本发明涉及冰形测量技术领域，提供了一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法。将由彩色偏振相机获取的标定板图像进行多通道分离，得到多通道图像，所述多通道图像包括不同颜色、不同偏振态；然后对多通道图像分别处理，提取激光线后解算激光线的三维坐标；对各通道的激光线的三维坐标进行平面拟合；随后基于标定得到的各通道的激光线的平面拟合结果，计算在线测量得到的各通道的激光线三维坐标；最后将各通道的激光线三维坐标统一到世界坐标系中，由此获得完整的冰形三维轮廓。本申请的结冰三维外形在线测量方法能够提高冰形拍摄图像的清晰度，提高测量精度。
1.一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S00. 对彩色偏振相机进行标定；
S01. 将标定板置于第j位姿，线激光器投射激光片光至标定板表面形成激光线，使用彩色偏振相机获取第j位姿标定板图像；
其中，所述彩色偏振相机的彩色滤光片阵列为Bayer格式，每个彩色滤光片叠加有H个不同方向的偏振滤光片阵列；
S02. 令j=j+1，重复步骤S01，直至j=M；j=1，2，...，M；M为标定板位姿总数；
S03. 将获取的每一张标定板图像分离成4H通道图像；
S04. 基于各个通道的所有标定板图像分别进行标定，得到不同通道对应的相机内参矩阵，不同通道相机坐标系与不同位姿标定板坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，以及不同通道相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
S05. 对每个通道的所有标定板图像提取激光线，并解算得到激光线的三维坐标；
S06. 对每个通道的激光线的三维坐标进行平面拟合，得到每个通道下激光片光的平面方程系数(ai, bi, ci)，其中，i=1，2，…，N；i为通道编号，N=4H；
S07. 控制线激光器旋转扫描，在每一个旋转位置重复步骤S00‑S06，得到不同旋转位置各个通道下的激光片光的平面方程系数 ，l=1，2，…，L；l为线激光器旋转位置，L为旋转位置总数；
S11. 将线激光器恢复到标定的起始位置，控制所述线激光器旋转，使投射到结冰表面的激光线对结冰进行扫描，在标定的各个旋转位置同步触发彩色偏振相机获取结冰表面的激光线图像；
S12. 将各个旋转位置的激光线图像分离成4H通道图像；
S13. 对各个旋转位置所有通道的激光线图像提取激光线，得到激光线的二维图像坐标，基于标定的该旋转位置各个通道对应的相机内参矩阵和激光片光的平面方程系数，解算得到各通道相机坐标系下的激光线三维坐标，得到冰形三维轮廓： ，
其中， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点相应的二维图像坐标，为比例系数，Ai为标定得到的第i通道图像对应的相机内参矩阵；
S14. 基于标定的不同旋转位置下各个通道对应的相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，将不同通道解算得到的冰形三维轮廓统一到同一个世界坐标系中，得到完整的冰形三维轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，所述4H通道图像包括：R颜色第h偏振通道，G1颜色第h偏振通道，G2颜色第h偏振通道，B颜色第h偏振通道，h=1，...，H。
3.根据权利要求2所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，H=4。
4.根据权利要求3所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，4个不同方向的偏振滤光片阵列包括0°、45°、90°、135°设置的滤光片。
5.根据权利要求1‑4任一所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，步骤S05中，解算激光线的三维坐标的具体算法为：，
其中， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿的标定板所处标定板坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿标定板的第i通道图像中的二维图像坐标， 为比例系数，Ai为标定得到的第i通道图像对应的相机内参矩阵， 和 为第i通道图像对应的相机坐标系与第j位姿的标定板坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。
6.根据权利要求1所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，步骤S04中，采用张正友标定法进行标定。
