CN102073209A - 一种单摄像机立体图像拍摄装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单摄像机立体图像拍摄装置。包括支架、一台中型或大型摄影摄像机以及两个反光镜；摄影摄像机固定安装在支架底部，两个反光镜安装于摄影摄像机的镜头前的支架上。本单摄像机立体图像拍摄装置通过在支架上设置一台中型或大型摄影摄像机以及反光镜，实现对景物正面及两侧的拍摄。仅采用一个摄像机，再通过反光镜，最终获得景物的正面及两侧信息。具有结构简单、使用方便、精度较高、支架非结构性形变对测量结果无影响的优点。可用于立体图像的拍摄。

Description

一种单摄像机立体图像拍摄装置

技术领域

本发明涉及的是一种图像拍摄装置。尤其是指用于立体图像拍摄的一种立体图像拍摄装置，亦可用于测距。

背景技术

人两眼从稍有不同的两个角度去观察客观3维世界的景物，由于几何光学的投影，离观察者不同距离的像点在左右两眼视网膜上就不是在相同的位置上。这种两眼视网膜上位置的差就称之为双眼视差，它反映了客观景物的深度。人能有深度感知，就是因为有了这个视差，再经脑子加工而形成的。

计算机立体视觉是被动式测距方法中最重要的距离感知技术，它直接模拟了人类视觉处理景物的方式，可以在多种条件下灵活地测量景物的立体信息。其作用是其它计算机视觉方法所不能取代的，对它的研究，无论从视觉生理的角度还是在工程应用中都具有十分重要的意义。

目前基于视差理论的机器立体视觉，大多是运用两个或多个摄像机对同一景物从不同位置成像获得立体像对，通过各种算法匹配出相应像点，从而计算出视差，然后采用基于三角测量的方法恢复深度(距离)信息。

发明内容

本申请的目的在于提供一种结构简单，使用方便、精度较高、支架非结构性形变对测量结果无影响的单摄像机立体图像拍摄装置。

本发明的单摄像机立体图像拍摄装置包括支架、一台中型或大型摄影摄像机以及两个反光镜；摄影摄像机固定安装在支架底部，两个反光镜安装于摄影摄像机的镜头前的支架上。

本发明还可以包括：

两个反光镜通过转轴安装在支架上，反光镜后面设置调节旋钮。

所述转轴位于反光镜的中心位置。

反光镜上有横中轴刻线和纵中轴刻线。

所述反光镜为具有一定曲率的弧面形状。

本单摄像机立体图像拍摄装置通过在支架上设置一台中型或大型摄影摄像机以及反光镜，实现对景物正面及两侧的拍摄。仅采用一个摄像机，再通过反光镜，最终获得景物的正面及两侧信息。具有结构简单、使用方便、精度较高、支架非结构性形变对测量结果无影响的优点。可用于立体图像的拍摄。

附图说明

图1单摄像机立体图像拍摄装置结构示意图。

图2景物距离计算原理图。

图3反光镜正面示意图。

图4弧面反光镜示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1、图2和图4。本单摄像机立体图像拍摄装置主要由支架1、一台中型或大型摄影摄像机2以及反光镜3、4组成。其中所述的反光镜3、4位于摄像机2镜头前的支架1上。调节旋钮7、8调节反光镜3、4绕转轴5、6转动，实现角度调节。转轴5、6位于反光镜3、4的中心位置，反光镜3、4的中心位置由横中轴刻线9、10标示出来，反光镜3、4纵向中心位置由纵中轴刻线11、12标示。

拍摄图像时，调节旋钮7、8使反光镜3、4绕转轴5、6转动，使图像具有较好的拍摄效果。得到被拍摄景物的正面及两侧成像。然后对得到的图像进行处理，通过各种算法匹配出相应像点，从而计算出视差，然后恢复深度(距离)信息。

下面对深度信息的求取计算进行介绍：

图2所示为景物距离计算原理图，图中P为被测点，f表示摄像机焦距，S表示反光镜1的长度，h1表示反光镜1的后边缘到摄像机物镜的距离，L1表示被测点在反光镜1上的反射点到摄像机物镜的距离，h表示反光镜1中心线到摄像机物镜的距离，h2表示反光镜1前边缘到摄像机物镜的距离，L表示被测点到摄像机物镜的距离，M表示P点到摄像机中轴线的距离，θ表示反光镜1相对于摄像机轴线转过的角度。其中f、S为已知量。根据透镜成像原理有公式：

