CN101393012A - 新型的双目立体视觉测量装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的双目立体视觉测量装置，包括两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器、连接单元和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行三维立体视觉重建的微处理器，全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、支撑杆、透明玻璃面、附加镜头框和摄像单元，双曲面镜的上部安装上盖，支撑杆呈上粗下细的圆台，支撑杆上端安装在双曲面镜面底部中央的小孔内，支撑杆下端安装在透明玻璃面中央的安装孔内，透明玻璃面嵌入的附加镜头框内，支撑杆与透明玻璃面垂直，摄像单元位于附加镜头框内。本发明简化立体匹配等计算的复杂性、省略摄像机标定工作、方便进行特征提取、容易实现立体图像匹配，最终实现高效、实时、准确的立体视觉测量目的。

Description

新型的双目立体视觉测量装置

技术领域

本发明属于光学技术、计算机视觉技术在立体视觉测量方面的应用。

背景技术

基于计算机视觉的双目立体视觉三维测量与立体重构技术，是一门新兴的、极具发展潜力和实用价值的应用技术，可被广泛应用于工业检测、地理勘测、医学整容、骨科矫形、文物复制、刑侦取证、保安识别、机器人视觉、模具快速成型、礼品、虚拟现实、动画电影、游戏等许多应用领域。

立体视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差、即视差，来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。

目前要实现一个完整的立体视觉系统通常需要图像获取、摄象机标定、特征提取、立体匹配、深度确定及内插等6个大部分内容支持。利用低层图像处理技术对双目图像进行分析，选择图像对中的目标特征井求解特征间的对应关系，通过图像匹配技术得到目标视差，从而转化为主体所需的深度信息。图像获取-摄像机标定-图像分割-特征提取-立体图像匹配-距离确定已成为立体视觉系统处理的主线。

在图像获取手段方面，由于传统视觉环境感知系统视场有限，经常存在跟踪目标丢失的现象，另一方面传统视觉环境感知系统一次只能获取周围环境局部视场的信息，大部分视场信息被放弃了；在双目视觉中的成像系统模型的选择方面，目前主要双目横模型结构和双目轴模型结构这两种模型。

为了从二维图像中获得被测物体特征点的三维坐标，双目视觉测量系统至少从不同位置获取包含物体特征点的两幅图像。目前这类系统的一般结构为交叉摆放的两个摄像机从不同角度观测同一被测物体，原理上是从不同位置或者不同角度获取同一物体特征点的图像坐标来求取该物点的三维坐标。从不同位置或者不同角度获取两幅图像可以采用两个摄像机，也可以由一个摄像机通过运动，在不同位置观测同一静止的物体，也可以由一个摄像机，加上光学成像方式来实现。

以往的双目立体视觉测量系统的结构是两个摄像机斜置于基座上，如附图8所示，中间放线路板，照明灯放在中间前部。这种设计有许多不合理的地方；由于基线距是两个摄像机头中心之间的距离，因此，实际的基线距B比视觉系统的横向宽度L要小许多，摄像机和双目立体视觉标定也比较麻烦；另一种双目立体视觉测量系统的结构是两个摄像机前面各摆放一个平面反射镜，如附图9所示，用它来调整摄像机的测量角度，这种结构实际上把两个摄像机成像在有限的空间内增大了系统基线距B的值，而系统的体积并不发生显著变化，这种改进结构有更大的基线距B，能得到更高的测量精度，而且纵向尺寸大大缩短，整个系统的体积更小，重量更轻，便于固定。

通过由一个摄像机通过运动，在不同位置观测同一静止的物体方法也可以实现双目视觉系统结构，如附图10所示；摄像机仅仅沿X方向移动，这时系统的基线距B与摄像机的移动距离有关。如果摄像机事先移动的两个位置确定下来，该系统只需要标定一次即可实现双目立体视觉测量系统，否则系统在各个移动位置必须重新标定。这种结构的特点是：采用单摄像机，能降低成本；根据摄像机的移动位置不同，很容易构成不同基线距的双目视觉测量系统，具有很大的灵活性。但是这种机构对摄像机的移动位置要求比较高，必须保证移动前后的位置准确性，因为摄像机在两个位置的固定是在测量过程中进行的，因此测量速度不可能很快。对于要在线测量的应用场合，这种机构显然不能满足要求。

将光学成像系统和单摄像机结合也能获取被测物体的立体图像，这种光学成像系统实际上是一些棱镜、平面反射镜或球面反射镜组成的具有折射兼反射功能的光学系统，我们将其称为镜像式双目视觉测量系统。这种系统的结构可以做的很小，但可以获得很大的基线距，从而能提高测量精度。通过改变两组平面镜的摆放角度，就可以改变两个虚拟摄像机之间的距离，由于两个虚拟摄像机是由同一个摄像机镜像来的，因此采集图像的两个“摄像机”的参数完全一致，具有极好的对称性。另外，对物体特征点的三维测量，只需一次采集就可以获得物体特征点的两幅图像，从而提高了测量速度。但这种结构的一个最大缺点是：由于一幅图像包括了的特征点“两幅”图像，允许的图像视差减小了一半，因此视觉系统的测量范围至少也减少了一半。同样在图像的中央是“两幅”图像的相交处，图像变得不可利用，而对一个摄像机来说，图像中央应该是成像质量最好和受镜头畸变影响最小的地方。