7.根据权利要求1所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，步骤S03和步骤S12中，分离成4H通道图像后，对每个通道图像进行插值去马赛克处理。
8.根据权利要求1所述的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，其特征在于，采用steger算法进行激光线提取。
一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及冰形测量技术领域，尤其是涉及一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法。
背景技术
[0002] 研究发现，飞行过程中的结冰现象是造成飞机飞行安全的主要诱因之一。飞机不同部位的结冰会造成不同程度的影响，如机翼、机尾的结冰会导致扰流流场的改变，从而严重影响飞机的气动性能、操纵性和稳定性；发动机进气道的结冰可能导致发动机停车，危害飞行安全。因此探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估、安全评估，进行防除冰等研究工作具有重要意义。为探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估等研究，研究人员需要对飞行部件在不同气象环境下的结冰外形进行测量研究。获取结冰外形的途径主要有3种：数值仿真计算；飞行试验；地面模拟试验。地面模拟试验由于成本低、能够获得定量结果，是主要的获取结冰外形手段。地面模拟试验通常在结冰风洞中进行。精细化的结冰三维形状信息对提升结冰条件下飞机气动力CFD计算精度具有重要价值。因此，迫切需要可用于结冰生长过程冰形在线三维测量的方法。
[0003] 国内外学者尝试了采用基于面结构光的三维扫描仪非接触测量方法进行冰横截面轮廓和三维形状半在线测量，但是，由于结冰表面反射系数低、透射系数高，需向结冰表面喷洒深色涂料，才能得到高对比度编码图案图像，极大地限制了该测量方法应用范围，也无法用于在线测量。
[0004] 与投影仪投射的编码条纹相比，激光器投射的线激光具有亮度集中、图像对比度高等优点，已被广泛应用于工业三维测量领域，无需向结冰表面喷洒深色涂料也可得到较好的观测图像。一系列研究工作以及后期学者们进行的一系列探索性实验，证实了激光三角测量法在结冰模型表面轮廓测量的可行性以及相对传统冰形测量方法的优势。
[0005] 然而，明冰的反射率在整个有记录的光谱范围内都极低，在可见光范围内，仅有不到2%的入射光在物面被反射。由于明冰的透明度高且表面光滑，线激光投射在冰体表面，多数光线投射进入冰体，只有小部分光线通过冰体表面进行反射，造成采集图像激光带区域严重扩散，表现在图像上则是一个亮斑区域，相机难以得到清晰的光条图案，导致测量精度偏低，无法准确获得冰形结构。
[0006] 专利CN201910943972.7公开了一种基于偏振成像的冰形三维测量方法，采用偏振相机滤除散射杂光的影响，从而进行冰形三维测量。但是实践中发现，这种方法虽然能在一定程度上改善得到的光条的清晰度，但是在对明冰进行三维测量时仍然无法得到清晰的光条，仍然存在测量精度低，无法准确获得冰形结构的问题。
发明内容
[0007] 为了解决现有技术存在的不足，本申请提供一种结冰三维外形在线测量方法，采用彩色偏振相机对结冰三维外形进行在线测量，通过将拍摄的激光线图像分离成4H通道图像，对每个通道的图像单独处理，提取激光线之后，分别解算激光线的三维坐标，再合并统一到同一世界坐标系中，由此得到清晰的三维冰形轮廓。
[0008] 本申请第一方面提供一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，包括以下步骤：
[0009] S00. 对彩色偏振相机进行标定；
[0010] S01. 将标定板置于第j位姿，线激光器投射激光片光至标定板表面形成激光线，使用彩色偏振相机获取第j位姿标定板图像；
[0011] 其中，所述彩色偏振相机的彩色滤光片阵列为Bayer格式，每个彩色滤光片叠加有H个不同方向的偏振滤光片阵列；
[0012] S02. 令j=j+1，重复步骤S01，j=1，2，...，M；M为标定板位姿总数；
[0013] S03. 将获取的每一张标定板图像分离成4H通道图像；
[0014] S04. 基于各个通道的所有标定板图像分别进行标定，得到不同通道对应的相机内参矩阵，不同通道相机坐标系与不同位姿标定板坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，以及不同通道相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
[0015] S05. 对每个通道的所有标定板图像提取激光线，并解算得到激光线的三维坐标；
[0016] S06. 对每个通道的激光线的三维坐标进行平面拟合，得到每个通道下激光片光的平面方程系数(ai，bi，ci)，其中，i=1，2，…，N；i为通道编号，N=4H；
