專利名稱：立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
立體視覺是按照不同視點(diǎn)拍攝的兩幅或多幅圖像來確定場景的三維結(jié)構(gòu)，其所研究的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)實(shí)世界中的單一的三維位置投影到唯一的一對影像位置。與一般的攝影系統(tǒng)只能將三維場景以二維的形式記錄而丟掉了大量的信息不同，立體視覺能夠獲得場景三維數(shù)據(jù)，在機(jī)器人視覺、航空測繪、軍事應(yīng)用、醫(yī)學(xué)診斷及工業(yè)檢測中得到越來越廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外廣大研究人員對其研究也越來越深入。目前，立體視覺仿真主要都是純數(shù)字仿真，數(shù)字仿真能夠?yàn)榱Ⅲw視覺提供研究開發(fā)平臺，大大降低成本。但由于復(fù)雜系統(tǒng)建模困難，純數(shù)字仿真系統(tǒng)不得不對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行簡化，因此純數(shù)字仿真系統(tǒng)存在仿真環(huán)境過于理想化、與實(shí)際拍攝環(huán)境存在一定差別的缺點(diǎn)，特別是在攝像機(jī)存在畸變以及噪聲干擾等誤差因素的情況下，通過數(shù)字仿真得到的圖像效果在真實(shí)性方面存在不足。半實(shí)物仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真，在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，這樣更接近實(shí)際情況，從而得到更確切的信息。半實(shí)物仿真技術(shù)能夠較好克服純數(shù)字仿真的缺點(diǎn)，在立體視覺研究的初期階段體現(xiàn)出優(yōu)勢。由于半實(shí)物仿真要將軟、硬件相結(jié)合而構(gòu)建系統(tǒng)，而如何建立軟、硬件之間的系統(tǒng)模型，確定數(shù)字場景與實(shí)際攝像機(jī)圖像之間的關(guān)系存在較大困難，是立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法的瓶頸?，F(xiàn)有資料中沒有提到一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)能很好的解決立體視覺研究過程中所遇到的復(fù)雜情況仿真難的問題。因此如何解決立體視覺半實(shí)物仿真環(huán)境的瓶頸問題，設(shè)計(jì)有效實(shí)用的半實(shí)物仿真系統(tǒng)是十分必要和迫切的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法，其基于立體視覺原理，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過聯(lián)級投影變換建立軟、硬件相結(jié)合的半實(shí)物仿真?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是通過虛擬視景技術(shù)，根據(jù)產(chǎn)生的虛擬三維場景而獲得在同一時刻不同兩個或多個視點(diǎn)的立體視覺虛擬三維視覺圖像(兩幅或多幅)，由投影儀作為媒介分別將各虛擬三維視覺圖像投影到屏幕上，通過實(shí)際攝像機(jī)分別拍攝屏幕上不同視點(diǎn)各虛擬三維視覺圖像，而得到仿真系統(tǒng)在該測量時刻最終輸出圖像(兩幅或多幅)，利用仿真系統(tǒng)攝像機(jī)圖像以及系統(tǒng)的參數(shù)可根據(jù)立體視覺的基本原理計(jì)算得到圖像中虛擬三維場景的三維空間坐標(biāo)而完成對中虛擬三維場景的三維立體測量，從而實(shí)現(xiàn)對立體視覺算法的驗(yàn)證和評估。這里，所述的虛擬視景技術(shù)是通過OpenGL等軟件對虛擬環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，生成與光學(xué)儀器(攝像機(jī))拍攝到的場景相對應(yīng)的三維視覺圖像。所述的立體視覺的基本原理是從兩個或多個視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視點(diǎn)下的感知圖像，基于視差原理，恢復(fù)景物的三維幾何信息。