本發(fā)明涉及機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法。

背景技術(shù)：

雙目立體視覺系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)檢測、航拍測繪、機(jī)器人視覺等領(lǐng)域中，但當(dāng)目標(biāo)測量距離增大時，測量誤差急劇上升，三維測量的結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)測量目標(biāo)深度較大時，兩相機(jī)之間的基線長度同數(shù)量級的增大。大基線下的立體視覺系統(tǒng)，體積增大，不便于微型控制等一些特殊場合的應(yīng)用，同時，兩幅立體圖像的測量覆蓋范圍小，可測區(qū)域變小，同時受環(huán)境光照等的影響，圖像對的紋理等特征信息會出現(xiàn)變化，影響立體匹配結(jié)果，致使巨大測量誤差出現(xiàn)。

單目立體視覺是指，采用一個圖像采集設(shè)備或采用同一光路上兩個獨(dú)立的圖像采集設(shè)備，對空間物體從同一角度采集立體圖像對，對兩幅或多幅單目立體圖像進(jìn)行分析處理，根據(jù)空間點(diǎn)形成的多個像點(diǎn)的矢量位移、像素灰度值等不同，計(jì)算估計(jì)空間點(diǎn)的深度信息，實(shí)現(xiàn)三維描述。

基于雙焦成像的立體視覺系統(tǒng)，是基于變焦的立體視覺方法中的特例。采用具有兩個焦距的攝像裝置，從單一觀測點(diǎn)對目標(biāo)實(shí)施同步拍攝，獲得光軸重合的雙焦立體圖像對，并從中提取場景深度信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，用兩個不同的焦距對物點(diǎn)成像，并通過圖像匹配找到對應(yīng)匹配點(diǎn)對，再結(jié)合相應(yīng)的焦距值計(jì)算出物點(diǎn)的深度信息，即獲得目標(biāo)物體的相對位置。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，其采用單目雙焦法，所述的液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)包含第一雙液體透鏡以及第二雙液體透鏡，所述的目標(biāo)相對定位方法包含以下步驟：

s1、標(biāo)定液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距參數(shù)；

s2、以第一雙液體透鏡焦距為自變量，確定出第二雙液體透鏡焦距以及系統(tǒng)總焦距隨著第一雙液體透鏡焦距變化的關(guān)系式；

s3、液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)物體變焦成像，獲得變焦圖像對；

s4、對變焦圖像對中的目標(biāo)物體的像點(diǎn)進(jìn)行特征提取與匹配；

s5、根據(jù)焦距值與特征匹配結(jié)果計(jì)算目標(biāo)物體的空間深度信息。

上述的基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，其中，所述的步驟s1中：

通過焦距儀對液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

上述的基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，其中，所述的步驟s4具體包含：

s41、對變焦圖像對的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)預(yù)處理后進(jìn)行特征提?。?/p>

s42、根據(jù)提取出的圖像特征點(diǎn)建立圖像對中像點(diǎn)的相互關(guān)系。

上述的基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，其中，所述的步驟s5具體包含：

通過目標(biāo)物體深度值計(jì)算公式計(jì)算目標(biāo)物體深度值，式中，x1、y1表示第一次變焦下目標(biāo)像點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，x2、y2表示第二次變焦下目標(biāo)像點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，f1表示第一次變焦的焦距值、f2表示第二次變焦的焦距值。

上述的基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，其中，所述的步驟s41中：

采用sift算子完成目標(biāo)物體像點(diǎn)的提取和匹配。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、運(yùn)用雙焦測量法克服了雙目測量中大基線要求，只需獲取兩幅變焦圖像以及兩幅圖像的焦距參數(shù)，具有處理速度快、實(shí)時性好的優(yōu)點(diǎn)；2、體積小，非三角測量，便于凝視定點(diǎn)觀測、隱藏與攜帶；3、圖像利用率高，從同一觀測點(diǎn)凝視拍攝，雙焦立體圖像對之間內(nèi)容重疊度高；4、同步拍攝，受環(huán)境光照等因素干擾小便于實(shí)時圖像采集。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的組成原理圖；

圖2為本發(fā)明中單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的簡化光學(xué)關(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明中單目雙焦測量幾何關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

由幾何光學(xué)可知，在物距相同的條件下光學(xué)系統(tǒng)焦距不同所形成的像的高度和相應(yīng)焦距值之間存在定量的關(guān)系。如果用兩個不同的焦距對物點(diǎn)成像，并通過圖像匹配找到對應(yīng)匹配點(diǎn)對,再結(jié)合相應(yīng)的焦距值就可以計(jì)算出物點(diǎn)的距離。

基于上述原理，本發(fā)明公開了一種基于單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)相對定位方法，該變焦光學(xué)系統(tǒng)具有兩片或以上的液透鏡(液透鏡數(shù)量根據(jù)實(shí)際所需變倍比及成像質(zhì)量要求選擇)，本實(shí)施例中，如圖1所示，所述的單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)包含前固定組1、第一雙液體透鏡2、第二雙液體透鏡3、后固定組4、探測器5、以及成像處理單元6。其中，前固定組1為前置廣角鏡系統(tǒng)，承擔(dān)入射光線大角度偏轉(zhuǎn)，使出射角度在變焦元件可接納的區(qū)間；第一雙液體透鏡2和第二雙液體透鏡3是變焦核心組件，通過電壓改變液透鏡界面曲率實(shí)現(xiàn)變焦與調(diào)焦過程，且滿足整個光學(xué)系統(tǒng)共軛關(guān)系；后固定組4用于調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)總焦距和后截距，以獲得一定大小的圖像，同時承擔(dān)平衡整體像差的功能；探測器5用于接收待測目標(biāo)物體的像；成像處理單元6用于輸出顯示圖像并反饋焦距信息。

