CN102620720A - 一种柔性双目成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性双目成像装置和成像方法。该装置包括反射镜组、摄像终端、光纤传像束、照明光纤、外接光源、耦合镜组、摄像机、图像采集卡和计算机等。成像方法为照明光纤将外接光源发出的光线传输至摄像终端，由反射镜组改变光路方向对目标物体照明，同时摄像终端接收反射镜组从不同角度反射的物体光线，由光纤传像束传输至耦合镜组，耦合镜组与摄像机连接，摄像机捕获光线后，由图像采集卡进行采集，并连接计算机进行存储和实时监测。该装置结合双目立体成像技术以及光纤传像束抗电磁辐射、可弯曲、无供电源等优点，可实现一般或极端环境条件下非完全开放空间中目标物体的实时立体成像和多角度监测。

Description

一种柔性双目成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及一种柔性双目成像装置和成像方法，属于视觉测量领域。 

背景技术

单摄像机对三维世界成像后，丢失了深度信息，且单一方向拍摄对遮挡区域无法成像，容易造成误判。相比于单摄像机成像系统，两个摄像机构成的双目成像系统可以实现从不同角度对同一物体的观测，能够有效克服遮挡，准确地对目标物体进行检测和判断。然而一般双目成像系统采用两个摄像机或移动的单摄像机从不同角度对物体采集图像，对于一些视场较小的应用，如管道内壁成像、发动机部件监测等，这两种双目结构在较小的空间内无法配置。因此对于此类应用，需采用单摄像机镜像式双目配置的方式，不但能够在较小的空间内实现双目成像，且具有成本低、同步性好的优点。 

目前该技术无法直接运用于某些危险和恶劣的工业领域，如电磁辐射干扰严重、无供电源等极端环境条件，在上述这些条件下，工业CCD或CMOS摄像机无法正常工作，而这些领域的监测则往往更为重要，稍有不慎，就会出现重大安全事故，轻则产品设备报废，重则污染环境，甚至造成人员伤亡。解决该问题的一种可能的途径是选用特殊摄像机，但这种摄像机需要比普通工业摄像机花费更高代价，并且还不足以胜任极端条件或进入非完全开放空间。 

因此，提供一种能够应用于一般或极端环境下非完全开放空间的柔性双目成像装置是十分必要的。 

发明内容

本发明的目的是在单摄像机镜像双目立体成像原理基础之上，利用光纤传像束的可弯曲、抗电磁辐射、无供电源、柔性好、自由度大等优点，建立一种基于光纤传像束和双目立体成像技术相结合的柔性双目成像装置，该装置能够在极端环境下进行实时双目成像，完成对目标物体的监测任务。 

本发明的技术解决方案是：一种柔性双目成像装置，其特征在于， 

它包括反射镜组1、摄像终端2、光纤传像束5、照明光纤6、外接光源8、耦合镜组9、摄像机10、图像采集卡11和计算机12等。 

反射镜组由两片构成一定夹角的反射镜片组成，所述的夹角为150°到175°，尺寸由摄像终端的光心到其光轴与反射镜组交点的距离、摄像终端的视场角以 及摄像终端光轴与两片反射镜的夹角共同决定； 

所述的反射镜组由两片构成一定角度的反射镜片组成，因此摄像终端的视场实际被分成两部分，等同于视场减半的虚拟摄像终端一14和虚拟摄像终端二15从不同角度获取目标物体的光线并分别成像； 

所述的摄像终端与光纤管道4固定连接，且摄像终端的光轴与反射镜组两片镜片的拼接线垂直相交； 

所述的光纤管道横截面中心为光纤传像束，其外面有一层照明光纤，最外面为保护层； 

所述的摄像终端为光纤管道和微型光学透镜3的耦合装置，即将照明光纤的一端和光纤传像束的输入端固定在一起，且光纤传像束输入端固定连接微型光学透镜； 

所述的反射镜组、摄像终端和光纤管道一端封装成传感器7，其特征在于传感器观测方向为侧向，其中测量方向开口，其材料耐电磁辐射等极端环境，可以进入一般或极端环境的非完全开放空间。 