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了軟、硬件相結(jié)合的立體視覺半實(shí)物仿真平臺的建立，其優(yōu)點(diǎn)主要有(1)成功地將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與攝像機(jī)傳感器有效地結(jié)合在一起，同時具有數(shù)字仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、操作便捷和硬件仿真系統(tǒng)接近真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境程度高的優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了當(dāng)前無有效實(shí)用的立體視覺半實(shí)物仿真環(huán)境的空白，為立體視覺的研究提供了有效的仿真平臺；(2)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，主要部件只有一臺普通投影儀和攝像機(jī)以及計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍廣；(3)該系統(tǒng)具有較高的精度，通過系統(tǒng)進(jìn)行立體視覺三維重建仿真實(shí)驗(yàn)，其精度在1/1000左右。


下面參照附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
圖1是本發(fā)明的立體視覺測量原理圖；圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)模型示意圖；圖4是本發(fā)明的方法流程圖；圖5是本發(fā)明的透視投影視場角與尺度因子關(guān)系示意圖；圖6是本發(fā)明的虛擬攝像機(jī)初始狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的是最基本的是雙目立體視覺測量原理，對于空間物體表面上任意一點(diǎn)P，其在攝像機(jī)C1對應(yīng)的像平面I1上所成的圖像點(diǎn)用P1表示，P點(diǎn)位于攝像機(jī)光心和P1的連線上無法通過像點(diǎn)P1恢復(fù)P點(diǎn)的三維位置，而P點(diǎn)同時亦位于攝像機(jī)C2對應(yīng)的像平面I2上圖像點(diǎn)P2和其光心的連線上，因此通過兩個攝像機(jī)就可以唯一確定空間點(diǎn)P的三維位置。
圖2所示的立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)包括投影儀1、攝像機(jī)2、攝像機(jī)云臺3、投影屏幕4、計(jì)算機(jī)5和6構(gòu)成，各部分均固定在室內(nèi)墻壁或穩(wěn)定支架上，所述的投影儀1選用Sony公司生產(chǎn)的VPL-CX71便攜型投影機(jī)，與計(jì)算機(jī)5相連接，在投影屏幕4上投出計(jì)算機(jī)5中虛擬視景軟件生成的虛擬三維視覺圖像，系統(tǒng)在使用過程中投影儀1的參數(shù)必須固定不變。攝像機(jī)2選用普通CCD攝像機(jī)，攝像機(jī)2的鏡頭為12mm，分辨率為768×576，其固定在攝像機(jī)云臺3上，通過圖像采集卡將采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)6，并通過計(jì)算機(jī)6對攝像機(jī)云臺3的控制實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)2的視場選取，當(dāng)確定攝像機(jī)2的理想位置后，開始進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定，在系統(tǒng)使用的過程中攝像機(jī)云臺3不能轉(zhuǎn)動，攝像機(jī)2的鏡頭的選取以攝像機(jī)2的視場盡量包含投影儀1的圖像而又不超出為原則，為達(dá)到高精度，系統(tǒng)中投影儀1、攝像機(jī)2、攝像機(jī)云臺3及投影屏幕4必須固定在室內(nèi)墻壁或支架上，它們之間位置不能出現(xiàn)相對變化。
如圖3所示，本發(fā)明的立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)建立了三個投影變換的模型虛擬攝像機(jī)模型7、投影儀成像模型8和攝像機(jī)成像模型9，這三個模型之間具有輸入輸出的關(guān)系，其中，虛擬攝像機(jī)模型7通過計(jì)算機(jī)虛擬視景軟件實(shí)現(xiàn)，由人為設(shè)置的參數(shù)得到不同條件下的虛擬攝像機(jī)成像結(jié)果，其攝像機(jī)模型是線性的，虛擬攝像機(jī)參數(shù)可以通過虛擬視景軟件所設(shè)置的參數(shù)計(jì)算求出；而投影儀成像模型8和攝像機(jī)成像模型9是實(shí)際的硬件環(huán)境，它們之間是“面—面”的投影變換，攝像機(jī)模型是非線性的，其參數(shù)需要標(biāo)定。