上述的立体视觉系统都存在着比较繁琐的标定工作，所谓的摄像机标定是为了确定摄像机的位置、属性参数和建立成像模型，以便确定空间坐标系中物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系。摄像机标定需要确定摄像机内部几何和光学特性和相对一个世界坐标系的摄像机坐标系的三维位置和方向。在目前的立体视觉技术中摄像机标定必须解决两个问题，一个是单个摄像机参数的标定，另一个是双目摄像机参数的标定。

特征提取是为了得到匹配赖以进行的图像特征，由于目前尚没有一种普遍适用的理论可运用于图像特征的提取，从而导致了立体视觉研究中匹配特征的多样性。目前，常用的匹配特征主要有点状特征、线状特征和区域特征等。

立体匹配是指根据对所选特征的计算，建立特征之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的，至今这个问题还没有得到很好的解决。立体匹配的有效性有赖于三个问题的解决，即:选择正确的匹配特征，寻找特征间的本质属性及建立能正确匹配所选择特征的稳定算法。

距离确定是通过特征选取、图像匹配，利用视点几何来求取目标点的距离。

立体视觉测量是模仿人类利用双目线索感知距离的方法，实现对三维信息的感知，在实现上采用三角测量的方法，运用两个摄像机对同一物点从不同位置成像，并进而从视差中计算出距离。但是目前立体视觉的技术还无法达到全方位的实时感知，在摄像机标定、特征提取和立体图像匹配方面还没有得到很好的解决。

目前双目立体视觉测量系统的一个局限性是焦距固定，由于一个固定的焦距只能在一定景深范围内清晰拍摄图像，因而限制了测试区域；标定技术还没有很好解决，立体视觉测量系统在各种运动中变化参数是不可避免的，比如运输过程中的震动、工作冲击等的影响，而实际中又不可能总是放几张棋盘在“眼前”进行标定，因而限制了许多应用；双目立体视觉测量系统还没有实现小型化、微型化，使得在机器人、航模等领域的应用受到限制；计算量大，难以进行实时处理，因而限制了实时目标辨识等应用；双目视觉的对应点匹配歧异性大，造成了匹配的误差，影响了匹配精度。

近年发展起来的全方位视觉传感器ODVS(OmniDirectionalVisionSensors)为实时获取场景的全景图像提供了一种新的解决方案。ODVS的特点是视野广(360度)，能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像，一幅图像的信息量更大；获取一个场景图像时，ODVS在场景中的安放位置更加自由；监视环境时ODVS不用瞄准目标；检测和跟踪监视范围内的运动物体时算法更加简单；可以获得场景的实   时图像。同时也为构建双目全方位视觉传感器的立体视觉测量系统提供了一个基本要素。

中国发明专利申请号为200510045648.1公开了一种全向立体视觉成像方法及装置，该专利中将一透视相机镜头的光轴和两反射镜面的共同对称轴重合放置，空间中的一点分别经两反射镜面反射后分别在所述透视相机的像平面成像于不同的两点，相当于两个相机成像；装置包括两个反射镜面、相机，所述相机镜头的光轴和两反射镜面的共同对称轴重合。这种方案的存在的问题是：1)由于一幅图像包括了的特征点“两幅”全向图像，允许的图像视差减小了一半，因此视觉系统的测量范围至少也减少了一半；2)上下两个反射镜面会出现遮挡，影响立体视觉范围；3)由于同一物体的特征点在上下两个反射镜面上经折反射后的成像点在一幅图像上离中心点的位置不同，上反射镜面的成像分辨率要比下反射镜面的成像分辨率高两倍以上；4)由于透视相机镜头存在的对焦问题，只能满足两个反射镜面中的某一个反射镜面为最佳焦距，因而必然会影响成像质量；5)两个反射镜面的焦点距离就是该系统的基线距，因而造成基线距过短，影响测量精度。

发明内容

为了克服已有全向立体视觉成像装置的测量范围小、成像质量差、测量精度低的不足，本发明提供一种增大测量范围、提高成像质量和测量精度的双目立体全方位视觉传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型的双目立体视觉测量装置，包括两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器、连接单元和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行三维立体视觉重构的微处理器，两台全方位视觉传感器之间通过连接单元连接，所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、支撑杆、透明玻璃面、附加镜头框和摄像单元，所述双曲面镜的上部安装上盖，所述支撑杆呈上粗下细的圆台，所述支撑杆上端安装在所述双曲面镜面底部中央的小孔内，所述支撑杆下端安装在所述透明玻璃面中央的安装孔内，所述的透明玻璃面嵌入所述的附加镜头框内，所述支撑杆与所述透明玻璃面垂直，所述摄像单元位于所述附加镜头框内；

所述的微处理器包括：

视频图像读取单元，用于读取两个具有相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，并保存视频图像数据；

视频图像展开单元，用于对具有相同成像参数的全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，首先将组合摄像单元所拍摄的图像单独分离出来，然后对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中；

物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点；

方位角对齐子单元，用于对齐上下两个全方位视觉传感器的球面展开图中的方位角

空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角；

色感信息计算单元，用于计算空间上物点的色感信息，采用在两个全方位视觉传感器上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码；

三维图像重构单元，用于重构出以人为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，重构出三维图像。

进一步，所述双支撑杆上端为外螺纹，支撑杆下端为内螺纹，所述的双曲面镜面底部中央开有一个小孔，孔的直径与支撑杆的外螺纹直径相同，所述的透明玻璃面中间开有安装孔，所述安装孔的直径与支撑杆的内螺纹孔径相同。

