CN103792950A - 一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置及纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置及纠偏方法。该装置通过控制器的图像分析软件计算出立体拍摄的左右摄像机之间的光学误差并生成相应幅值的控制电压，利用压电陶瓷电致伸缩效应纠正左右摄像机之间的倾斜和俯仰光学误差，保证了机载、车载环境下人眼长时间观看立体视频的舒适度。本发明采用价格低廉、可靠性高的压电陶瓷作为动作执行机构，避免了采用电动机和齿轮机构作为执行元件时带来的可靠性差、环境适应性差、价格高、重量重等缺点。

Description

一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置及纠偏方法

技术领域

本发明涉及立体实拍实显领域，具体涉及一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置及纠偏方法。

背景技术

立体拍摄系统是利用左右间距一定距离的两台摄像机，拍摄外部场景，形成有水平视差的左右图像，如图1所示。观察者通过立体眼镜观看立体显示器上的左右图像，在大脑中形成与真实场景具有相似纵深感的立体场景。

在立体拍摄系统中，左右两台摄像机由于固定方式、温度波动、振动冲击等因素会造成光轴的空间位置变化，从而使得输出的左右画面存在倾斜、俯仰等光学误差，如图2所示。根据日本脑机能研究所开展的生理试验证明，俯仰误差和倾斜误差会显著增加人眼长时间观看立体视频时的疲劳度。

压电陶瓷材料存在压电效应与逆压电效应，即当沿一定方向施力而使其变形时，在表面上会产生充放电现象；反之，在极化方向上对其施加电场，这些材料会产生机械变形或机械应力（电致伸缩效应）。采用压电陶瓷的电致伸缩效应作微位移器具有结构紧凑、微位移分辨高、控制简单、无发热、可靠性高等显著特点，可以广泛应用于航空航天、舰船、坦克车辆等装备中精密微位移控制领域。

发明内容

为了解决已有技术在立体拍摄系统中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置；本发明误差纠偏装置通过控制器的图像分析软件计算出光学误差，利用压电陶瓷电致伸缩效应纠正光学误差，保证了机载、车载环境下人眼长时间观看立体视频的舒适度。

本发明的另一目的在于提供使用该装置的误差纠偏方法。

本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置，包括控制器、压电陶瓷机构，所述控制器具有视频采集、图像分析处理、误差计算、驱动电压生成等功能。所述摄像机云台通过周边四角对称布置的4个压电陶瓷机构与底座连接。所述控制器采集左右两台摄像机的视频进行数字化后，通过图像分析软件及几何算法实时计算出左右画面的倾斜误差和俯仰误差，并依据误差大小产生两路控制电压输入到压电陶瓷机构，压电陶瓷长度变化带动摄像机座以铰链为支点作滚转运动，在控制器驱动下实时纠正误差。

所述图像分析软件找到画面上的至少3个共同点，根据3个共同点构建的三角形A、三角形B之间的相对位置关系，用几何算法实时计算出左右画面的倾斜误差和俯仰误差。所述压电陶瓷长度变化与控制电压成一定的比例关系，该比例关系可通过事先校准标定。压电陶瓷材料长度变化带动摄像机云台作滚转运动，在控制器驱动下实时纠正俯仰或倾斜误差。

所述底座上四角对称布置的4个压电陶瓷机构支持摄像机的云台，4个压电陶瓷机构直线伸缩运动的联动或差动可以实现对摄像机的倾斜、俯仰角度的单独调整或混合调整。

使用基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置的误差纠偏方法，包括如下步骤：

1）、标定压电陶瓷机构的电压-变化长度关系曲线；

2）、压电陶瓷机构的布置安装和初始调平；

3)、对左右摄像机拍摄的画面进行图像分析处理，找到画面上至少3个特征共同点，立体匹配后构架出2个相似三角形，利用几何算法计算相似三角形的空间位置关系，得出左右画面的倾斜误差和俯仰误差；

4）、根据图像处理得出的倾斜误差和俯仰误差，按照电压-变化长度关系曲线生成相应幅值的驱动电压；

5）、驱动电压控制压电陶瓷机构长度变化，通过4个压电陶瓷机构直线运动的联动或差动逐渐消除摄像机云台的倾斜、俯仰误差。

本发明通过控制器对左右摄像机图像进行图像分析，计算出左右画面之间的倾斜、俯仰误差，根据误差大小产生电压控制信号，驱动固定在摄像机云台上的压电陶瓷伸缩机构，利用压电陶瓷的电致伸缩效应对左右摄像机空间位置进行调整，实现光学误差的纠偏消除，保证了人眼长时间观看立体视频的舒适度。本发明采用价格低廉、可靠性高的压电陶瓷作为动作执行机构，避免了采用电动机和齿轮机构作为执行元件时带来的可靠性差、环境适应性差、价格高、重量重等缺点，从而具有良好的经济效益和较强的市场竞争性。

附图说明

图1为立体拍摄示意图；

图2为立体拍摄中光学误差示意图；

图3为本发明基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置示意框图；

图4为本发明中图像分析的示意图；

图5为本发明装置中误差调整机构的布置示意图；

图6为本发明装置中倾斜误差调整机构运作示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明是如何实现的。

图3中左右立体摄像机固定在左右间距一定距离的云台上，云台的姿态受到压电陶瓷机构的控制。每台摄像机拍摄的视频其中一路输出到立体显示器上供使用者观察，另一路输入到控制器中。