外接光源提供均匀稳定的可见光照明，由照明光纤传输至传感器中的摄像终端，并通过反射镜组中的一片反射镜反射后，对目标物体照明。 

光纤传像束的输出端通过耦合镜组与摄像机固定连接，耦合镜组的参数选取应由光纤传像束的端面直径、分辨率、以及摄像机的CCD或CMOS尺寸大小共同决定。 

光纤管道的另一端、耦合镜组、摄像机、图像采集卡和计算机组成了图像采集系统13，其特征在于可以置于极端环境和非完全开放空间之外。 

基于所述的柔性双目成像装置的成像方法，其步骤如下： 

步骤一，调节反射镜组的夹角，使两个虚拟摄像终端有公共视场，固定反射镜组，将传感器放至目标物体处； 

步骤二，开启外接光源，照明光纤将外接光源发出的光线传输至摄像终端，并通过反射镜组中一片反射镜反射后对目标物体照明，目标物体表面反射的光线经由反射镜组从两个不同方向反射后进入摄像终端，摄像终端将得到的图像传输至光纤传像束的输入端，并由光纤传像束将图像传输至耦合镜组，耦合镜组从光纤传像束的输出端获取图像并在摄像机的CCD或CMOS面上成像； 

步骤三，通过计算机控制和图像采集卡采集图像，并可用计算机进行图像的存储和实时监测。 

本发明的优点是：基于双目成像和光纤传像束的传像原理，本发明柔性双 目成像方法通过柔性双目成像装置实现位于一般或极端环境下非完全开放空间中的目标物体的实时监测，具体为： 

一、本发明传感器中各部件都抗电磁干扰，且无供电源条件下可工作，因此，传感器能够进入极端环境和非完全开放空间进行作业； 

二、不能进入极端环境和非完全开放空间且体积较大的摄像机、图像采集卡和计算机都外置，通过可弯曲、具有大自由度的光纤传像束将两大部分连接起来，使系统具有柔性； 

三、本发明采用了单摄像机镜像双目结构，具有成本低、成像同步好、效率高等优点；且利用光纤传像束的传像原理，将目标物体图像从传感器传输到非完全开放空间外的图像采集系统进行采集，解决了极端环境下一般工业摄像机无法工作的问题； 

四、本发明从两个不同角度对目标物体进行成像，较好的克服了遮挡问题，更准确的对目标物体进行监测和判断。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为光纤管道横截面示意图； 

图3为传感器的原理示意图； 

图4为传感器的结构分析图； 

图5为本发明拍摄的实物图。 

具体实施方式

下面对本发明做进一步的说明。本发明为柔性双目成像装置和成像方法，将双目成像技术与光纤传像束的传像原理结合，为极端环境和非完全开放空间中的目标物体成像和实时监测提供了一种技术路径。 

本发明柔性双目成像装置的结构如图1所示，它由传感器7、图像采集系统13，和光纤管道4组成；其中传感器包含反射镜组1、摄像终端2和光纤管道4的一端，可以进入极端环境下或非完全开放空间；图像采集系统由光纤管道的另一端、耦合镜组9、摄像机10、图像采集卡11和计算机12组成，其中图像采集卡可安装在计算机内，图像采集系统可置于极端环境和非完全封闭空间之外；如图2所示，光纤管道4横截面中心为光纤传像束5，其外面有一层照明光纤6，最外面为保护层。外接光源8的光线由照明光纤传输至目标物体。 

