煤仓煤位测量用摄像机参数标定方法.pdf

第 4 1卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 01 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 7 0 0 8 3 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 9 江静 ， 朱元忠． 煤仓煤位测量用摄像机参数标定方法E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 7 8 3 8 7 ． 煤仓煤位测量用摄像机参数标定方法 江静h ， 朱元 忠。 1 ． 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京 河 北 燕郊0 6 5 2 0 1 ； 3 ． 北京 工业 职 业技 术学 院 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 华北 科技 学 院 机 电工 程学 院 ， 电气与信息工程学院，北京 1 0 0 0 4 2 摘要 针对煤仓煤位光 电测量装置 中的摄像机 内外参数标定问题 ， 提 出了一种基于二维平面方格的摄像 机 参数 标 定方 法 。该 方 法采 用黑 白二值 划 分标 定板 图案 ， 以黑 白方格 的 交点为标 定 角点 ， 同时考 虑摄像 机在 不 同视 角的成像 姿 态， 以 获得尽 可 能丰 富的 位 置信 息 ； 根 据 角度特征 的 旋转 不 变性 ， 采 用 Ha r r i s 算 法提 取 角 点， 并采用非线性最优化方法进行参数标定 。在神华神 东煤炭 集团大柳塔煤矿地面煤仓进行了工业性试验 ， 结果表 明， 该方法能够获得较好的煤仓煤位深度标定结果， 误差在许可范围 内， 满足煤仓煤位深度估计的应 用需要 。 关键词 煤仓煤位检测 ； 摄像机参数 ； 参数标定；平面黑白格 ；Ha r r i s算法 中图分 类号 TD 6 7 9 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 1 1 2 3 网络出版地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 0 1 ． 1 1 2 3 ． O 1 9 ． h t ml Ca l i br a t i o n me t h o d o f c a me r a p a r a me t e r s f o r c o a l l e v e l me a s u r e me nt i n c o a l bi n J I ANG J i n g 一， ZHU Yu a n z h o n g 。 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a；2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l - El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Ya n i i a o 0 6 5 2 0 1 ，Ch i n a ；3 ． S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 2 ， C h i n a Ab s t r a c t A c a l i b r a t i o n me t h o d o f c a me r a p a r a me t e r s b a s e d o n p l a n a r g r i d wa s p r o p o s e d t o d e a l wi t h t h e p r o b l e m o f i n t r i n s i c a n d e x t r i n s i c p a r a me t e r s c a l i b r a t i o n f o r p h o t o e l e c t r i c me a s u r i n g d e v i c e i n c o a l b i n． 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 1 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 6 1 0 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家 自然科学基金重点资助项 目 5 1 1 3 4 0 2 4 ； 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 2 AA0 6 2 2 0 3 。 作者简介 江静 1 9 7 9 一 ， 女 ， 江苏连云港人 ， 副教授 ， 博士， 研究方向为工作面煤岩边界识别 、 图像处理与分析 ， E - m a i l j i a n g j i n g c u mt b ． e d u ． c n 。 [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] 刘鹏 ， 吕振 ， 胡 冰． 用于井下 瓦斯监测的无线传感 器 网 络系统 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 3 8 - 1 0 ． I NTANAG0NW I W AT C， G0VI NDAN R ， ES TRI N D，P ￡ a1 ． Di r e c t e d di f f us i o n f o r wi r e l e s s s e ns or n e t w o r k i n g [J] ． I E E E ／ AC M Tr a n s a c t i o n s o n Ne t wo r k i n g， 2 0 0 3， 1 l 1 2 - 1 6 ． HAN K H， K0 Y B， KI M J H．A n o v e 1 g r a d i e n t a p p r o a c h f o r e f f i c i e n t d a t a d i s s e mi n a t i o n i n wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s[ J ] ．Ve h i c u l a r Te c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 6 0 4 2 9 7 9 2 9 8 3 ． VERB I S T F， F ES TJ ENS N， S TEENHAUT K， e ￡ 口 Z ． Ho p c o u n t d i s c o v e r y p r o t o c o l f o r g r a d i e n t b a s e d r o u t i n g i n wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s [C] ／ ／ Co mm u ni c a t i on s a n d El e c t r oni c s， 2 00 6 1 0 2 1 05 ． [7] C HA NG S S ，HUANG C H，C HANG K C ．