控制器将左右摄像机的视频画面数字化后进行图像分析。如图4所示，图像分析软件先在左摄像机画面中通过局部特征算法用角点、边缘、线段、小区域能量分布等特点选取特征明显的3个点u、v、w构成三角形A。然后在右摄像机画面中搜索对应的特征点，为减少匹配不确定性,提高匹配效率，采取了基于图像几何约束算法：如极线约束、唯一性约束、几何相似性约束、光度测定学相容性约束、透视投影约束等5种算法，最终可搜索到与u、v、w特征点精确匹配的共同点u’、v’、w’,这3个共同点组成了三角形B。利用投影几何学可计算出相似三角形A和B之间的相对空间位置上下和旋转关系，从而得出了同一物体在左右摄像机2个画面中的俯仰误差和倾斜误差。

图5中摄像机1固定在云台2上，底座7的周边四角对称布置了4个相同的压电陶瓷机构，压电陶瓷机构的顶点固定在云台2的四个角上。左、右两台摄像机的固定方式相同。

图6示意了纠正倾斜误差的原理：由于压电陶瓷机构的电压-伸缩长度曲线事先已标定，所以可根据图像分析软件给出的俯仰、倾斜误差计算出控制4个压电陶瓷机构的电压值。图4中压电陶瓷机构4、3在电压控制下收缩，压电陶瓷机构6、5在电压控制下伸长，云台2和摄像机1随之向右侧倾斜，倾斜角度与误差角度数值相同，方向相反，最终可消除左右摄像机之间的倾斜误差。

俯仰误差纠正与之相似：压电陶瓷机构4、6共同伸长或收缩，压电陶瓷机构3、5共同收缩或伸长。压电陶瓷机构3、4、5、6之间可两两联动或差动，实现倾斜和俯仰误差的单独调整或混合调整。

误差纠偏方法具体包括如下步骤：

1）标定压电陶瓷机构的电压-变化长度关系曲线：在一个压电陶瓷机构上预先施加模拟云台和摄像机的负载力，用游标卡尺测量初始长度，逐步增加控制电压并实时测量机构长度，当改变量每到一个单位长度（如0.1mm）记录当前控制电压值，直到机构设计的最大伸长长度。选取多个（如10个）同型机构重复该标定过程，取平均值。以长度改变量作为横坐标，以控制电压值为纵坐标，即可得出电压-变化长度关系曲线。

2）压电陶瓷机构的布置安装和初始调平：如图5所示摄像机1固定在云台2上，底座7的周边四角对称布置4个相同的压电陶瓷机构，压电陶瓷机构的顶点固定在云台2的四个角上，通过水平仪等工具微调机构初始长度保证云台的水平。左右两台摄像机的固定方式相同。

3)图像分析：控制器将左右摄像机的视频画面数字化，利用局部特征算法在左画面上选取至少3个特征点，构架三角形A。然后在右摄像机画面中采用基于图像几何约束算法搜索对应的特征点，立体匹配出相似三角形B，利用投影几何学计算出相似三角形A和B之间的相对空间位置上下和旋转关系，从而得出同一物体在左右摄像机2个画面中的俯仰误差和倾斜误差。

4）驱动电压生成：根据步骤3中图像分析得出的倾斜误差和俯仰误差，按照步骤1中得出电压-变化长度关系曲线，生成图5中四个压电陶瓷机构3、4、5、6所需的驱动电压；

5）误差纠正：如图6所示，由控制器产生电压控制压电陶瓷机构长度的精确变化，通过4个机构的两两联动或差动改变云台2的空间姿态，逐步消除左、右摄像机之间的倾斜、俯仰误差。

Claims (5)

1.一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置，包括控制器，摄像机，置于摄像机云台与底座之间的4个压电陶瓷机构，其特征在于，所述摄像机云台通过周边四角对称布置的4个压电陶瓷机构与底座连接，所述控制器采集左右两台摄像机的视频进行数字化后，通过图像分析软件及几何算法实时计算出左右画面的倾斜误差和俯仰误差，并依据误差大小产生4路控制电压输入到压电陶瓷机构，压电陶瓷长度变化带动摄像机云台作前后左右倾斜运动，在控制器驱动下实时纠正误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置，其特征在于，所述图像分析软件找到画面上的至少3个共同点，根据3个共同点构建的三角形A、三角形B之间的相对位置关系，用几何算法实时计算出左右画面的倾斜误差和俯仰误差。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置，其特征在于，所述底座上四角对称布置的4个压电陶瓷机构支持摄像机的云台，4个压电陶瓷机构直线伸缩的联动或差动可以实现对摄像机的倾斜、俯仰角度的单独调整或混合调整。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的立体拍摄光学误差纠偏装置，其特征在于，所述压电陶瓷长度发生变化，变化长度与控制电压成一定的比例关系，该比例关系通过事先校准标定。

5.根据权利要求1—4所述误差纠偏装置的误差纠偏方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、标定压电陶瓷机构的电压-变化长度关系曲线；

2）、压电陶瓷机构的布置安装和初始调平；

3)、对左右摄像机拍摄的画面进行图像分析处理，找到画面上至少3个特征共同点，立体匹配后构架出2个相似三角形，利用几何算法计算相似三角形的空间位置关系，得出左右画面的倾斜误差和俯仰误差；

4）、根据图像处理得出的倾斜误差和俯仰误差，按照电压-变化长度关系曲线生成相应幅值的驱动电压；

5）、驱动电压控制压电陶瓷机构长度变化，通过4个压电陶瓷机构直线运动的联动或差动逐渐消除摄像机云台的倾斜、俯仰误差。

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