一種單像機全向立體視覺傳感器及其設計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及一種單像機全向立體視覺傳感器及其設計方法，屬于視覺測量技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙目立體視覺技術(shù)是現(xiàn)今=維測量技術(shù)中最有發(fā)展前景的方法之一，其利用兩個 攝像機從不同角度拍攝具有視差的目標物圖像，從而獲取目標物的空間信息。傳統(tǒng)雙目立 體視覺技術(shù)測量范圍狹窄，在工程應用中，往往采用多傳感器結(jié)構(gòu)或單傳感器結(jié)合移動機 械結(jié)構(gòu)的測量模式對狹窄的視場范圍進行補償，然而W上測量模式操作繁瑣，效率低節(jié)奏 慢，雙攝像機圖像采集同步困難，無法適用于對實時性要求較高的場合，尤其是高精度的動 態(tài)測量。
[0003] 單攝像機結(jié)合曲平面折反射鏡構(gòu)成的寬視場立體視覺系統(tǒng)W其安裝靈活，實時同 步性良好，標定減半，傳感器結(jié)構(gòu)小型化等優(yōu)勢成為寬視場測量領(lǐng)域的重要組成部分。但曲 面鏡成像存在諸多劣勢，例如圖像存在卷曲變形，目標特征不具備透視投影不變性，圖像分 辨率差異大等，而單攝像機結(jié)合平面反射鏡構(gòu)成的寬視場立體視覺系統(tǒng)可W降低標定與特 征匹配難度。
[0004] 將傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)與寬視場無卷曲成像技術(shù)相結(jié)合可W實現(xiàn)更寬視場范 圍下的實時S維立體測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明基于傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)，傳感器采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，由一架高分辨率攝像 機和兩個上下四棱錐反射鏡組成，其同步實時性良好，拍攝圖像具備透視投影不變性，且視 場范圍滿足水平360°的全向測量。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種單像機全向立體視覺傳感器及其設計方法，其特 征在于：
[0007] 1、一種單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于；它包括外框架1、上四棱錐反射 鏡2、下四棱錐反射鏡3和攝像機4。
[000引 2、如權(quán)利要求1所述的單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于；上四棱錐反射 鏡2與下四棱錐反射鏡3上下正對、共軸擺放，上四棱錐反射鏡2消去頂端，加蓋一塊矩形 平面鏡，下四棱錐反射鏡3中空無頂，中屯、處安裝攝像機4 ;
[0009] 所述的上四棱錐反射鏡2,其斜面與水平方向夾角為15° -17°，加蓋的矩形平面 鏡邊長為46mm;
[0010] 所述的下四棱錐反射鏡3,其斜面與水平方向夾角為31° -33°，頂端削去后邊長 為40mm，與上四棱錐反射鏡2間距128mm;
[0011] 所述的攝像機4,安裝于下四棱錐反射鏡3的中屯、位置，其光軸與上下平面垂直， 攝像機4經(jīng)上四棱錐反射鏡2斜面成像形成虛擬攝像機10,經(jīng)上四棱錐反射鏡2平面成像 形成虛擬攝像機9,9經(jīng)下四棱錐反射鏡3斜面二次成像形成虛擬攝像機11，由10和11構(gòu) 成傳統(tǒng)雙目立體視覺攝像機，從不同角度采集目標物圖像。
[0012] 3、如權(quán)利要求書1所述的單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于；外框架1結(jié)構(gòu) 靈活，高度可調(diào)，其包括可調(diào)支架5、反射鏡托板6、攝像機安裝槽7和線孔8等；
[0013] 所述的可調(diào)支架5為鋼制材料，調(diào)整其長度可W改變上、下四棱錐反射鏡2、3的間 距及測量空間；
[0014] 所述的攝像機安裝槽7,其側(cè)面采用縷空結(jié)構(gòu)，方便手動旋轉(zhuǎn)調(diào)整攝像機焦距；
