1是聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1，一種聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法，包括以下步驟：

1)安裝設(shè)備。設(shè)備包括相機(jī)和目標(biāo)靶，目標(biāo)靶可以為lcd平面，也可以為貼有反射目標(biāo)的平板。在本發(fā)明中，目標(biāo)靶上的圖片為棋盤格，單個(gè)格子邊長為l＝50mm的正方形。設(shè)備安裝于被測(cè)量聚光曲面鏡的前方，調(diào)整相機(jī)的焦距和方向，使得圖片中鏡面和鏡面反射的目標(biāo)靶清晰。

2)校準(zhǔn)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)。將棋盤格放置于相機(jī)前方，單個(gè)格子的邊長為30mm。調(diào)整棋盤格的位置，使得棋盤格占盡可能多的圖片區(qū)域，拍攝9張以上的不同姿態(tài)棋盤格圖片。在得到以上圖片后，本發(fā)明利用matlab的相機(jī)校準(zhǔn)工具實(shí)現(xiàn)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算，處理過程包括：圖片讀取，角點(diǎn)提取，內(nèi)參計(jì)算。計(jì)算出的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括：焦距，圖片中心位置，鏡頭畸變參數(shù)等。

3)將一棋盤格貼于平面鏡上，放置于設(shè)備前方；此棋盤格不同于目標(biāo)靶上的棋盤格，它的尺寸需要與平面鏡匹配。平面鏡放置于被測(cè)量曲面鏡附近，調(diào)整它的姿態(tài)，使得相機(jī)不但能拍攝鏡面上的棋盤格，而且能夠拍攝到經(jīng)其反射的目標(biāo)靶上的棋盤格；

4)拍攝鏡面反射目標(biāo)靶上棋盤格的圖片。

5)計(jì)算相機(jī)與鏡面的位置關(guān)系。這里利用步驟3中計(jì)算的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，采用matlab校準(zhǔn)工具，利用單幅鏡面上棋盤格圖片，計(jì)算出相機(jī)與棋盤格間的位置關(guān)系，其過程包括：圖片的讀取，內(nèi)部參數(shù)的加載，鏡面上棋盤格角點(diǎn)的提取，外部參數(shù)的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果包括鏡面坐標(biāo)向相機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rm2c,平移向量tm2c。

pxc＝rx2c·pxx+tx2c(1)

其中，pxc為像中的一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置；pxx為像中一點(diǎn)在像坐標(biāo)系下的位置。rx2c為像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣；tx2c為像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的平移矩陣

6)計(jì)算相機(jī)與鏡中目標(biāo)靶成像的位置關(guān)系。該步驟的過程與步驟5類似，計(jì)算出目標(biāo)靶在鏡面中像坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rx2c，平移矩陣tx2c。

pmc＝rm2c·pmm+tm2c(2)

其中，pmc為鏡面上一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置；pmm為鏡面上的一點(diǎn)在鏡面坐標(biāo)系中的位置；rm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣；tm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的平移矩陣。

7)計(jì)算相機(jī)與目標(biāo)靶的位置關(guān)系。利用步驟5和6中計(jì)算得到的像、鏡面與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)算出目標(biāo)靶坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

其中，步驟7中的計(jì)算過程如下：

設(shè)像中一點(diǎn)在像坐標(biāo)系重的位置為pxx，則根據(jù)公式1可以計(jì)算出它在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置pxc，設(shè)它對(duì)應(yīng)的實(shí)際目標(biāo)靶點(diǎn)在棋盤格坐標(biāo)系中的位置為pgg，由鏡面反射原理則：

該目標(biāo)靶上的點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置為pgc，根據(jù)householdtranslation，則：

pgc＝-2(n^t·p+d)n+pxc(4)

其中，pgc為目標(biāo)靶棋盤格中某點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，pxc為經(jīng)鏡面反射的像在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，n為鏡面法向量，p為相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)到像點(diǎn)pxc的向量，d為相機(jī)到鏡面的距離。鏡面的法向量可按照下面的方法進(jìn)行計(jì)算：

其中，n為鏡面法向量，rm2c為鏡面坐標(biāo)系向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣。

根據(jù)以上過程，本專利計(jì)算出至少4組棋盤格坐標(biāo)中的點(diǎn)pgg(xgg,ygg)^t和對(duì)應(yīng)的相機(jī)坐標(biāo)中的位置pgc(xgc,ygc,zgc)^t。

棋盤格坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化公式可表示為：

pgc＝rg2c·pgg+tg2c(6)

設(shè)

tg2c＝[b1b2b3]^t(8)

則根據(jù)公式9、10和11，根據(jù)最小二乘法，得到3組最小二乘不等式：

利用以上得到pgg和pgc，以最小二乘法構(gòu)建等式，分別計(jì)算出公式9，10，11中的未知數(shù)，最終得到目標(biāo)靶向相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)矩陣rg2c，平移矩陣tg2c。

本發(fā)明基于平面反射鏡提出了一種聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)中相機(jī)與目標(biāo)靶的位置標(biāo)定方法。在完成相機(jī)內(nèi)參校準(zhǔn)后，本專利將棋盤格貼于或者顯示在目標(biāo)靶上，將平面鏡放置于設(shè)備前方，即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)與目標(biāo)靶位置的標(biāo)定。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。