如圖4所示，本發(fā)明在進(jìn)行立體視覺半實(shí)物仿真時，主要包括以下步驟第一步，由計(jì)算機(jī)的虛擬視景軟件生成虛擬三維場景圖像，并獲得在同一時刻不同兩個或多個視點(diǎn)的立體視覺虛擬三維視覺圖像，在該步中須在虛擬視景軟件中輸入如下參數(shù)首先在虛擬視覺軟件中輸入如下參數(shù)透視投影變換的垂直視場角θ、視場的長寬比Aspect、視點(diǎn)到近裁剪平面的距離NearPlane、視點(diǎn)到遠(yuǎn)裁剪平面的距離FarPlane；視點(diǎn)的空間位置，即世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值XPos、YPos、ZPos；視線方向偏航角度θYaw、俯仰角度θPitch和滾轉(zhuǎn)角度θRoll；第二步，由投影儀分別將各虛擬三維視覺圖像投影到屏幕上；第三步，通過實(shí)際攝像機(jī)分別拍攝屏幕上不同視點(diǎn)各虛擬三維視覺圖像，而得到仿真系統(tǒng)在該測量時刻的最終輸出圖像；第四步，計(jì)算虛擬攝像機(jī)參數(shù)、標(biāo)定實(shí)際攝像機(jī)成像模型參數(shù)和投影儀成像模型參數(shù)；第五步，根據(jù)立體視覺的基本原理計(jì)算得到圖像中虛擬三維場景的三維空間坐標(biāo)。
下面，建立虛擬攝像機(jī)模型svuvvv1=αvx0uv000αvyvv000010RvTv0T1XvwYvwZvw1=M1vM2vXvwYvwZvw1=MvXvwYvwZvw1]]>其中[μv，vv，1]T為虛擬三維視覺圖像的齊次坐標(biāo)，[Xvw，Yvw，Zvw，1]T為虛擬場景的三維空間齊次坐標(biāo)，sv為比例因子，αvx和αvy分別為虛擬攝像機(jī)x軸和y軸方向尺度因子，μv0和vv0為虛擬攝像機(jī)圖像中心，Rv和Tv為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即虛擬攝像機(jī)外部參數(shù)。M1v和M2v分別為虛擬攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣和外部參數(shù)矩陣，Mv為虛擬攝像機(jī)的投影矩陣。虛擬攝像機(jī)參數(shù)Mv各元素可以通過虛擬視景軟件所設(shè)置的參數(shù)計(jì)算求出。
建立投影儀成像模型spupvp1=αpx0up000αpyvp000010RpTp0T1XpwYpwZpw1=MpXpwYpwZpw1]]>以上公式中參數(shù)定義與前面一樣，由于投影儀成像是“面—面”的投影變換，因此可設(shè)Zpw＝0，則由上式可得
spmp=αpx0up00αpyvp0001r1pr2pTpXpwYpw1=HpX~pw]]>其中mp＝[upvp1]T，r1p，r2p分別為Rp的第1、2列，X~pw=XpwYpw1T]]>建立實(shí)際攝像機(jī)成像模型scucvc1=αcx0uc000αcyvc000010RcTc0T1XcwYcwZcw1=McXcwYcwZcw1]]>公式中參數(shù)定義與前面一樣，這里攝像機(jī)成像也是“面—面”的投影變換，因此也可設(shè)Zcw＝0，則由上式可得scm=αcx0uc00αcyvc0001r1cr2cTcXcwYcw1=HcX~cw]]>其中m＝[ucvc1]T，r1c，r2c分別為Rc的第1、2列，X~cw=XcwYcw1T.]]>實(shí)際情況下，攝像機(jī)并不是理想的透視成像，而是帶有不同程度的畸變，這里只考慮一階徑向畸變k，下面是對該模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定以及轉(zhuǎn)換計(jì)算。
下面計(jì)算虛擬攝像機(jī)的參數(shù)，這里設(shè)定虛擬攝像機(jī)圖像分辨率為1024×768。
(1)內(nèi)部參數(shù)通過視場角和圖像的分辨率可求得虛擬攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣。如圖5所示，O為視點(diǎn)，平面P為成像面，成像面的分別率為w×h，像素物理尺寸為dx，dy，u軸和v軸方向的尺度因子為αx，αy，虛擬攝像機(jī)的焦距為f，垂直視場角為θ則由圖5中的幾何關(guān)系可得tan(θ2)=h2*dyf]]>由上式可得αy=fdy=h/2tan(θ/2)]]>虛擬攝像機(jī)是理想的針孔成像模型，其μ軸和v軸方向的尺度因子相等，設(shè)為αx＝αy＝α，攝像機(jī)光軸與像平面交點(diǎn)為像平面中心，即圖像中心。由此即確定虛擬攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣。