上述的目標(biāo)相對定位方法采用單目雙焦法，該方法具體包含以下步驟：

s1、標(biāo)定單目液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距參數(shù)，具體的，液透鏡焦距與電壓存在一一對應(yīng)關(guān)系，通過焦距儀對第一雙液體透鏡2、第二雙液體透鏡3焦距參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，液體透鏡焦距f與電壓v關(guān)系為：

式中，nils為導(dǎo)電液體的折光率，ndod為絕緣液體的折光率，r為透鏡筒的內(nèi)半徑，εr為介質(zhì)層的介電常數(shù)，d為介質(zhì)層的厚度，σtfl-ils，σtfl-dod和σils-dod分別代表導(dǎo)電液體與絕緣層，絕緣液體與絕緣層以及導(dǎo)電液體與絕緣液體之間的界面張力；

s2、以第一雙液體透鏡2焦距為自變量，確定出第二雙液體透鏡3焦距以及系統(tǒng)總焦距隨著第一雙液體透鏡2焦距變化的關(guān)系式；如圖2所示，fa'是第一雙液體透鏡2焦距，fb'是第二雙液體透鏡3焦距，f3'是后固定組4焦距，l2是第二雙液體透鏡3的物距，l'2是第二雙液體透鏡3的像距，l'是系統(tǒng)像距(后截距)，d1是第一雙液體透鏡2與第二雙液體透鏡3的間距，d2是第二雙液體透鏡3與后固定組4的間距。液透鏡變焦系統(tǒng)變焦過程中d1、d2、l'、f3'保持不變。通過改變fa'，fb'也隨之改變，系統(tǒng)總焦距f'也跟著變化。

第二液透鏡的物距：l2＝fa'-d1(2)

第二液透鏡像距：

第二液透鏡焦距：

系統(tǒng)總焦距：

s3、液透鏡變焦光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)物體變焦成像，獲得變焦圖像對，具體的以不同焦距對目標(biāo)物體兩次變焦成像，如圖3所示，目標(biāo)物體是指待立體成像的觀測目標(biāo)，變焦圖像對是指兩次不同系統(tǒng)總焦距下拍攝的兩幅圖像。

s4、對變焦圖像對中目標(biāo)物體的像點(diǎn)進(jìn)行特征提取與匹配，以獲得雙焦立體圖像對中大量具有豐富特征的點(diǎn)的位置信息；

s5、根據(jù)焦距值與特征匹配結(jié)果計(jì)算目標(biāo)物體的空間深度信息。

所述的步驟s4具體包含：

s41、對變焦圖像對的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)預(yù)處理后進(jìn)行特征提取，本實(shí)施例中，采用sift算子完成目標(biāo)物體像點(diǎn)的提取和匹配，這是因?yàn)殡p焦圖像對之間正存在著尺度變換關(guān)系，對于這樣的特征，多尺度的特征提取方法有很強(qiáng)的特征點(diǎn)提取及匹配能力，采用sift算子檢測特征點(diǎn)可以克服尺度變化帶來的劣處，有效檢測圖像對之間的相同特征點(diǎn)，基于sift尺度不變性提取特征點(diǎn)，主要包括：檢測尺度空間極值點(diǎn)、精確確定特征點(diǎn)位置、確定特征點(diǎn)主方向、sift特征向量的生成；

s42、在提取出的圖像特征基礎(chǔ)上，建立圖像對中像點(diǎn)的相互關(guān)系，利用局部窗口之間灰度信息的相關(guān)程度，尋找圖像對中灰度相似度最大的點(diǎn)位匹配候選點(diǎn)。

所述的步驟s5具體包含：

如圖3所示，由于空間物點(diǎn)深度與其在不同焦距下成像位置和相應(yīng)焦距值之間有關(guān),故可通過在變焦圖像對中找匹配點(diǎn)對,再由相應(yīng)幾何關(guān)系即可計(jì)算出物點(diǎn)的深度信息z0；

式中，p(x0，y0，z0)表示目標(biāo)物點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，p’(x1，y1，z1)是第一次變焦下的目標(biāo)像點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，p”(x2，y2，z2)是第二次變焦下的目標(biāo)像點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置；如圖所示，成像平面是在xy平面上，所以z1和z2都是0。

聯(lián)立關(guān)系式(6)和(7)，即可推得目標(biāo)物體深度值計(jì)算公式：

雙焦定位的關(guān)鍵是在提取出的圖像特征基礎(chǔ)上，建立圖像對中像點(diǎn)的相互關(guān)系，得到空間點(diǎn)的視差結(jié)果。圖像匹配方法正是建立特征對應(yīng)關(guān)系的過程，是相對定位算法的核心。采用特征點(diǎn)提取方法在圖像中獲得豐富的特征點(diǎn)信息之后，可以通過基于灰度相似度的匹配方法獲得特征點(diǎn)初始匹配結(jié)果。基于灰度相似度的匹配方法實(shí)質(zhì)是利用了局部窗口之間灰度信息的相關(guān)程度，尋找圖像對中灰度相似度最大的點(diǎn)位匹配候選點(diǎn)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。