再进一步，所述的全方位视觉传感器还包括附加镜头框，所述附加镜头框的下面设有与摄像单元镜头前口径相同的外螺纹，所述摄像单元的镜头前口径设有内螺纹，所述的透明玻璃面嵌入在所述的附加镜头框内。

作为优选的一种方案：在所述色感信息计算单元中，三维球面坐标系的原点为立体视觉测量装置的中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β，R，G，B)，r为球面坐标原点O与物点之间的距离，Φ为球面坐标原点O与物点之间的连线与Z轴正向所夹的角，β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段OP的角，即方位角；P为点C在xoy平面上的投影，R为“中央眼”的红色分量的平均值，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值。

作为优选的另一种方案：在所述的方位角对齐子单元中，对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角的过程为：对于同一个空间上的物点C在双目视觉范围内在两个ODVS的全景原图中存在着两个成像点Cdown(Φ1，β1)和Cup(Φ2，β2)，且这两个成像点的方位角相同的，即β1＝β2；则对应在球面展开图中这两个点的X坐标也必须相同，即x1＝x2；根据上述X坐标相同来对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角。

进一步，在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定了物点的方位角β，任何一个空间物点在两个ODVS上的两个成像点的所表示纬度值满足以下关系式；

180°≤φ1+φ2≤2φmax     (6)

式中，Φ1为下ODVS上的成像物点的入射角，Φ2为上ODVS上的成像物点的入射角，φmax为ODVS的成像物点的最大入射角，即仰角；

根据式(6)所确定的范围，在同一方位角内，即Y方向上寻找匹配点，得到物点C在双目视觉范围内在两个ODVS上的两个成像点Cdown(Φ1，β)和Cup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与C点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}\·\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}\·\sin B\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2+\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}---\left(7\right)$

其中，∠A＝180-Φ2，∠B＝180-Φ1，dc为上下两个ODVS视点之间的距离；通过物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角信息来求物点到立体视觉测量装置中心点的入射角Φ，计算公式由公式(8)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(8\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上ODVS的入射角。

再进一步，在所述的色感信息计算单元中，采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码，首先读取两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量R_ODVS1、R_ODVS2、G_ODVS1、G_ODVS2、B_ODVS1和B_ODVS2的数据，然后采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值作为“中央眼”视觉的颜色编码；计算公式由公式(9)表示；

$R=\frac{R_{\mathrm{ODVS}1}+R_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

                    (9)

$G=\frac{G_{\mathrm{ODVS}1}+G_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

$B=\frac{B_{\mathrm{ODVS}1}+B_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

式中，R为“中央眼”的红色分量的平均值，R_ODVS1为全方位视觉传感器1的红色分量，R_ODVS2为全方位视觉传感器2的红色分量，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，G_ODVS1为全方位视觉传感器1的绿色分量，G_ODVS2为全方位视觉传感器2的绿色分量，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值，B_ODVS1为全方位视觉传感器1的蓝色分量，B_ODVS2为全方位视觉传感器2的蓝色分量；它们的取值范围均为0～255。

更进一步，在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重构出三维图像，具体过程为：

1)利用公式(7)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个ODVS来说，成像物点都为最大入射角φmax时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{c}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(10\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上ODVS的入射角；

2)在距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{c}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}-\frac{c}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(10)，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下ODVS的入射角，Φ2为上ODVS的入射角；

3)判断所计算的Φ1和Φ2是否超过最大入射角φmax，如果超过，进入下一步，否则重复2)；

4)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π，进行下面的计算，否则跳转到2)；

5)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过预设规定值，如果小于所述规定值，跳转到2)，否则进入下一步；

6)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到三维图像。

所述的双曲面镜面构成的光学系统由下面5个等式表示：

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1   当Z>0时   (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                    (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ      (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角；

为了获得比较大的双目视觉范围，在所述的双曲面镜面2设计时需要尽可能加大双曲面镜面的仰角，采用减小双曲面镜的实轴a和虚轴b的比来加大双曲面镜面的仰角，设计时需根据双目视觉的范围、双曲面镜的直径大小来选择一个适当的实轴a和虚轴b的比，最大仰角极限是双曲线的渐进线与X轴的夹角。

所述连接单元为一根两端带有内螺纹的连接杆，所述连接杆的内螺纹的尺寸与所述支撑杆上端的外螺纹的尺寸相匹配，所述连接杆的两端穿过两个全方位视觉传感器的上盖和双曲面镜与支撑杆连接。

所述两个全方位视觉传感器之间呈双目全方位视觉横模型结构，所述双目全方位视觉横模型结构的视点A和视点B所处的轴的位置在Y轴上或者Z轴上，将A点和B点之间的距离设为成人的两眼之间的距离。

或者是：所述两个全方位视觉传感器之间呈双目全方位视觉轴模型结构。

本发明的有益效果主要表现在：1、获取实时的360°*360°全方位立体视频图像，并通过几何计算得到整个监控球面的全景图像，跟踪的监控物体不会出现丢失；2、采用了大仰角的双目曲面镜的ODVS设计，解决了折反射ODVS的图像失真，为实现对大空间内的快速移动目标对象的实时跟踪提供了完整的理论体系和模型；3、提供了一种全新的全方位双眼视功能，在两个合成的ODVS视觉重叠区域，双目立体全方位视觉传感装置具有同时知觉、融合力和立体感；4、由于对组成双目立体全方位视觉传感装置的每个ODVS采用了相同设计，采集图像的两个摄像机的参数完全一致，具有极好的对称性，在球面坐标的情况下获取实时视频图像，能实现快速的点与点的匹配，为后续的立体图像处理提供了极大的方便；5、不在需要繁琐的摄像机标定工作、特征提取十分方便、能实现快速的立体图像匹配；6、由于ODVS的设计采用的是折反射技术，因而不存在固定的焦距的问题，在任何区域范围内图像的清晰度是一样的；7、在图像的获取手段立体匹配、三维图像重构等上采用了同一极球面坐标处理手段，可利用数字几何的计算方法能容易实现三维图像重构和三维物体测量。可广泛的应用于各种工业检测、地理勘测、医学整容、骨科矫形、文物复制、刑侦取证、保安识别、机器人视觉、模具快速成型、礼品、虚拟现实、人体测量、动画电影、游戏等许多应用领域。