[0017] S07. 控制线激光器旋转扫描，在每一个旋转位置重复步骤S00‑S06，得到不同旋转位置各个通道下的激光片光的平面方程系数 ，l=1，2，…，L；l为线激光器旋转位置，L为旋转位置总数。
[0018] 进一步地，步骤S05中，解算激光线的三维坐标的具体算法为：
[0019] ，
[0020] 其中， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿的标定板所处标定板坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿标定板的第i通道图像中的二维图像坐标， 为比例系数，Ai为标定得到的第i通道图像对应的相机内参矩阵， 和 为第i通道图像对应的相机坐标系与第j位姿的标定板坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
[0021] S10. 进行结冰测量；
[0022] S11. 将线激光器恢复到标定的起始位置，控制所述线激光器旋转，使投射到结冰表面的激光线对结冰进行扫描，在标定的各个旋转位置同步触发彩色偏振相机获取结冰表面的激光线图像；
[0023] S12. 将各个旋转位置的激光线图像分离成4H通道图像；
[0024] S13. 对各个旋转位置所有通道的激光线图像提取激光线，得到激光线的二维图像坐标，基于标定的该旋转位置各个通道对应的相机内参矩阵和激光片光的平面方程系数，解算得到各通道相机坐标系下的激光线三维坐标，得到冰形三维轮廓：
[0025] ，
[0026] 其中， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点相应的二维图像坐标， 为比例系数，Ai为标定得到的第i通道图像对应的相机内参矩阵；
[0027] S14. 基于标定的不同旋转位置下各个通道对应的相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，将不同通道解算得到的冰形三维轮廓统一到同一个世界坐标系中，得到完整的冰形三维轮廓。
[0028] 采用本申请的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
[0029] （1）本申请对彩色偏振相机所获取的图像进行了分离，分别进行处理后再合并，由此可以利用不同颜色和不同偏振态的光与冰的反作用特性，分别提取特征信息进行处理，提高了对冰的拍摄效果，提高所拍摄图像的清晰度；
[0030] （2）本申请的方法标定一次后可以完成多次测量，在线测量简单易行，并且速度快，精度高，非常适用于对明冰和混合冰的在线冰形测量。
附图说明
[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图1是实施例1的一种彩色偏振相机的标定方法的流程示意图；
[0033] 图2是实施例1的彩色偏振相机图像格式示意图；
[0034] 图3是实施例1中由图2按偏振态分离后的图像示意图；
[0035] 图4是实施例1中由图3的90°偏振态的图像按颜色通道分离后的图像示意图；
[0036] 图5是实施例1的一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法的流程示意图。
具体实施方式
[0037] 以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
[0038] 实施例1
[0039] 一种基于彩色偏振成像的结冰三维外形在线测量方法，如图5所示，包括以下步骤：S00. 对彩色偏振相机进行标定；即首先对相机进行标定，如图1所示，相机标定包括以下步骤：
[0040] S01. 将标定板置于第j位姿，线激光器投射激光片光至标定板表面形成激光线，使用彩色偏振相机获取第j位姿标定板图像；
[0041] 其中，所述彩色偏振相机的彩色滤光片阵列为Bayer格式，每个彩色滤光片叠加有H个不同方向的偏振滤光片阵列；
[0042] S02. 令j=j+1，重复步骤S01，j=1，2，...，M；M为标定板位姿总数。
[0043] Bayer格式为RGGB，R为红色，红色的滤镜透过红色的波长；G为绿色，绿色的滤镜透过绿色的波长；B为蓝色，蓝色的滤镜透过蓝色的波长。本实施例中，每个彩色滤光片叠加有4个不同方向的偏振滤光片阵列，分别为0°、45°、90°、135°的偏振滤光片，形成的彩色偏振相机图像格式如图2所示。本实施例中，标定板的位姿大于等于2。
[0044] S03. 将获取的每一张标定板图像分离成4H通道图像；
[0045] 该步骤中，将步骤S01和S02获取的每一张标定板图像进行多通道分离，具体地，如图2‑图4所示。
[0046] 首先，按偏振态进行分离，本实施例中采用了4个偏振态（即H=4），以某一个位姿下的图像为例，分别按0°、45°、90°、135°的偏振态分离出来四张图像，如图3所示；