[0015] 所述的線孔8,其設置在外框架1的底端，用于穿插各類數(shù)據(jù)線及電源線，W滿足 各類攝像機的使用及圖像數(shù)據(jù)傳輸。
[0016] 4、基于權(quán)利要求1所述的一種單像機全向立體視覺傳感器的設計方法，具體步驟 如下：
[0017] 步驟一，根據(jù)待測目標物寬度及測量距離等選擇鏡頭，計算所需焦距及視場角；
[0018] 步驟二，根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)模型及精度要求設定傾角及部分尺寸參數(shù)；
[0019] 步驟S，由傳感器結(jié)構(gòu)模型計算所需上下四棱錐反射鏡的尺寸。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0021] 一、采用單攝像機結(jié)合上下四棱錐反射鏡的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，極大程度上拓寬了視場范 圍，實現(xiàn)了水平360°的全向立體視覺測量，可用于大型管道內(nèi)表面等檢測。
[0022] 二、將傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)與寬視場無卷曲成像技術(shù)相結(jié)合，拍攝所得圖像具 有透視投影不變性，方便后續(xù)標定匹配等工作。
[0023]=、攝像機經(jīng)上下四棱錐反射鏡多次反射成像，形成兩個虛擬攝像機，其成像光路 緊密集中，有利于傳感器尺寸小型化。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明傳感器的外觀組成示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明傳感器上下四棱錐反射鏡成像原理示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)模型示意圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明傳感器上四棱錐反射鏡尺寸計算示意圖；
[002引圖5為本發(fā)明傳感器下四棱錐反射鏡尺寸計算示意圖；
[0029]圖6為本發(fā)明傳感器精度分析模型示意圖；
[0030]圖7為使用本發(fā)明傳感器采集到的圖像。
【具體實施方式】
[0031] 下面對本發(fā)明做進一步的說明。本發(fā)明為一種單像機全向立體視覺傳感器及其設 計方法，將傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)與寬視場無卷曲成像技術(shù)相結(jié)合，有效改進了傳統(tǒng)技術(shù) 的諸多不足，可用于實時條件下水平一周的全向立體視覺測量。
[0032] 本發(fā)明傳感器的外觀組成如圖1所示，它由外框架1、上四棱錐反射鏡2、下四棱錐 反射鏡3和攝像機4組成，其中外框架1由可調(diào)支架5、反射鏡托板6、攝像機安裝槽7和線 孔8等組成。本發(fā)明傳感器基于傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)，攝像機4經(jīng)反射鏡成像形成兩個 虛擬攝像機1〇、11，從不同角度采集具有視差的目標物圖像。上下四棱錐反射鏡成像原理如 圖2所示，攝像機4經(jīng)上四棱錐反射鏡2斜面成像形成虛擬攝像機10,經(jīng)上四棱錐反射鏡2 平面成像形成虛擬攝像機9,9經(jīng)下四棱錐反射鏡3斜面二次成像形成虛擬攝像機11。由于 四棱錐反射鏡在水平四個方向上完全對稱，可構(gòu)成四對虛擬攝像機，從而覆蓋水平一周的 測量范圍。
[0033] 本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，攝像機安裝在原點0處，W光軸為y軸建立如 圖所示的直角坐標系。丫為兩個虛擬攝像機A、C的光軸交角。攝像機焦距為f，視場角為 2 0，設上下四棱錐斜面傾角分別為a，P。圖中反射光線為完整成像的臨界情況，由平面鏡 反射原理可得幾何關(guān)系：
[0034] 丫 = 180。-2 a -2 0 (1)
[0035] 攝像機視場角為：
[0036] 0 =arctan(Wccn/Sf) (2)