附图说明

图1为一种全方位视觉传感器的结构图；

图2为一种双目立体全方位视觉传感器结构图；

图3为全方位视觉传感器中的一个支撑杆部件图；

图4为将两个全方位视觉传感器的折反射镜面进行连接的说明图；

图5为基于双目全方位视觉传感器的立体视觉测量装置的处理结构框图；

图6为立体视觉测量装置测量物点的示意图，图6(a)为双目立体全方位视觉传感器中的下ODVS所抓拍的全景图像示意图，图6(c)为双目立体全方位视觉传感器中的下ODVS所抓拍的全景图的展开图，图6(b)为双目立体全方位视觉传感器中的上ODVS所抓拍的全景图像示意图，图6(d)为双目立体全方位视觉传感器中的上ODVS所抓拍的全景图的展开图；

图7为双目立体全方位视觉传感器的上下ODVS的展开图中对准方位角、实现物点匹配的说明图；

图8为传统双目视觉传感器的结构图；

图9为通过改进的传统双目视觉传感器的结构图；

图10为运动式单摄像机双目视觉测量系统的结构图；

图11为双目立体全方位视觉传感器中的客观视觉与主观视觉的关系示意图；

图12为双目视觉中的中央眼的概念图；

图13为在立体视觉测量装置中对空间物体的数据采集、加工、描述、表达过程中采用的一种统一的球面坐标；

图14为全方位视觉传感器的成像原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～14，一种新型的双目立体视觉测量装置，包括两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行三维立体视觉重构的微处理器，所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面2、上盖1、支撑杆3、透明玻璃面4、附加镜头框5、摄像单元6，如附图1所示；所述的支撑杆3的外形为上粗下细的圆台，如附图3所示，支撑杆3粗的一端为外螺纹，支撑杆3细的一端为内螺纹；所述的双曲面镜面2中间开有一个小孔，孔的直径与支撑杆3的外螺纹直径相同，连接时将支撑杆3的外螺纹穿入双曲面镜面2的孔中用螺帽将双曲面镜面2与支撑杆3连接起来；所述的透明玻璃面4中间开有一个小孔，孔的直径与与支撑杆3的内螺纹孔径相同，连接时将支撑杆3细的一端垂直于透明玻璃面4用螺钉穿过透明玻璃面4上的小孔将支撑杆3与透明玻璃面4连接起来；所述的附加镜头框5的下面有一个与摄像单元6镜头前口径相同的外螺纹，通过旋紧螺纹的方式将附加镜头框5稳固的固定在摄像单元6上，所述的透明玻璃面4嵌入在所述的附加镜头框5内；

将两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器集成构建一个双目立体全方位视觉传感器，如附图4所示，采用一根两端带有内螺纹的连接杆7将两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器连接起来，内螺纹的尺寸与支撑杆3的外螺纹的尺寸相匹配，通过这样的连接能保证两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器在同一轴心线上；

单个全方位视觉传感器的工作原理是：进入双曲面镜的中心的光，根据双曲面的镜面特性向着其虚焦点折射。实物图像经双曲面镜反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)；

图14中的2—双曲线面镜，12—入射光线，13—双曲面镜的实焦点Om(0，0，c)，14—双曲面镜的虚焦点即摄像单元6的中心Oc(0，0，-c)，15—反射光线，16—成像平面，17—实物图像的空间坐标A(X，Y，Z)，18—入射到双曲面镜面上的图像的空间坐标，19—反射在成像平面上的点P(x，y)。

图13中所示的双曲面镜构成的光学系统可以由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1  当Z>0时  (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                        (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角；

为了获得比较大的双目视觉范围，在所述的双曲面镜面2设计时需要尽可能加大双曲面镜面的仰角，采用减小双曲面镜的实轴a和虚轴b的比来加大双曲面镜面的仰角，设计时需根据双目视觉的范围、双曲面镜的直径大小来选择一个适当的实轴a和虚轴b的比，最大仰角极限是双曲线的渐进线与X轴的夹角；

所述的微处理器包括：视频图像读取单元，用于读取两个相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，并保存在指定的存储设备中，其输出与视频图像展开单元连接；视频图像展开单元，用于对全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，图像预处理中首先对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中，其输出与物点匹配单元连接；物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点，其输出与空间信息计算单元连接；空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角，其输出与色感信息计算单元连接；色感信息计算单元，用于计算空间上物点的色感信息，采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码，其输出与三维图像重构单元连接；三维图像重构单元，用于重构出以人为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重构出三维图像；

所述的视频图像展开单元，这里采用柱状展开方式，设展开的图像尺寸为m*l(长*宽，单位像素)，则展开算法中水平方向的计算步长为，Δβ＝2π/l；垂直方向的计算步长为Δm＝φ_max-φ_min/m；式中，φ_max为全景原图最大有效半径Rmax对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角，如附图6所示；