[0047] 其次，按颜色通道分别对各偏振态的图像进一步分离，分别得到以下16个通道的图像：0°偏振态下的R通道图像，0°偏振态下的G1通道图像，0°偏振态下的G2通道图像，0°偏振态下的B通道图像；
[0048] 45°偏振态下的R通道图像，45°偏振态下的G1通道图像，45°偏振态下的G2通道图像，45°偏振态下的B通道图像；
[0049] 90°偏振态下的R通道图像，90°偏振态下的G1通道图像，90°偏振态下的G2通道图像，90°偏振态下的B通道图像，如图4所示；
[0050] 135°偏振态下的R通道图像，135°偏振态下的G1通道图像，135°偏振态下的G2通道图像，135°偏振态下的B通道图像。
[0051] 获得16个通道的图像后，对该16个图像分别进行插值去马赛克处理，提高图像的分辨率，具体的方法是本领域的现有技术，在此不作赘述，由此可到16张各通道的完整图像。
[0052] S04. 基于各个通道的所有标定板图像分别进行标定，得到不同通道对应的相机内参矩阵Ai，不同通道相机坐标系与不同位姿标定板坐标系之间的旋转矩阵 和平移向量 ；其中，i为通道数；
[0053] 该步骤中，同时需要获取不同通道相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵和平移向量 ，便于后续测量过程中使用。
[0054] 优选采用张正友标定法进行标定，由于张正友标定法是现有技术，在此不作赘述；
[0055] S05. 对每个通道的所有标定板图像提取激光线，并解算得到激光线的三维坐标：优选采用steger算法进行激光线提取，在此不作赘述。
[0056] ；
[0057] 其中， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿的标定板所处标定板坐标系下的三维坐标， 为第j位姿的标定板表面激光线上第k个点在第j位姿标定板的第i通道图像中的二维图像坐标， 为比例系数。
[0058] S06. 对每个通道的激光线的三维坐标进行平面拟合，优选采用最小二乘法进行平面拟合，得到每个通道下激光片光的平面方程系数(ai，bi，ci)，其中，i=1，2，…，N；i为通道编号，N=4H；
[0059] 由此得到16通道的激光片光的平面方程：
[0060] ，i=1，2，…，16；
[0061] 其中，x、y、z为空间直角坐标系的轴；
[0062] S07. 控制线激光器旋转扫描，在每一个旋转位置重复步骤S00‑S06，得到不同旋转位置各个通道下的激光片光的平面方程系数 ，l=1，2，…，L；l为线激光器旋转位置，L为旋转位置总数。
[0063] 线激光器旋转过程中，可以设置初始位置，每次标定和/或测量时都从初始位置开始旋转，也可不设置初始位置，从任意旋转位置开始，直至完成所有旋转位置的标定和测量。
[0064] 相机标定好后开始进行结冰测量。值得说明的是，并不是每次进行结冰测量前都需要进行相机标定，本领域人员可以理解，在相同条件下，当相机标定好以后，可以进行多次的结冰测量。
[0065] 结冰测量的步骤包括：
[0066] S11. 将线激光器恢复到标定的起始位置，控制所述线激光器旋转，使投射到结冰表面的激光线对结冰进行扫描，在标定的各个旋转位置同步触发彩色偏振相机获取结冰表面的激光线图像；
[0067] 该步骤中，线激光器从标定的初始位置开始扫描，在激光器的扫描范围内旋转，完成所有标定位置的扫描，并拍摄所有标定位置的激光线图像。
[0068] S12. 将各个旋转位置的激光线图像分离成4H通道图像；
[0069] 该步骤中各通道的激光线图像分离方法与相机标定时的各通道图像分离方法相同，在此不作赘述，但值得说明的是，在测量过程中，所选取的偏振态应与标定时所选用的偏振态相同，如此才能保证测量的精度。
[0070] S13. 对各个旋转位置所有通道的激光线图像提取激光线，得到激光线的二维图像坐标 ，基于标定的该旋转位置各个通道对应的相机内参矩阵Ai和激光片光的平面方程系数 ，解算得到各通道相机坐标系下的激光线三维坐标，得到冰形三维轮廓：
[0071] ，
[0072] 其中， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为第l个旋转位置的激光线上第k个点相应的二维图像坐标， 为比例系数，Ai为标定得到的第i通道图像对应的相机内参矩阵；
[0073] S14. 基于标定的不同旋转位置下各个通道对应的相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵 和平移向量 ，将不同通道解算得到的冰形三维轮廓统一到同一个世界坐标系中，得到完整的冰形三维轮廓：
[0074]
[0075] 其中， 为第i个通道解算得到的冰形三维轮廓中第k个点在第i通道图像所对应的相机坐标系下的三维坐标， 为冰形三维轮廓中第k个点在统一世界坐标系下的三维坐标。
[0076] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