(2)外部參數(shù)外部參數(shù)即為R，T的求解通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。由視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置，以及視線方向的偏航角度、俯仰角度和滾轉(zhuǎn)角度可實(shí)現(xiàn)R，T的求解虛擬攝像機(jī)在虛擬世界坐標(biāo)系中的初始狀態(tài)(視點(diǎn)在虛擬世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，偏航角度、俯仰角度和滾轉(zhuǎn)角度都為0)，如圖6所示虛擬世界坐標(biāo)系為X，Y，Z，為黑色坐標(biāo)系所示。虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系初始狀態(tài)為Xc0，Yc0，Zc0，即視線方向指向虛擬世界坐標(biāo)系的X軸方向，則虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系從與虛擬世界坐標(biāo)系重合位置變換到圖6中初始位置的旋轉(zhuǎn)矩陣Rv1為Rv1=0010-10100]]>虛擬攝像機(jī)在初始狀態(tài)下按照先滾轉(zhuǎn)再偏航最后俯仰的順序進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而確定虛擬攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)后的最終位置，其旋轉(zhuǎn)矩陣為Rv2，再將虛擬攝像機(jī)視點(diǎn)位移到所設(shè)置的位置即完成了從虛擬世界坐標(biāo)系到虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換。
坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣Rv2可以用歐拉角表示法求得，根據(jù)前面所規(guī)定的虛擬攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)順序可知?dú)W拉角表示法中旋轉(zhuǎn)順序?yàn)槔@Z軸→繞Y軸→繞X軸，旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)按右手坐標(biāo)系法則確定，繞X軸、Y軸、Z軸的角度分別為α，β，γ后，可推導(dǎo)求得旋轉(zhuǎn)矩陣為Rv2=cosβcosγcosβsinγ-sinβsinαsinβcosγ-cosαsinγsinαsinβsinγ+cosαcosγsinαcosβcosαsinβcosγ+sinαsinγcosαsinβsinγ-sinαcosγcosαcosβ]]>其中α＝θPitch，β＝θYaw，γ＝θRoll。
由此虛擬世界坐標(biāo)系和虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣Rv＝Rv2*Rv1設(shè)虛擬攝像機(jī)視點(diǎn)在虛擬世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為TvW，則平移向量為Tv＝-(Rv*TvW)
最終得到虛擬攝像機(jī)外部參數(shù)矩陣為M2v=RvTv0T1]]>下面介紹投影儀成像模型和攝像機(jī)成像模型參數(shù)的標(biāo)定在實(shí)際應(yīng)用中，我們不需要分別確定圖3中投影儀成像模型和攝像機(jī)成像模型的參數(shù)，即無需分別求解投影儀圖像到投影屏幕、投影屏幕到攝像機(jī)之間的變換關(guān)系，而只需確定攝像機(jī)和投影儀圖像之間的變換關(guān)系即可，因此可將攝像機(jī)和投影儀作為一個整體進(jìn)行標(biāo)定，由于攝像機(jī)鏡頭焦距小(12mm)，攝像機(jī)存在較大的徑向畸變，所以系統(tǒng)需采用非線性系統(tǒng)標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，其參數(shù)的標(biāo)定步驟如下首先，根據(jù)Lenz和Tsai提出的變焦距法(參見Lenz.R.K，Tsai.R.Y，Techniques forCalibration of the Scale Factor and Image Center for High Accuracy 3-D Machine Vision Metrology，IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence.Volume 10.Issue 5.September1988.Pages713-720)可求得攝像機(jī)的圖像中心。
然后，將投影儀模型簡單作為線性模型，則投影儀計(jì)算機(jī)圖像、投影儀屏幕圖像和攝像機(jī)坐標(biāo)系像平面中空間共線四點(diǎn)之間具有交比不變性質(zhì)，利用張廣軍等提出的基于交比不變的攝像機(jī)畸變系數(shù)標(biāo)定方法(參見張廣軍編著，《機(jī)器視覺》，北京科學(xué)出版社，2005.)可實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)徑向畸變系數(shù)的標(biāo)定。