$h1=\frac{f}{\mathrm{\δ}1}*d1+f---\left(1\right)$

$L1=\frac{f}{r}*R+f---\left(2\right)$

$h=\frac{f}{\mathrm{\δ}}*d+f---\left(3\right)$

$h2=\frac{f}{\mathrm{\δ}2}*d2+f---\left(4\right)$

由几何关系可得：

$d=\frac{d1+d2}{2}---\left(5\right)$

$h=\frac{h1+h2}{2}---\left(6\right)$

(d2-d1)²+(h2-h1)²＝S²    (7)

联立公式(1)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可求得d1、h1、d、h、d2、h2

$d1=\frac{S*(\mathrm{\δ}2-\mathrm{\δ})*\mathrm{\δ}1}{\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}---\left(8\right)$

$h1=\frac{S*(\mathrm{\δ}2-\mathrm{\δ})*f}{\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}+f---\left(9\right)$

$d=\frac{S*(\mathrm{\δ}2-\mathrm{\δ}1)*\mathrm{\δ}}{2*\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}---\left(10\right)$

$h=\frac{S*(\mathrm{\δ}2-\mathrm{\δ}1)*f}{2*\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}+f---\left(11\right)$

$d2=\frac{S*(\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1)*\mathrm{\δ}2}{\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}---\left(12\right)$

$h2=\frac{S*(\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1)*f}{\sqrt{{(\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}2-2*\mathrm{\δ}1*\mathrm{\δ}2+\mathrm{\δ}*\mathrm{\δ}1)}^2+{(2*\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}1-\mathrm{\δ}2)}^2*f^2}}+f---\left(13\right)$

由几何关系可得：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{d2-d1}{h2-h1}---\left(14\right)$

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{R}{L1-f}---\left(15\right)$

φ＝θ+β                (16)

α＝β-θ                (17)

由(16)、(17)可得：

α＝φ-2*θ              (18)

$L2=\frac{R}{\tan \mathrm{\α}}+L1---\left(19\right)$

同理可对反光镜2的光路进行求解得到被测点P到反光镜2的成像光路光线所在直线与摄像机中轴线交点距摄像机物镜的距离L3的数值以及被测点P到反光镜2的成像光路光线所在直线与摄像机中轴线夹角λ值。如果L3＞L2，即如图2所示P点位于摄像机中轴线右侧，由几何关系有：

K＝(L3-L2)*tanλ          (20)

$\frac{K}{L-L2}=\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\λ}---\left(21\right)$

由(20)、(21)得：

$L=\frac{(L3-L2)*\tan \mathrm{\λ}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\λ}}+L2---\left(22\right)$

M＝(L-L2)*tanα    (23)

如果L3＜L2，即P点位于摄像机中轴线左侧，则有：

$L=\frac{(L2-L3)*\tan \mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\λ}}+L3---\left(24\right)$

M＝(L-L2)*tan      (25)

由上述计算可知，该立体视觉拍摄装置，非结构性几何形变对计算结果没有影响，加之成像在同一靶面上，系统有较高的精度。

在实际应用中为了取得更好的效果，如图3所示，可在反光镜上画上以反光镜中轴线为对称轴的边长已知的矩形刻线，以矩形刻线的两边代替反光镜的前后边缘，进行计算。为了获得更好的拍摄效果，支架可设计成两个反光镜可沿纵向和横向移动的形式，因反光镜的位置不影响计算结果，所以对系统精度没有影响，这样可通过调节反光镜的位置获得更好的拍摄效果。为了获得更大的视角，可将反光镜设计成如图4所示具有一定曲率的弧面形状。

Claims (6)

1.一种单摄像机立体图像拍摄装置，包括支架、一台中型或大型摄影摄像机以及两个反光镜；其特征是：摄影摄像机固定安装在支架底部，两个反光镜安装于摄影摄像机的镜头前的支架上。

2.根据权利要求1所述的单摄像机立体图像拍摄装置，其特征是：两个反光镜通过转轴安装在支架上，反光镜后面设置调节旋钮。

3.根据权利要求2所述的单摄像机立体图像拍摄装置，其特征是：所述转轴位于反光镜的中心位置。

4.根据权利要求1、2或3所述的单摄像机立体图像拍摄装置，其特征是：反光镜上有横中轴刻线和纵中轴刻线。

5.根据权利要求1、2或3所述的单摄像机立体图像拍摄装置，其特征是：所述反光镜为具有一定曲率的弧面形状。

6.根据权利要求4所述的单摄像机立体图像拍摄装置，其特征是：所述反光镜为具有一定曲率的弧面形状。

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