与用极坐标表示的全景原图中的原像点C(Φ，β)对应的球面展开方式中的C点坐标分别为：

x＝β/Δβ；y＝φ-φ_min/Δm        (13)

式中：Δβ为水平方向的计算步长，β为方位角，Δm为垂直方向的计算步长，φ全景原图有效半径R对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；

作为优选的一种方案：所述的视频图像展开单元还包括方位角对齐子单元；所述的方位角对齐子单元，用于对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角。

作为优选的另一种方案：在所述色感信息计算单元中，三维球面坐标系的原点就是立体视觉测量装置中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β，R，G，B)，r为球面坐标原点O与物点之间的距离，Φ为球面坐标原点O与物点之间的连线与Z轴正向所夹的角，Φ角与公式(4)中所示的α角度之间的关系是，Φ＝π/2+α；β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段OP的角，该角就对应着公式(3)中所述的方位角；这里P为点C在xoy平面上的投影，R为“中央眼”的红色分量的平均值，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值；所述的“中央眼”是双目视觉基线距的中点，是通过两个构成双目全方位视觉传感器的视点之间的连线中心点来算得到。

作为优选的再一种方案：在所述的方位角对齐子单元中，对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角的过程为：对于同一个空间上的物点C在双目视觉范围内在两个ODVS的全景原图中存在着两个成像点Cdown(Φ1，β1)和Cup(Φ2，β2)，且这两个成像点的方位角相同的，即β1＝β2；则对应在球面展开图中这两个点的X坐标也必须相同，即x1＝x2；根据上述X坐标相同来对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角。

由于本实施例中将两个具有相同参数的ODVS上下背靠背的方式用连接件进行固定，如图4所示，我们将下面的ODVS标识为ODVS_down，将上面的ODVS标识为ODVS_up，附图6所示的物点C在下面的ODVS_down的全景原图中的成像点Cdown(Φ1，β1)如附图6(a)所示，对应全景原图中的成像点Cdown(Φ1，β1)在展开图中的物点Cdown(x1，y1)，如附图6(c)所示，在图6(c)所示的展开图中，Φdown-max表示ODVS_down的入射角为最大仰角时的值，Φdown-90表示ODVS_down的入射角为90°时的值，Φdown-min表示ODVS_down的入射角为最小俯角时的值；附图6所示的物点C在上面的ODVS_up的全景原图中的成像点Cup(Φ2，β2)如附图6(b)所示，对应全景原图中的成像点Cup(Φ2，β2)在球面展开图中的物点Cup(x2，y2)如附图6(d)所示，在图6(d)所示的展开图中，Φup-max表示ODVS_up的入射角为最大仰角时的值，Φup-90表示ODVS_up的入射角为90°时的值，Φup-min表示ODVS_up的入射角为最小俯角时的值；

在双目立体视觉测量中，图像匹配的目的是给定在一幅图像上的已知点后，在另一幅图像上寻找与之相对应的目标匹配点。对在一幅图像中的一个特征点，在另一幅图像中可能存在好几个相似的候选匹配，为了能得到唯一准确的匹配，需要采用一些约束，目前通常采用的约束方法有，1)极线约束：在此约束下，匹配点一定位于两幅图像中相应的极线上；2)唯一性约束：两幅图像中的对应的匹配点应该有且有一个；3)视差连续性约束：除了遮挡区域和视差不连续区域外，视差的变化应该都是平滑的；4)顺序一致性约束：位于一幅图像上的极线上的系列点，在另一幅图像中的极线上具有相同的顺序。

为了方便的实现在双目视觉范围的立体匹配，选择正确的匹配特征、寻找特征间的本质属性及建立能正确匹配所选择特征的稳定算法是解决立体匹配的关键，由于我们在设计ODVS时将成像平面上的点与入射角之间的关系设计成如公式(4)所示的函数关系，这里我们引入一个经纬度的概念，将图2所示的双目ODVS的视场用球面来考虑，对应入射角Φ的是纬度，对应方位角β的是经度；

本实施例中将ODVS的入射角φ_max设计为大于90°，我们将大于90°的入射角部分称为仰角，将小于90°的入射角部分称为俯角，因此按照这样的设计必定存在着上下两个ODVS都能捕捉到的领域，如图2中的斜线部分，我们将该斜线部分称为双目视觉范围；对于同一个空间上的物点C在双目视觉范围内在两个ODVS的全景原图中必定存在着两个成像点Cdown(Φ1，β1)和Cup(Φ2，β2)，且这两个成像点的方位角β也必定是相同的，即β1＝β2；因此对应在球面展开图中这两个点的X坐标也必须相同，即x1＝x2；根据这个原理来对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角，如附图7所示，图7其实是图6(c)和图6(d)的合成，在合成图中可以非常方便的实现对齐上下两个ODVS的球面展开图中的方位角；

进一步，在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定了物点的方位角β，然后根据上述的全方位视觉传感器的设计，任何一个空间物点在两个ODVS上的两个成像点的所表示纬度值必定要满足以下关系式；

180°≤φ₁+φ₂≤₂φmax      (6)