最后，在求出攝像機(jī)的圖像中心和徑向畸變系數(shù)的基礎(chǔ)上，可由靶標(biāo)的像素圖像坐標(biāo)(uc，vc)計(jì)算得到其在攝像機(jī)坐標(biāo)系下圖像坐標(biāo)(X，Y)。而攝像機(jī)圖像(X，Y)到投影儀計(jì)算機(jī)圖像(up，vp)是一個線性變換關(guān)系，可通過下式表示upvp1=H*XY1---(1)]]>其中H為3×3矩陣，由靶標(biāo)上多個角點(diǎn)可由(1)式建立線性方程，利用最小二乘法即可求出矩陣H，即完成對攝像機(jī)成像模型和投影儀成像模型的標(biāo)定。
下面通過一具體實(shí)施例來說明本發(fā)明的立體半實(shí)物視覺仿真的優(yōu)點(diǎn)首先，由與投影儀連接的計(jì)算機(jī)生成的平面靶標(biāo)圖像和攝像機(jī)獲取的靶標(biāo)圖像其圖像分辨率為1024×768，攝像機(jī)拍攝的靶標(biāo)圖像分辨率為768×576，由以上圖像進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果如下表1所示
表1系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

其中標(biāo)定誤差是利用標(biāo)定結(jié)果，由靶標(biāo)攝像機(jī)圖像中未參與標(biāo)定計(jì)算的角點(diǎn)坐標(biāo)反算得到的投影儀計(jì)算機(jī)圖像對應(yīng)角點(diǎn)坐標(biāo)值與真實(shí)的投影儀計(jì)算機(jī)圖像角點(diǎn)坐標(biāo)值之間差值的均方值。
然后，通過虛擬視景軟件設(shè)計(jì)一組已知空間坐標(biāo)的四棱錐體，設(shè)置兩個視點(diǎn)的對應(yīng)參數(shù)，得到兩幅不同視點(diǎn)的虛擬三維視覺圖像，兩個視點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置分別如表2中所示表2虛擬視景軟件兩個視點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置

由以上參數(shù)可以求出左右虛擬攝像機(jī)參數(shù)，如表3所示表3虛擬左右攝像機(jī)參數(shù)


然后，將虛擬視景不同視點(diǎn)的兩幅圖像分別投影到屏幕上，經(jīng)過攝像機(jī)拍攝得到的左右攝像機(jī)圖像。
選取圖中四棱錐頂點(diǎn)及部分底面角點(diǎn)作為立體視覺三維坐標(biāo)計(jì)算對象，由以上標(biāo)定結(jié)果和左右虛擬攝像機(jī)參數(shù)應(yīng)用立體視覺方法計(jì)算得到各點(diǎn)的三維坐標(biāo)如表4所示表4測試點(diǎn)三維坐標(biāo)結(jié)果

最后，進(jìn)行精度分析，由上表數(shù)據(jù)可計(jì)算得到三維坐標(biāo)的均方誤差為x值3.189168y值7.296316z值3.576814當(dāng)在虛擬場景中把視點(diǎn)設(shè)在四棱錐體的上方海拔為3000米左右位置，進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)測試時，可得到測試點(diǎn)三維坐標(biāo)的均方誤差為x值1.747925y值4.028061z值1.940519由于立體視覺測量精度會隨著測量范圍變大而降低，因此我們通過場景的三維坐標(biāo)誤差值與測量距離的比值來衡量立體視覺系統(tǒng)測量的精度，由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)通過系統(tǒng)進(jìn)行立體視覺三維重建精度在1/1000左右。
以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于包括投影儀，攝像機(jī)，攝像機(jī)云臺，投影屏幕和計(jì)算機(jī)，以上各部分均固定在室內(nèi)墻壁或穩(wěn)定支架上，它們之間位置不能出現(xiàn)相對變化，所述的投影儀與計(jì)算機(jī)相連接，在投影屏幕上投出有計(jì)算機(jī)中虛擬視景軟件生成的虛擬三維視覺圖像，所述的攝像機(jī)固定在攝像機(jī)云臺上，通過圖像采集卡將采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，并通過計(jì)算機(jī)對攝像機(jī)云臺的控制實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的視場選取，攝像機(jī)的鏡頭的選取以攝像機(jī)的視場盡量包含投影儀的圖像而又不超出為原則。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真的方法，其特征在于包括如下步驟第一步，由計(jì)算機(jī)的虛擬視景軟件生成虛擬三維場景圖像，并獲得在同一時刻不同兩個或多個視點(diǎn)的立體視覺虛擬三維視覺圖像；第二步，由投影儀分別將各虛擬三維視覺圖像投影到屏幕上；第三步，通過實(shí)際攝像機(jī)分別拍攝屏幕上不同視點(diǎn)各虛擬三維視覺圖像，而得到仿真系統(tǒng)在該測量時刻的輸出圖像；第四步，計(jì)算虛擬攝像機(jī)參數(shù)、標(biāo)定實(shí)際攝像機(jī)成像模型參數(shù)和投影儀成像模型參數(shù)；第五步，根據(jù)立體視覺的基本原理計(jì)算得到圖像中虛擬三維場景的三維空間坐標(biāo)。