反射镜组由两片构成一定角度的反射镜片组成，因此摄像终端的视场实际被分成两部分，如图3所示，等同于视场减半的虚拟摄像终端一14和虚拟摄 像终端二15从不同角度获取目标物体的光线并分别成像，虚拟摄像终端一成像在摄像机CCD或CMOS面的左（右）半边，虚拟摄像机终端二成像在CCD或CMOS面的右（左）半边。 

摄像终端2为光纤管道4和微型光学透镜3的耦合装置，将光纤传像束5的输入端和照明光纤6的一端固定在一起，且光纤传像束输入端固定连接微型光学透镜3，微型光学透镜能够将目标物体的光线清晰成像在光纤传像束的输入端面。 

摄像终端2固定在传感器7中，摄像终端的光轴与反射镜组的拼接线垂直相交，保持交点不动，调节反射镜组的夹角，使两个虚拟摄像终端14和15有公共视场，公共视场指目标物体能同时被两个虚拟摄像终端拍摄的区域，如图3的阴影区域所示。图4中两虚拟终端的公共视场宽度w由以下关系式得出，当w<0时两虚拟终端没有公共视场。 

$w=\frac{d\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos (\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&gamma;}/2)-\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\sin (\mathrm{\&gamma;}/2)}}$

上式中，d为摄像终端光心到其光轴与反射镜组交点的距离，θ为虚拟终端视场角，γ为两个虚拟终端光轴的夹角。参见图4。 

建立如图4所示的二维坐标系，以摄像终端光轴与平面镜组交点为原点O，光轴方向为x轴，y轴垂直于光轴，方向如图4所示。两片反射镜的尺寸主要指两片反射镜的宽度l₁，l₂和高度h，假设l₁和l₂与y轴反向、正向的夹角分别为α，β，则有如下关系： 

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\frac{d\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&theta;})}\\ l_2=\frac{d\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos (\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&theta;})}\end{array}\right.$

高度h则根据摄像终端的视场角θ和距离d决定。反射镜组尺寸需至少大于l₁，l₂和h，且要受到传感器体积大小的约束。 

所述的反射镜组的夹角是指：α+π-β，一般取150°到175°之间，可根据具体情况选择不同的角度。 

光纤管道4中，光纤传像束和照明光纤的一端与传感器固定，如图1所示，光纤传像束的输出端连接与耦合镜组9，照明光纤6的另一端固定连接外接光源8。外接光源提供稳定均匀的可见光照明，为本领域的熟知设备，故其具体原理和构成不再在这里详述。 

光纤管道另一端与耦合镜组固定连接，实际为光纤传像束5的输出端与耦合镜组固定连接。耦合镜组的参数选取应由光纤传像束的端面直径、分辨率、以及摄像机的CCD或CMOS尺寸大小、分辨率来共同决定，为本领域的熟知技术，故其具体选取方法不再在这里详述。耦合镜组9将光纤传像束输出端面上的图像清晰成像在摄像机的CCD或CMOS面上。 

光纤管道另一端连接的耦合镜组9、摄像机10、图像采集卡11和计算机12共同组成了图像采集系统13，其中图像采集系统中的部分器件容易受电磁辐射等条件的干扰，且整个图像采集系统的体积较大。利用了光纤传像束传像后，可以将整个图像采集系统置于极端环境或非完全开放空间之外，不受恶劣条件干扰，在正常工作条件下完成成像和监测任务。 

基于上述的柔性双目成像装置，本发明还提出了柔性双目成像方法，它包括如下步骤： 

步骤一，调节反射镜组1的夹角至使两个虚拟摄像终端14和15有公共视场，固定反射镜组，将传感器7放至目标物体处，目标物体位于两个虚拟摄像终端的公共视场中； 

步骤二，开启外接光源8，照明光纤6将外接光源发出的光线传输至摄像终端2，并通过反射镜组中一片反射镜反射后对目标物体照明，目标物体表面反射的光线经由反射镜组从两个不同方向反射后进入摄像终端，摄像终端将得到的图像传输至光纤传像束5的输入端，并由光纤传像束将图像传输至耦合镜组9，耦合镜组从光纤传像束的输出端获取图像并在摄像机10的CCD或CMOS面上成像； 