式中，Φ1为下ODVS上的成像物点的入射角，Φ2为上ODVS上的成像物点的入射角，φmax为ODVS的成像物点的最大入射角，即仰角；

根据的公式(6)的约束关系以及本发明中ODVS的特殊设计，将原来给定在一幅图像上的已知点后在另一幅图像上寻找与之相对应的目标匹配点的问题进行了简化，通过方位角相等以及公式(6)的约束条件，检索范围将简化为到某一条线的一段区间内，如图7所示，要实现这种匹配算法非常简单，而且匹配精度高，然后结合特征匹配与区域匹配，采用基于区域匹配方式对特征点附近的子图像窗口的图像纹理信息或者边缘轮廓进行相关运算，并进行相似度比较和对称性测试。将最后的匹配对应点作为正确的匹配特征点参加视差运算。关于图像纹理信息或者边缘轮廓的运算方法可参考张广军著的“视觉测量”书的第6章的6、6节基于角点引导的边缘匹配章节。

如果以双目视觉基线距的中点作为观察者中心的话，类似于实际中当观察者将双眼的视力聚焦到一个较近的物点时，两眼视线轴间有一定的角度，也就是类似于双目立体视觉中的两个视点角度，如附图11中的∠A＝180-Φ2和∠B＝180-Φ1所示；但双眼在看物点时通过复合而朝向一个共同的视觉方向，并且得到的映像是单一的，好像是被一只眼所看到的。如果从主观感觉的角度来看，我们可以将两只眼睛看作一个单一器官，可以用一个理论上假想的处于两眼正中的单一眼睛来代表这个器官，称为中央眼，这里我们也将双目视觉基线距的中点，即图11中的O点作为中央眼；中央眼是我们人类在处理空间知觉时很有用的一个概念，当人对物体进行空间定向的时候，把自己作为视觉空间的中心，两眼视网膜上的每一对应点都有共同的视觉方向同时也产生距离感，如附图12所示；当物点在正前方C处时，它分别作用于左、右眼各自的中央凹C_L和C_R上；当C_L和C_R被假想重叠后，C点目标的定位是在中央眼的中央凹F_C上，物点C的方向在中央眼的正中，即主观视觉的正前方；当物点在S处时，物点S分别作用于左右眼的S_L和S_R处，对于中央眼目标定位在F_S处；主观视觉方向与作用在视网膜上任何一对相应点处刺激物的实际位置可能不一致，换句话说，客观视觉空间与主观视觉空间会有差别。这里视网膜上的相应点指的是在两个视网膜上感受刺激时产生同一视觉方向的那些单元，也就是说，两个视网膜上具有共同视觉方向的视网膜单元叫视网膜相应点。实际上，人类两眼的中央凹就是两眼视网膜上的相应点，中央凹的视觉方向就是主要视觉方向，人类依靠中央眼的主观视觉方向和距离感来确定物点在空间的位置；

人类在通过视觉方式来表达物体时通常用到了距离感、方向感和色感这些要素，除了通过“中央眼”来感知立体空间位置以外，色感对人类视觉来说是非常重要的。

立体空间知觉被称为“中央眼”视觉，因此在以人为视觉空间的中心实现三维图像重构时，采用“中央眼”视觉方式更符合人类的立体空间知觉，对于空间上的某个物点通过公式(7)求得该物点的深度距离，这里引入球面坐标来表示立体空间，如附图13所示，空间上的物点C可用三个有次序的数r，Φ，β来确定，其中r为原点O与点C间的距离，Φ为有向线段OC与Z轴正向所夹的角，该角就对应着我们上面所述的入射角β；β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段OP的角，该角就对应着我们上面所述的方位角；这里P为点C在xoy平面上的投影；如果我们以垂直于XOY平面并经过原点O和物点C作一个平面的话，相当于将YOZ平面围绕的z轴旋转了一个β方位角，成为Y’OZ平面，Y’OZ平面就是我们在立体视觉中所说的极平面，在Y’OZ平面上利用三角关系式求O点和C点的连线OC距离，就是所求的距离就是r；附图13中的O点和C点的连线OC和O点和A点的连线OA之间的夹角∠COA，由于就是O点和A点都在Z轴上，因此夹角∠COA就是所求的入射角Φ；

更进一步，需要求空间物点C的位置距离，本发明中求物点的位置原理是：成像时，找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点，然后采用已知像点来确定反射光线的方向向量方法得出两条入射光线，这两条入射光线在空间的交点就是物点的位置。

接着，两个ODVS的视点分别为A点、B点，两个视点之间的距离为dc，dc相当于双目立体视觉中的基线距，如图11所示。根据正弦定理，在一个三角形中，各边和它所对角的正弦比相等，即在ΔABC中有下述关系成立，

$\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}}{\sin A}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}{\sin B}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}{\sin C}=2R---\left(14\right)$

式中，R为ΔABC外接圆半径，公式(14)对任意三角形均成立。

通过公式(14)利用正弦定理可以解决已知三角形的两角和任一边，求三角形的其它边与角的问题。在成像平面上的一个P点就能通过公式(4)以及Φ＝π/2+α关系式计算出相对应的入射角φ。这里角A为180°-φ2，角B为180°-φ1。如果求得了AC或者BC后，物点C到360°*360°全景立体ODVS的中心点O的距离OC就非常容易求的；

AB＝dc，根据公式(14)可以得到以下关系式，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}{\sin C}\·\sin B=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}}{\sin (A+B)}\·\sin B=\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}\·\sin B---\left(15\right)$

然后利用三角关系式求O点与C点的距离，

根据公式(6)所确定的范围，在同一方位角内，即在附图6所示的Y方向上寻找匹配点，附图6(a)是下ODVS所拍摄的全景图，附图6(b)是上ODVS所拍摄的全景图，附图6(c)是下ODVS所拍摄的全景图的展开图，附图6(d)是上ODVS所拍摄的全景图的展开图，通过所述的方位角对齐子单元在图6(a)和6(b)中得到物点C在双目视觉范围内在两个ODVS上的两个成像点Cdown(Φ1，β)和Cup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与C点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}\·\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}\·\sin B\cos A}---\left(7\right)$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2+\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}$