3.一種如權(quán)利要求2所述的立體視覺半實(shí)物仿真方法，其特征在于所述的第一步包括在計(jì)算機(jī)的虛擬視覺軟件中需要輸入如下參數(shù)透視投影變換的垂直視場角θ、視場的長寬比Aspect、視點(diǎn)到近裁剪平面的距離NearPlane、視點(diǎn)到遠(yuǎn)裁剪平面的距離FarPlane；視點(diǎn)的空間位置，即世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值XPos、YPos、ZPos；視線方向偏航角度θYaw、俯仰角度θPitch和滾轉(zhuǎn)角度θRoll。
4.一種如權(quán)利要求2所述的立體視覺半實(shí)物仿真方法，其特征在于所述的第四步是通過計(jì)算機(jī)的虛擬視景軟件所設(shè)置的參數(shù)來計(jì)算虛擬攝像機(jī)參數(shù)的，其成像模型為svuvvv1=αvx0uv000αvyvv000010RvTv0T1XvwyvwZvw1=M1vM2vXvwYvwZvw1=MvXvwYvwZvw1]]>其中[uv，vv，1]T為虛擬三維視覺圖像的齊次坐標(biāo)，[Xvw，Yvw，Zvw，1]T為虛擬場景的三維空間齊次坐標(biāo)，sv為比例因子，αvx和αvy分別為虛擬攝像機(jī)x軸和y軸方向尺度因子，uv0和vv0為虛擬攝像機(jī)圖像中心，Rv和Tv為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即虛擬攝像機(jī)外部參數(shù)。M1v和M2v分別為虛擬攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣和外部參數(shù)矩陣，Mv為虛擬攝像機(jī)的投影矩陣，虛擬攝像機(jī)參數(shù)Mv各元素可以通過虛擬視景軟件所設(shè)置的參數(shù)計(jì)算求出。
5.一種如權(quán)利要求2所述的立體視覺半實(shí)物仿真方法，其特征在于所述的第四步中的標(biāo)定實(shí)際的攝像機(jī)成像模型參數(shù)和投影儀成像模型參數(shù)是作為一個整體進(jìn)行的，具體分為如下步驟首先，根據(jù)變焦距法求得攝像機(jī)的圖像中心；然后，將投影儀模型簡單作為線性模型，利用交比不變的攝像機(jī)畸變系數(shù)標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)徑向畸變系數(shù)的標(biāo)定；然后，在求出攝像機(jī)的圖像中心和徑向畸變系數(shù)的基礎(chǔ)上，由靶標(biāo)的像素圖像坐標(biāo)計(jì)算得到其在攝像機(jī)坐標(biāo)系下圖像坐標(biāo)；最后，根據(jù)所述的攝像機(jī)圖像到投影儀計(jì)算機(jī)圖像的線性變換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)成像模型和投影儀成像模型的標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種立體視覺半實(shí)物仿真系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括投影儀、攝像機(jī)、攝像機(jī)云臺、投影屏幕和計(jì)算機(jī)，在利用該仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，首先，由計(jì)算機(jī)的虛擬視景軟件生成虛擬三維場景圖像，并獲得在同一時刻不同兩個或多個視點(diǎn)的立體視覺虛擬三維視覺圖像；再由投影儀分別將各虛擬三維視覺圖像投影到屏幕上，并通過實(shí)際攝像機(jī)分別拍攝屏幕上不同視點(diǎn)各虛擬三維視覺圖像，而得到仿真系統(tǒng)在該測量時刻的輸出圖像，然后，計(jì)算虛擬攝像機(jī)參數(shù)、標(biāo)定實(shí)際攝像機(jī)成像模型參數(shù)和投影儀成像模型參數(shù)，最后，根據(jù)立體視覺的基本原理計(jì)算得到圖像中虛擬三維場景的三維空間坐標(biāo)，本發(fā)明具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04N15/00GK1897715SQ20061008363
公開日2007年1月17日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者張廣軍, 李蘇祺, 魏振忠 申請人:北京航空航天大學(xué)