步骤三，通过计算机12控制和图像采集卡11采集图像，并用计算机进行图像的存储和实时监测。 

实施例

采用夹角为165°的两片反射镜构成反射镜组，且满足β=45°，α=30°，取d＝20mm；摄像终端中的微型光学透镜视场角为55°，计算并考虑传感器大小，采用的两片反射镜的尺寸为l₁=9mm，l₂=13mm，h=20mm。传感器的外形尺寸为：42mm×30mm×28mm。 

选取直径为2.2mm，19000根光纤的光纤传像束，摄像机采用30万像素的CCD摄像机和其对应的图像采集卡。图5为使用本实施例采集的图像。 

Claims (6)

1.一种柔性双目成像装置，其特征在于：它包括反射镜组1、摄像终端2、光纤传像束5、照明光纤6、外接光源8、耦合镜组9、摄像机10、图像采集卡11和计算机12。

2.如权利要求1所述的柔性双目成像装置，其特征在于：反射镜组由两片构成一定夹角的反射镜片组成，所述的夹角为150°到175°，尺寸由摄像终端的光心到其光轴与反射镜组交点的距离、摄像终端的视场角以及摄像终端光轴与两片反射镜的夹角共同决定；

所述的反射镜组由两片构成一定角度的反射镜片组成，因此摄像终端的视场实际被分成两部分，等同于视场减半的虚拟摄像终端一14和虚拟摄像终端二15从不同角度获取目标物体的光线并分别成像；

所述的摄像终端与光纤管道4固定连接，且摄像终端的光轴与反射镜组两片镜片的拼接线垂直相交；

所述的光纤管道横截面中心为光纤传像束，其外面有一层照明光纤，最外面为保护层；

所述的摄像终端为光纤管道和微型光学透镜3的耦合装置，即将照明光纤的一端和光纤传像束的输入端固定在一起，且光纤传像束输入端固定连接微型光学透镜；

所述的反射镜组、摄像终端和光纤管道一端封装成传感器7，其特征在于传感器观测方向为侧向，其中测量方向开口，其材料耐电磁辐射等极端环境，可以进入一般或极端环境的非完全开放空间。

3.如权利要求1所述的柔性双目成像装置，其特征在于：外接光源提供均匀稳定的可见光照明，由照明光纤传输至传感器中的摄像终端，并通过反射镜组中的一片反射镜反射后，对目标物体照明。

4.如权利要求1所述的柔性双目成像装置，其特征在于：光纤传像束的输出端通过耦合镜组与摄像机固定连接，耦合镜组的参数选取应由光纤传像束的端面直径、分辨率、以及摄像机的CCD或CMOS尺寸大小共同决定。

5.如权利要求1所述的柔性双目成像装置，其特征在于：光纤管道的另一端、耦合镜组、摄像机、图像采集卡和计算机组成了图像采集系统13，其特征在于可以置于极端环境和非完全开放空间之外。

6.基于权利要求1所述的一种柔性双目成像装置实现的成像方法，具体步骤如下：

步骤一，调节反射镜组的夹角，使两个虚拟摄像终端有公共视场，固定反射镜组，将传感器放至目标物体处；

步骤二，开启外接光源，照明光纤将外接光源发出的光线传输至摄像终端，并通过反射镜组中一片反射镜反射后对目标物体照明，目标物体表面反射的光线经由反射镜组从两个不同方向反射后进入摄像终端，摄像终端将得到的图像传输至光纤传像束的输入端，并由光纤传像束将图像传输至耦合镜组，耦合镜组从光纤传像束的输出端获取图像并在摄像机的CCD或CMOS面上成像；

步骤三，通过计算机控制和图像采集卡采集图像，并可用计算机进行图像的存储和实时监测。

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