其中，∠A＝180-Φ2，∠B＝180-Φ1，dc为上下两个ODVS视点之间的距离；

通过物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角信息来求物点到立体视觉测量装置中心点的入射角Φ，计算公式由公式(8)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(8\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，dc为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上ODVS的入射角。

色感对人类视觉来说是非常重要的，颜色信息能带来很多方便，因为它在图像像素上提供多个测度值，常常能够使分类变得更加简单而不需要做复杂的空间决策，颜色与明暗效果对于计算机视觉算法中的场景解释是非常重要的；空间上的一个物点，除了方位信息与距离信息以外，颜色信息也是非常重要的信息；

本实施例中在上面所述的物点的方位信息与距离信息(r，Φ，β)基础上再增加颜色信息，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β，R，G，B)，这里我们采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值作为“中央眼”视觉的颜色编码；

作为优选的再另一种方案：在所述的色感信息计算单元中，采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码，首先读取两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量R_ODVS1、R_ODVS2、G_ODVS1、G_ODVS2、B_ODVS1和B_ODVS2的数据，然后采用在两个ODVS上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值作为“中央眼”视觉的颜色编码；计算公式由公式(9)表示；

$R=\frac{R_{\mathrm{ODVS}1}+R_{\mathrm{ODVS}2}}{2}---\left(9\right)$

$G=\frac{G_{\mathrm{ODVS}1}+G_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

$B=\frac{B_{\mathrm{ODVS}1}+B_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

式中，R为“中央眼”的红色分量的平均值，R_ODVS1为全方位视觉传感器1的红色分量，R_ODVS2为全方位视觉传感器2的红色分量，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，G_ODVS1为全方位视觉传感器1的绿色分量，G_ODVS2为全方位视觉传感器2的绿色分量，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值，B_ODVS1为全方位视觉传感器1的蓝色分量，B_ODVS2为全方位视觉传感器2的蓝色分量；它们的取值范围均为0～255；

采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β，R，G，B)，其中r表示物点的距离感信息，Φ和β表示物点的方向感信息，R、G、B综合表示物点的色感信息。

进一步，在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重构出三维图像；具体算法是：

1)利用公式(7)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个ODVS来说，成像物点都为最大入射角φmax时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(10\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，dc为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上ODVS的入射角；

2)在某个距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}-\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(6)，dc为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下ODVS的入射角，Φ2为上ODVS的入射角；

3)判断所计算的Φ1和Φ2是否超过最大入射角φmax，如果超过进行下面的计算，否则重复2)；

4)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在某个距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π进行下面的计算，否则跳转到2)；

5)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过某一规定值，如果小于该规定值跳转到2)，否则继续下面的计算；

6)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到三维图像。

作为优选的再另一种方案：整个基于双目全方位视觉传感器的立体视觉测量装置的处理流程如下：

1)以球面坐标的方式获取双目视觉图像；

2)在球面坐标上的同一个方位角上某一个入射角范围内进行特征点匹配，选定方位角β，找特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2；

3)求各特征点到“中央眼”中心O的距离r以及入射角Φ；

4)采用球面坐标并用“中央眼“为原点标识所有特征点的三维坐标(r，Φ，β)，并计算该特征点的三维颜色属性值，同时采用方位、距离、颜色信息(r，Φ，β，R，G，B)来表达物点的视觉特征；

5)利用球面坐标进行三维图像重构，采用各种成熟软件，比如AUTOCAD，Matlab等各种商业软件以及源代码开放的开源软件，实现不同需求的三维图像的表达。

根据任一被测物体的三维信息都是该物体表面的离散点坐标，如果将这些离散点坐标用球面坐标的形式来表示的话，通过曲面生成技术来恢复被测物体的曲面信息在以人为视觉球面空间的中心来实现三维图像重构时，以不同的深度距离为半径做球面剖面各断层，然后在各断层上提取的二维轮廓面，二维轮廓面上的的特征点都采用(r，Φ，β，R，G，B)数据格式进行表示；在空间物体的数据采集、加工、描述、表达过程中始终采用一种统一的球面坐标，采用距离感、方向感和色感这些要素来表示各特征点的特性，通过这些特征点之间的几何运算就能非常方便的获得物体的几何全貌，从而达到简化计算的复杂性、省略摄像机标定工作、方便进行特征提取、容易实现立体图像匹配，最终实现高效、实时、准确的立体视觉测量目的。

Claims (9)

1、一种新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：所述立体视觉测量装置包括两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器、连接单元和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行三维立体视觉重建的微处理器，两台全方位视觉传感器之间通过连接单元连接，所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、支撑杆、透明玻璃面、附加镜头框和摄像单元，所述双曲面镜的上部安装上盖，所述支撑杆呈上粗下细的圆台，所述支撑杆上端安装在所述双曲面镜面底部中央的小孔内，所述支撑杆下端用螺钉固定在所述透明玻璃面中央的安装孔内，所述的透明玻璃面嵌入所述的附加镜头框内，所述支撑杆与所述透明玻璃面垂直，所述摄像单元位于所述附加镜头框内；

所述的微处理器包括：

视频图像读取单元，用于读取两个具有相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，并保存视频图像数据；