A mi n i mu m ho p r o ut i ng pr o t oc o l f or ho me s e c u r i t y s y s t e ms u s i n g wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k s [ J ] ． C o n s u me r El e c t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 5 3 4 1 4 8 3 1 4 8 9 ． [ 8] 陈志泊 ， 徐孝成． 一种改进的基于跳数的无线传感器 网络路 由算法 r- J ] ． 计算机科学 ， 2 0 1 3 ， 4 0 4 8 3 8 5 ． [9 ] 魏宁 ， 尹洪胜 ， 刘秀荣 ， 等． 基于无 线传感 器 网络 的煤 矿瓦斯 监测 系 统的设 计 [ J ] ．工矿 自动 化， 2 0 1 0 ， 3 6 1 7 0 - 7 3 ． [ 1 O ] HE I NZ E L MAN W R ．Ap p l i c a t i o n s p e c i f i c p r o t o c o l a r c h i t e c t u r e s f o r wi r e l e s s n e t wo r k s [ D] ． C a mb r i d g e M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， 2 0 0 0 ． 8 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 TWO v a l u e s o f b l a c k a n d wh i t e a r e u s e d t o d i v i d e p a t t e r n O n t h e c a l i b r a t i o n p l a t e ，a n d t h e i n t e r s e c t i o n p o i n t s o f b l a c k a n d wh i t e v a l u e s a r e t a k e n a s c a l i b r a t i o n p o i n t s ． I ma g i n g p o s t u r e s wi t h d i f f e r e n t p e r s p e c t i v e s a r e c o ns i de r e d t o o bt a i n po s i t i o n i nf or ma t i o n a s m a ny a s p o s s i bl e． A c c or d i ng t O r ot a t i o n i n va r i a nc e o f a n gl e f e a t ur e，Ha r r i s a l go r i t hm i s u s e d t o e x t r a c t a ng ul a r po i nt s，a nd no nl i ne a r op t i mi z a t i o n me t h od i s a d op t e d t O c a l i br a t e pa r a m e t e r s．The i nd us t r i a l t e s t s a r e t a ke n i n c o a l bi n o f Da l i ut a c o a l m i n e of S h e n d o n g Co a l Gr o u p ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d c a n a c h i e v e b e t t e r c a l i b r a t i o n r e s u l t s o f c o a l I e v e I ，a nd e r r o r i S a c c e pt e d，wh i c h me e t s n e e d s o f d e p t h e s t i m a t i o n o f e oa l 1 e v e l i n c o a I b i n． Ke y wo r d s c o a l l e v e l me a s u r e me n t i n c o a l b i n；c a me r a p a r a me t e r s ；p a r a me t e r c a l i b r a t i o n；p l a n a r g r i d； H a r r i s a l g or i t h m O 引言 机参数标定方法 。本文将对该问题展开研究 。 煤仓内高温高湿 、 高粉尘且瓦斯极易积聚， 导致 接触式煤位测量装置 的使用范围受限， 且测量准确 度低 ， 极易出现空仓和冒仓情况 。寻求一种可实施 、 高准确性的煤仓煤位深度测量方法一直是煤炭工作 者的研究任务 。孙继平等 伽提出了一种非 接触式 煤仓煤位光 电测量方法及装置。该装置基于机器视 觉 方法 ， 采 用红 外激 光 发 射 器 来 减 少 煤 仓 内低 照 度 对成像的影响 ， 将煤仓煤位深度检测 问题转化为求 解光斑成像中心点的像素偏移量问题 。参考文献[ 1 ] 对直径为 8 m、 高度为 4 0 m 的圆形筒状直立式煤仓 进 行实 测标 定 ， 起 始 位 置 为距 仓 口 0 ． 6 m 处 ， 设 步 长 为 1 ． 2 m， 逐 级下 放标 定板 ， 获取 光 斑 在 煤仓 煤 位 的表 面成像 。分 析 测 试 数 据 后 发 现 ， 在 基 于 机 器 视 觉 的煤仓煤位图像深度估计算法 中， 摄像机 的内外 参数对煤位深度检测结果影响较大 。 确定煤仓煤位测量用摄像机 内外参数的过程实 际上是参数标定过程 ， 通过标定参数 可获得被测煤 面光斑 点 在煤 面成 像 中 的像 素 坐标 与实 际物 理 位置 之间的换算关系。直接线性变换法[ 4 通过求解线性 方程组来得到摄像机 的内外参数 ， 不考虑摄像机镜 头畸变影响 ， 运算速度快 ， 但 在应 用 中需要 进行优 化 ， 以提高标定精度。Ts a i _ 5 蜘首次提出畸变补偿的 标定方法 ， 在直接线性变换基础上 ， 补偿摄像机的非 线性畸变 ， 不足之处是在摄像机建模时必须确定 可 能存在的畸变影 响 ， 鲁棒性差 。Ma r t i n s等 在 插 值算法基础上 ， 运用双平面模型对摄像机的内外参 数进行 标 定 ， 可 靠 性 高 ， 但 计 算 量 大 ， 实 时 性差 。 F a u g e r a s 等l 8 别提出 自标定思路 ， 通过 2幅或 2幅以 上图像帧直接求解摄像机参数 ， 缺点是标定参数精 度低 。刘改叶等[ 1 在矿用输送带双 目视觉 检测 中 采用一种 自适应标定方法 。但 目前还没有适合煤矿 井下低照度 、 高粉尘环境下的煤仓 煤位测量用摄像 1 摄 像机 的 内外 参数 定义平面坐标系 X y， 三维空间中的任意一点 P x， Y ， z 聚焦 后投 射在 平 面 坐标 系上 点 P X， y ， 可得 S I y l L． 1 j F f 0 0 0 7 1 o 厂 o 0 l L_o 0 1 o j 1 式 中 5 为 比例 因子 ； f为成像 焦距 。 0 o 0 ] 令 l 0 f 0 0 f 为投影矩阵， 即点 P为空 l 0 0 1 0 j 间点 P 在摄 像 机坐标 系 下 的成 像 点 。 假设像素坐标系下任意一点 ， 在 X， y轴方 向对 应 的物 理尺 寸偏 移量 为 d X， d y， 数学 表 达式 为 1 n d X u 甜。 1 u o O O 1 2 f 一_ ddxY j 1 c3 X y Z 1 一 M X y Z 1 4 式中． [ z z 1 ] 为空间点 P在摄像机坐标 系下 的 1， J f 1