用坐标系各坐标系之间的关系标定模型基于摄影测量的相机标定实施办法大视场相机标定关键技术相机标定流程小结数字图像相关法引言数字图像相关法的基本原理与概念基本原理位移函数相关函数插值方案西安交通大学硕士学位论文全场位移测量整像素搜索亚像素相关搜索方法简介最小二乘迭代法改进的斜光轴弱相关散斑匹配算法小结机翼变形测试用散斑生成引言散斑制备方法概述机翼变形测试用散斑的要求机翼变形用电子散斑电子散斑软件制作散斑功能测试小结实验分析引言实验软硬件及测量流程硬件组成软件模块及界面测量流程地面模拟机翼实验实验方案实验中相机的标定数据处理及结果分析小结结论与展望结论展望参考文献致谢声明主要符号表，奖，发表了多篇论文，并且根据数字图像相关法和摄影测量技术开发了系统和系统，并应用到汽车航空航天和模具等行业以及各种材料力学分析和研究中。图系统课题组承担的国家自然科学基金项目大型飞机风洞试验的三维视频动态变形测量方法和实验研究，编号，已经实现了风洞试验环境下对飞机模型的三维动态变形测量，相关理论和技术可以借鉴。并且本项目的地面静载实验和机载动态实验是与中国飞行试验研究院合作的。该院提供的试验环境，能够保证真实有效的试验场景。研究内容本项目针对大型飞机在飞行过程中机翼变形测量的需求和传统测量方法的局限性，西安交通大学硕士学位论文将数字图像相关技术与视屏测量模型技术相结合，提出了种新型的针对大型飞机机翼变形的测量方法大型飞机机翼三维全场动态变形影像测量方法。本文围绕该方法的实现对部分相关的关键技术和难点进行了深入的研究，希望对大型飞机飞行过程中机翼的变形测量提供种更加可靠和精确的测量方法。本文主要包括四个方面的研究内容大视场相机标定对于飞机在飞行过程中的机翼变形测量，相机布置在飞机上，在飞行过程中会存在抖动等原因，使得相机的参数会存在误差，如何在飞行过程中实时更新相机的外参数以便减弱飞机抖动带来的影响是本文的重点研究内容同时，对于大型飞机来说，待测机翼变形区域较大，需采用多个相机组同时进行测量，如何将各个相机组的测量坐标系统到世界坐标系下也是本文的研究内容之。斜光轴散斑匹配算法的研究与改进介绍了数字图像相关法的基本概念以及用于位移变形测量的整像素和亚像素相关搜索，针对本项目中同测量组的相机位于不同水平位置这特殊性，改进了斜光轴下的散斑种子点匹配算法，使得同状态下两个相机所拍摄图像上的种子点能够成功匹配。机翼变形用测试散斑的生成研究对于大型飞机机翼的变形测量，普通数字图像相关法中的在被测物体表面喷射黑白相间的油漆的制作方法不再试用。因为大型飞机在获取散斑图像时，相机视场较大，太小的散斑不能准确的反映被测物体表面的灰度变化。因此，根据大型飞机机翼变形测量的散斑生成方案，编制了标志点生成软件，用以根据实际需要调整散斑和标志点的参数，然后生成电子档的散斑和标志点图案。相关实验验证算法的可行性同个测量组的相机位于不同的水平位置，且光轴与被测物法线方向呈定夹角时，能否进行匹配计算，完成测量任务，需要通过实验来验证。技术路线本课题在了解航空航天领域机翼变形应变测量的需求，分析国内外关于该领域的研究现状的基础上，提出了基于数字图像相关法的飞机机翼测量方案，并通过实验分析验证了该方法的可行性。图即为本文的技术路线绪论总结与展望三维全场动态变形测量需求分析飞机机翼三维动态变形影响测量方案获取图像三维重建计算显示变形实验验证结果与结果分析飞机机翼动态三维全场变形测量分析国家自然科学基金项目相机标定双目立体视觉技术原理与理论研究系统软硬件设计方案共轭相机组动态测量相机内外参数标定散斑编码点与非编码点图像采集图像斜光轴弱相关散斑匹配空间前方交汇求解坐标信息系统完善与功能分析计算各个状态的变形数据图像匹配图研究技术路线图章节安排本文由个章节组成。第章绪论。首先介绍了课题的研究背景和国内外研究现状接着介绍了本课题的来源以及研究意义然后提出了本文的研究内容和技术路线最后是本文的结构安排。第二章大视场相机标定。首先简要介绍了本项目的整体方案，然后介绍了相机标定的理论基础以及相机标定模型，紧接着介绍了般视场下单相机标定实施办法，最后介绍了该项目中大视场下多相机标定的关键技术和标定流程。第三章数字图像相关法。首先介绍了数字图像相关法的基本原理和概念，接着对该方法的关键技术包括相关函数，整像素和亚像素搜索等分别进行了论述最后针对飞机机翼测试时相机位置布置的特殊性，对斜光轴下的散斑匹配进行了研究并提西安交通大学硕士学位论文出了改进之后的算法。第四章机翼变形测试用散斑生成。首先介绍了常用的散斑生成方法，然后针对机翼变形测试用散斑的特殊性，研究了大型飞机机翼变形测试用电子散斑的生成。第五章实验分析。对整体的方案以及改进之后的算法进行实验验证和结果分析。第六章结论与展望。