视频图像展开单元，用于对具有相同成像参数的全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，首先将组合摄像单元所拍摄的图像单独分离出来，然后对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中；

物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点；

方位角对齐子单元，用于对齐上下两个全方位视觉传感器的球面展开图中的方位角；

空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角；

色感信息计算单元，用于计算空间上物点的色感信息，采用在两个全方位视觉传感器上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码；

三维图像重构单元，用于重构出以人为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，重建出三维图像。

2、如权利要求1所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：所述双支撑杆上端为外螺纹，支撑杆下端为内螺纹，所述的双曲面镜面底部中央开有一个小孔，孔的直径与支撑杆的外螺纹直径相同，所述的透明玻璃面中间开有安装孔，所述安装孔的直径与支撑杆的内螺纹孔径相同。

3、如权利要求1或2所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：所述附加镜头框的下面设有与摄像单元镜头前口径相同的外螺纹，所述摄像单元的镜头前口径设有内螺纹。

4、如权利要求1或2所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：在所述色感信息计算单元中，三维球面坐标系的原点为立体视觉测量装置的中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β，R，G，B)，r为球面坐标原点O与物点之间的距离，Φ为球面坐标原点O与物点之间的连线与Z轴正向所夹的角，β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段OP的角，即方位角；P为点C在xoy平面上的投影，R为“中央眼”的红色分量的平均值，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值。

5、如权利要求4所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：在所述的方位角对齐子单元中，对齐上下两个全方位视觉传感器的球面展开图中的方位角的过程为：对于同一个空间上的物点C在双目视觉范围内在两个全方位视觉传感器的全景原图中存在着两个成像点Cdown(Φ1，β1)和Cup(Φ2，β2)，且这两个成像点的方位角相同的，即β1＝β2；则对应在球面展开图中这两个点的X坐标也必须相同，即x1＝x2；根据上述X坐标相同来对齐上下两个全方位视觉传感器的球面展开图中的方位角。

6、如权利要求1或2所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定了物点的方位角β，任何一个空间物点在两个全方位视觉传感器上的两个成像点的所表示纬度值满足以下关系式；

180°≤φ1+φ2≤2φmax(6)

式中，Φ1为下全方位视觉传感器上的成像物点的入射角，Φ2为上全方位视觉传感器上的成像物点的入射角，φmax为全方位视觉传感器的成像物点的最大入射角，即仰角；

根据式(6)所确定的范围，在同一方位角内，即Y方向上寻找匹配点，得到物点C在双目视觉范围内在两个全方位视觉传感器上的两个成像点Cdown(Φ1，β)和Cup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与C点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OC}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}\·\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}\·\sin B\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2+\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}\·\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}---\left(7\right)$

其中，∠A＝180-Φ2，∠B＝180-Φ1，dc为上下两个全方位视觉传感器视点之间的距离；

通过物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角信息来求物点到立体视觉测量装置中心点的入射角Φ，计算公式由公式(8)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(8\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上全方位视觉传感器的入射角。7、如权利要求4所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：在所述的色感信息计算单元中，采用在两个全方位视觉传感器上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值(R，G，B)作为“中央眼”视觉的颜色编码，首先读取两个全方位视觉传感器上成像的目标匹配点的各颜色分量R_ODVS1、R_ODVS2、G_ODVS1、G_ODVS2、B_ODVS1和B_ODVS2的数据，然后采用在两个全方位视觉传感器上成像的目标匹配点的各颜色分量的平均值作为“中央眼”视觉的颜色编码；计算公式由公式(9)表示；

$R=\frac{R_{\mathrm{ODVS}1}+R_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

                       (9)

$G=\frac{G_{\mathrm{ODVS}1}+G_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

$B=\frac{B_{\mathrm{ODVS}1}+B_{\mathrm{ODVS}2}}{2}$

式中，R为“中央眼”的红色分量的平均值，R_ODVS1为全方位视觉传感器1的红色分量，R_ODVS2为全方位视觉传感器2的红色分量，G为“中央眼”的绿色分量的平均值，G_ODVS1为全方位视觉传感器1的绿色分量，G_ODVS2为全方位视觉传感器2的绿色分量，B为“中央眼”的蓝色分量的平均值，B_ODVS1为全方位视觉传感器1的蓝色分量，B_ODVS2为全方位视觉传感器2的蓝色分量；它们的取值范围均为0～255。

8、如权利要求6所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出三维图像，具体过程为：

1)利用公式(7)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个全方位视觉传感器来说，成像物点都为最大入射角φ_max时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{c}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(10\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上全方位视觉传感器的入射角；

2)在距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{c}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}-\frac{c}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(10)，c为双目系统的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下全方位视觉传感器的入射角，Φ2为上全方位视觉传感器的入射角；

3)判断所计算的Φ1和Φ2是否超过最大入射角φmax，如果超过，进入下一步，否则重复2)；

4)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π，进行下面的计算，否则跳转到2)；

5)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过预设规定值，如果小于所述规定值，跳转到2)，否则进入下一步；

6)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到三维图像。

9、如权利要求1或2所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：所述的双曲面镜面构成的光学系统由下面5个等式表示：

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1当Z>0时   (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                             (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ   (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角。

10、如权利要求3所述的新型的双目立体视觉测量装置，其特征在于：所述连接单元为一根两端带有内螺纹的连接杆，所述连接杆的内螺纹的尺寸与所述支撑杆上端的外螺纹的尺寸相匹配，所述连接杆的两端穿过两个全方位视觉传感器的上盖和双曲面镜与支撑杆连接。

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