一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法。旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，入射光經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓。該三維重建方法包括：建立xyz坐標系，計算反射光線、入射光線與水平面之間的夾角及反射點位置，對被測物體的各個空間點進行測距，計算得到其三維坐標信息，實現(xiàn)三維重建。本發(fā)明實現(xiàn)了對立體場景的三維重建，并在速度未知情況下，通過計算被測距物體空間點在相機采集圖像上的光流實現(xiàn)三維重建；系統(tǒng)可用于無人駕駛飛機的導航與避障，可降低相機采集到的圖像變化速度以及消除相機在觀察飛機前方延伸至無限遠的水平面時相機的透視變形。
【專利說明】一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測距系統(tǒng)的三維重建方法，尤其是涉及一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前普遍應(yīng)用于視頻監(jiān)控、機器人導航、視頻會議和場景重建中的全向相機大多是由傳統(tǒng)透視相機和反射鏡面組成的相機測距系統(tǒng)，反射鏡面的使用使得全向相機具有大視場成像特性。根據(jù)是否滿足單一視點特性，全向相機可以分為單視點折反射相機和非單視點折反射相機。由于在實際應(yīng)用中透視相機與反射鏡面的安裝會存在一定程度上的失偏，所以在現(xiàn)實中使用的實際上都是非單視點折反射相機。
[0003]全向相機的成像特性是由反射鏡面的形狀決定的，典型的反射鏡面包括拋物鏡面、雙曲鏡面、橢圓鏡面以及平面鏡面。在實際應(yīng)用中為了使全向相機獲得一定的成像特性，從而設(shè)計出了具有特殊形狀的反射鏡面。如Chahl的文獻l(ChahlJ S,Srinivasan M V.Reflective surfaces for panoramic imaging[J].AppliedOptics, 1997，36(31):8275-8285.)，設(shè)計了一種等角鏡面，該鏡面具有入射光線的角度變化與反射光線的角度變化呈線性關(guān)系的特點，這使得入射光線與反射光線之間存在一種簡單的角度映射關(guān)系，從而易于分析成像結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法，由特殊設(shè)計的反射鏡面和透視相機組成的同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)實現(xiàn)對實際立體場景的三維重建。在系統(tǒng)速度未知的情況下，僅需知道系統(tǒng)距離地面的垂直高度，再通過使用相機采集圖像和光流計算實現(xiàn)對場景三維重建。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0006]該相機測距系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉(zhuǎn)體鏡面和透視相機，旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉(zhuǎn)體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉(zhuǎn)體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機的成像平面，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓；該三維重建方法包括以下步驟:
[0007]I)以透視相機光心為原點建立xyz坐標系，z軸正方向與透視相機光心指向鏡面中心軸的方向相同，X軸方向位于水平面，y軸正方向為豎直向上；
[0008]2)根據(jù)被測物體空間點A在相機成像平面上的成像A’到相機成像平面中心的距離Π和透視相機的鏡頭焦距f得到對應(yīng)于被測物體空間點A的反射光線與水平面之間的夾角Θ ;并由反射光線的方向和旋轉(zhuǎn)體鏡面的鏡面輪廓，根據(jù)Snell反射定律得到入射光線與水平面的夾角β以及反射點的位置y0, Z0)，x0, lo、Z0分別為入射光線與鏡面輪廓交點的三維坐標；
[0009]3)對被測物體的各個空間點進行測距，得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h ；
[0010]4)將步驟3)中得到的被測物體空間點A到相機光軸的軸心距h代入以下公式計算得到被測物體空間點A的三維坐標信息，實現(xiàn)三維重建:
[0011]xA = h.sin α
[0012]yA = h.cos α

【權(quán)利要求】
1.一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于: 該相機測距系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉(zhuǎn)體鏡面和透視相機，旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉(zhuǎn)體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉(zhuǎn)體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機的成像平面，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓；該三維重建方法包括以下步驟: 1)以透視相機光心為原點建立xyz坐標系，Z軸正方向與透視相機光心指向鏡面中心軸的方向相同，X軸方向位于水平面，I軸正方向為豎直向上； 2)根據(jù)被測物體空間點A在相機成像平面上的成像A’到相機成像平面中心的距離η和透視相機的鏡頭焦距f得到對應(yīng)于被測物體空間點A的反射光線與水平面之間的夾角Θ ;并由反射光線的方向和旋轉(zhuǎn)體鏡面的鏡面輪廓，根據(jù)Snell反射定律得到入射光線與水平面的夾角β以及反射點的位置y0, Z0)，X0, y0, Z0分別為入射光線與鏡面輪廓交點的三維坐標； 3)對被測物體的各個空間點進行測距，得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h； 4)將步驟3)中得到的被測物體空間點A到相機光軸的軸心距h代入以下公式計算得到被測物體空間點A的三維坐標信息，實現(xiàn)三維重建:
xA = h.sin α
yA = h.cos α
其中，χΑ、yA、ΖΑ分別為重建后的被測物體空間點的三維坐標，α為被測物體空間點在相機成像平面的成像和其中心的連線與豎直方向的夾角，β為由被測物體空間點的入射光線與水平面的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于: 所述的對被測距物體的各個空間點的測距具體采用以下方法: 2.1)采用該相機測距系統(tǒng)建立一個仿真環(huán)境，配置仿真參數(shù)通過以下公式得到仿真環(huán)境下系統(tǒng)常數(shù)c的值:
其中，V'為仿真環(huán)境下相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，h'為仿真環(huán)境下被測物體空間點到光軸的軸心距，f是仿真環(huán)境下透視相機的焦距，L'是仿真環(huán)境下被測距空間點在相機采集圖像上的光流值； 2.2)采用該相機測距系統(tǒng)進行實際測距，透視相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機米集圖像上的光流L ； 2.3)然后通過以下公式計算得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h，從而通過相機采集圖像和光流計算實現(xiàn)測距:
其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于:本方法用于通過計算任意被測物體空間點的三維坐標信息，實現(xiàn)三維重建。
【文檔編號】G06T17/00GK104200514SQ201410362762
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】項志宇, 馬子昂 申請人:浙江大學