[0037]其中WccD為電荷禪合元件煙large-coupleddevice,CCD)祀面寬度。
[003引圖4所示為上四棱錐反射鏡尺寸計算示意圖，假設上四棱錐底面寬為2a，下四棱 錐底面寬為2c(鏡頭口徑），上下棱錐間距為b，參數(shù)假設由實際測量需求初步估計，并可依 據(jù)計算出的傳感器尺寸、視場范圍、基線距等做適當調(diào)整。通過坐標運算可得上四棱鏡斜面 的最小尺寸Wi為；
[0039]
【主權(quán)項】
1. 一種單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于：它包括外框架1、上四棱錐反射鏡2、 下四棱錐反射鏡3和攝像機4。
2. 如權(quán)利要求1所述的單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于：上四棱錐反射鏡2 與下四棱錐反射鏡3上下正對、共軸擺放，上四棱錐反射鏡2消去頂端，加蓋一塊矩形平面 鏡，下四棱錐反射鏡3中空無頂，中心處安裝攝像機4 ; 所述的上四棱錐反射鏡2,其斜面與水平方向夾角為15°-17°，加蓋的矩形平面鏡邊長 為 46mm ； 所述的下四棱錐反射鏡3,其斜面與水平方向夾角為31°-33°，頂端削去后邊長為40mm， 與上四棱錐反射鏡2間距128mm ; 所述的攝像機4,安裝于下四棱錐反射鏡3的中心位置，其光軸與上下平面垂直，攝像 機4經(jīng)上四棱錐反射鏡2斜面成像形成虛擬攝像機10,經(jīng)上四棱錐反射鏡2平面成像形成 虛擬攝像機9,9經(jīng)下四棱錐反射鏡3斜面二次成像形成虛擬攝像機11，由10和11構(gòu)成傳 統(tǒng)雙目立體視覺攝像機，從不同角度采集目標物圖像。
3. 如權(quán)利要求書1所述的單像機全向立體視覺傳感器，其特征在于：外框架1結(jié)構(gòu)靈 活，高度可調(diào)，其包括可調(diào)支架5、反射鏡托板6、攝像機安裝槽7和線孔8等； 所述的可調(diào)支架5為鋼制材料，調(diào)整其長度可以改變上、下四棱錐反射鏡2、3的間距及 測量空間； 所述的攝像機安裝槽7,其側(cè)面采用鏤空結(jié)構(gòu)，方便手動旋轉(zhuǎn)調(diào)整攝像機焦距； 所述的線孔8,其設置在外框架1的底端，用于穿插各類數(shù)據(jù)線及電源線，以滿足各類 攝像機的使用及圖像數(shù)據(jù)傳輸。
4. 基于權(quán)利要求1所述的一種單像機全向立體視覺傳感器的設計方法，具體步驟如 下： 步驟一，根據(jù)待測目標物寬度及測量距離等選擇鏡頭，計算所需焦距及視場角； 步驟二，根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)模型及精度要求設定傾角及部分尺寸參數(shù)； 步驟三，由傳感器結(jié)構(gòu)模型計算所需上下四棱錐反射鏡的尺寸。
【專利摘要】本發(fā)明屬于視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種單像機全向立體視覺傳感器及其設計方法。本發(fā)明傳感器由外框架1、上四棱錐反射鏡2、下四棱錐反射鏡3和攝像機4組成，其中外框架1包括可調(diào)支架5、反射鏡托板6、攝像機安裝槽7和線孔8等。本發(fā)明傳感器基于雙目立體視覺技術(shù)，攝像機4經(jīng)上、下四棱錐反射鏡2、3成像形成不同方向的四對虛擬攝像機，可拍攝目標物圖像并傳輸至計算機進行處理，相當于在傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)中，從不同角度獲取目標物的特征。本發(fā)明傳感器采用單攝像機結(jié)合上下四棱錐反射鏡的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，極大程度上拓寬了視場范圍，將傳統(tǒng)雙目立體視覺技術(shù)與寬視場無卷曲成像技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)水平360°的全向立體視覺測量。
【IPC分類】G01C11-36
【公開號】CN104864855
【申請?zhí)枴緾N201510304860
【發(fā)明人】周富強, 宋丫, 柴興華
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月8日