在总结全文和创新点的基础上，提出了本文的进步研究内容，明确今后的研究方向。大视场相机标定引言相机标定是指通过实验和计算来确定摄像机参数的过程，而这些摄像机参数也即摄像机成像几何模型的参数，通常包括以摄像机镜头畸变为主的内参数和从二维图像坐标系到三维世界坐标系的转换关系为主的外参数，它们反应了物体表面点在任意世界坐标系下的三维坐标与该点在摄像机所拍图像上相应点的二维坐标之间的转换关系。相机标定是数字图像相关法进行后续计算的基础，相机标定的精度直接决定了最后结果的计算精度。在本项目中，大视场下多相机同时参与测量，并且在飞机飞行过程中存在抖动等问题，如何在现有基础上实现多相机的实时标定并且将各个摄像机测量组的数据统到个世界坐标系下是项目中个重要的研究内容。本文是基于国家自然科学基金项目大型飞机飞行过程中机翼全场动态变形检测方法研究，因此，本章首先介绍了课题组拟定的大型飞机在飞行过程中机翼变形检测技术方案在此方案的基础上介绍了相机标定的相关内容首先介绍了相机标定的理论基础相机标定模型然后介绍了单相机地面标定的实施办法最后介绍了大视场下相机标定的理论基础和具体实施方案。总体方案介绍图是本项目拟定的的整体测量和相机布置方案。左右两侧的机翼作为待测区域会在上面喷涂散斑，在机背上喷涂作为控制点的编码和非编码标志点，测量之前通过或者三坐标测量仪获得这些控制点的三维坐标，在计算的时候用以实时标定相机，同时将所有的计算结果统到该坐标系下。因为测量区域大，需要多组相机同时测量。在本项目课题中，设计采用五组十个相机进行测量。其中，号相机与号相机分别布置于尾翼的不用高度处，如图所示。在众多的相机中，竖直方向上的两个相机作为个测量组，例如号和号相机是个测量组测量右翼上的外侧区域，号和号相机作为个测量组测量右翼靠近机背的区域。在这五个相机测量组当中，号和号相机不参与变形的测量，它们负责实时拍摄位于机背上的作为控制点的标志点，用以实时标定相机从而减小飞机抖动产生的影响。西安交通大学硕士学位论文图相机布置示意图在普通的变形测量中，同测量组的相机位于同水平位置上，并且相机光轴垂直于被测物表面。在该方案中，采用竖直方向的两个相机作为用个测量组，两个相机拍摄图片时光轴与被测物表面的夹角不致，因此，两个相机所拍摄的图片形状会存在较大差异，不利于图像特征的提取。为了减小这种差异性带来的影响，根据相机布置的位置以及被测物尺寸信息，将标志点和散斑按照定比例设计成椭圆形，使得两相机拍摄的图像更加接近，更有益与后续的精确匹配。图是拉长的标志点和散斑示意图，该部分内容详见第三章。编码标志点散斑图拉长的标志点和散斑相机标定模型常用坐标系图像坐标系大视场相机标定摄像机采集的图像在计算机内的存储方式为个二维数组，每个数组元素的值为该坐标下的图像点亮度。如图所示，在图像上定义以左上角为原点的坐标系此时以像素为单位的坐标,即为该点在计算机内存储数组的行数和列数另以图像内点为原点，轴轴分别与,平行，建立个以毫米或者其他物理单位为单位的坐标系，此时的图像坐标,表示该像素点在图像中的实际物理位置，在后续的三维重建等计算中采用该值。,图图像坐标系图像中的任点在和坐标系下的转换关系可以表示为式中,在,坐标系中的坐标,像素在坐标系下的物理尺寸。摄像机坐标系摄像机坐标系是指以摄像机光心为原点，以摄像机光轴为坐标系的轴，轴,分别平行于图像上,轴的坐标系。光轴即与图像平面的交点即为图像物理坐标系的原点，即为焦距。世界坐标系世界坐标系是用来描述空间任物体包括摄像机被测物等实际位置的坐标系，由轴组成。各坐标系之间的关系图像坐标系与摄像机坐标系之间的关系理论的数字摄像机的成像模型是针孔模型光心与空间点之间的连线与硕士学位论文斜光轴拍摄飞机机翼的变形测量技术研究申请人余淼学科专业机械工程指导教师梁晋教授年月论文题目斜光轴拍摄飞机机翼的变形测量技术研究学科专业机械工程申请人余淼指导教师梁晋教授摘要航空航天技术的强弱是个国家国力盛衰的综合体现，也是国家科技创新与发展的重要领域。大型飞机项目是我国中长期科技发展纲要十六个重大专项之，包含了许多关键技术。飞机机翼作为大型飞机的重要结构部件之，其结构设计以及气动载荷也是研究的重要内容。因此，获取在飞行过程中的大型飞机机翼的变形具有重要意义。数字图像相关法是种非接触光学全场应变测量方法，与其他光学测量方法相比具有光路简单对测量环境要求不高等优点。近年来，数字图像相关方法发展成为了种重要的力学实验方法。本文在充分了解大型飞机飞行过程中机翼变形测量的研究现状，深入理解数字图像相关理论的基础上，对应用数字图像相关方法进行大型飞机飞行过程中机翼变形测量的部分技术进行了深入的研究，主要的研究内容和成果如下在对相机标定的基本原理和单相机标定的基本方法进行深入研究之后，提出了大