CN104296681A - 基于激光点阵标识的三维地形传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置及方法，该装置由两个摄像机和两组激光阵列发生器组成；每组激光阵列发生器由激光器、准直器、达曼光栅和棱镜组组成；在进行双目立体视觉探测的两个摄像机中间放置阵列激光器，从而在探测区域产生激光阵列，以实现三维物体的阵列照明和采样。本发明比直接用两个摄像机探测再进行匹配的方式更加精确，有利于图像特征点的寻找且可根据坐标计算出基本的地貌，其激光阵列照明的作用有利于昏暗环境下的三维地形探测。

Description

基于激光点阵标识的三维地形传感装置及方法

技术领域

本发明属于三维地形传感探测领域，尤其涉及一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置及方法。

背景技术

机器视觉系统仪器快速，非接触，精度高等优点在众多领域得到广泛应用。现存的传感技术有两种：第一类为声纳输入系统，它能快速检测到障碍物的存在及距离。但采集范围小，在大空间及复杂的环境中，不能稳定的传递信息；第二类为图像输入系统，该系统视角大，采集得到的环境信息比较丰富。其中双目立体视觉技术通过对同一物体从不同角度获得的两幅图像来恢复出物体的三维信息，主要包括图像获取，摄像机标定，立体匹配以及三维信息恢复几个方面，如图1所示为双目视觉结构框图。利用该视觉技术对地形地貌进行探测并恢复出其三维地形，在导航及导盲领域有着重要意义。

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，统一景物在不同视点下的图像会有很大的不同，且诸多场景因素也会造成影响。要有效的解决以上问题，需要选择正确的匹配特征，寻找特征之间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置，由两个摄像机和两组激光阵列发生器组成；所述每组激光阵列发生器由激光器、准直器、达曼光栅和棱镜组组成，可产生9束能量均匀的激光阵列；每组激光阵列发生器的激光器、准直器、达曼光栅和棱镜组依次在同一光轴上排布，两组激光阵列发生器上下贴合布置，所述激光阵列发生器的轴线与两个摄像机的基线垂直，贴合的两个棱镜组处于两个摄像机的中心位置；

所述激光器的波长λ为0.974μm；

所述达曼光栅为一阶、三周期达曼光栅，周期为18.8μm、相位为π、折射率n为1.4507；通过下式可得达曼光栅4的刻蚀深度e为0.63μm：

$(\mathrm{ne}-e)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\π}$

所述每个棱镜组由9个梯形调向棱镜组成；所述梯形调向棱镜的折射率为1.4507；位于上方的棱镜组的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为56.55°、50.18°、39.55°、22.73°、0°、22.73°、39.55°、50.18°、56.55°；位于下方的棱镜组的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为-48.27°、-39.52°、-25.98°、-7.14°、13.92°、31.85°、44.41°、52.46°、56.72°；

所述两个摄像机之间的基线长度为100mm-200mm；所述棱镜组的长宽高分别为32mm，7mm，8mm。

一种根据上述装置的三维地形传感方法，包括以下步骤：

(1)激光器产出的激光束经过准直器准直后，由达曼光栅分成9束光路，再由棱镜组对9束光路进行调向和能量均匀形成激光点阵；位于上方的棱镜组形成的激光点阵位于两个摄像机的正前方0.75m处，位于下方的棱镜组形成的激光点阵位于两个摄像机的正前方0.91m处；

(2)通过两个摄像机获取同一场景的地形图像；

(3)采取传统标定法，对步骤2中获得的地形图像的激光点阵进行杂散光处理，将其作为标定参照物，求取出摄像机模型的内部参数和外部参数，计算出激光阵列在摄像机坐标中的位置；

(4)对获取的地形图像进行滤波、锐化、平滑和图像分割等预处理；

(5)将激光点阵作为匹配对象，利用特征匹配算法对地形图像进行立体匹配；

(6)立体匹配建立了探测地形图像对之间的对应关系后，由三角法测量原理计算出探测目标的三维坐标，获得地形的坡度、相对高度和绝对高度，最终拟合出三维地形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明装置通过增加达曼光栅和梯形调向棱镜组，在探测视场中产生9×2束能量均匀的激光阵列；相对于现有的仅仅通过两个摄像机进行双目立体视觉探测的技术，本发明装置增加了特征点细节使得立体匹配过程的精确度更高，应用范围更广，可适用于细节较少的地形的探测，由于该装置体积小、结构简单因此便于实施。

(2)相对于直接用两个摄像机探测再进行匹配的方式更加精确，有利于图像特征点的寻找。

(3)位于视场中的激光点阵有照明作用，有利于昏暗环境下的三维地形探测。

附图说明

图1为平行配置双摄像机系统三角测量原理图；

图2为本发明三维地形传感装置示意图；

图3为本发明达曼光栅结构示意图；

图4为双目视觉结构框图；

图中，摄像机 1、棱镜组 2、激光阵列 3、达曼光栅 4、准直器 5、激光器 6。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

如图1所示为双目视觉测距原理。两平行摄像头间距长度为B，焦距皆为f，O3，O4为摄像头透镜中心点。目标物P在左摄像头感光平面o₁x₁y₁上成的像点为P₁(x₁，y₁)，坐标(x₁，y₁)为左摄像头感光阵列的第x₁列，第y₁行；在右摄像头感光平面o₂x₂y₂上成的像点为P₁(x₂，y₂)，坐标(x₂，y₂)为右摄像头感光阵列的第x₂列，第y₂行。

设摄像头每个像素的间距为d，目标物在两摄像头成像的视差D为：

$D=d\×\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}$

根据相似三角形对边成比例关系可推导出计算物距L的公式：

$\frac{B}{D}=\frac{L}{f}\→L=\frac{B\×f}{D}$

通过以上坐标关系可计算出参考点的三维坐标。

如图2所示，本发明一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置，由两个摄像机1和两组激光阵列发生器组成；所述每组激光阵列发生器由激光器6、准直器5、达曼光栅4和棱镜组2组成，可产生9束能量均匀的激光阵列3；每组激光阵列发生器的激光器6、准直器5、达曼光栅4和棱镜组2依次在同一光轴上排布，两组激光阵列发生器上下贴合布置，所述激光阵列发生器的轴线与两个摄像机1的基线垂直，贴合的两个棱镜组2处于两个摄像机1的中心位置。

所述激光器6的波长λ为0.974μm。

如图3所示，所述达曼光栅4为一阶、三周期达曼光栅，周期为18.8μm、相位为π、折射率n为1.4507；通过下式可得达曼光栅4的刻蚀深度e为0.63μm：

$(\mathrm{ne}-e)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\π}$

表1达曼光栅理想点对描述

	1	2	3
				a	0	2.4197	8.5852
b	1.2536	5.3747	11.1089

设入射光强为1，则各级衍射光的光强如下：

表2各级衍射光强

级次	0	±1	±2	±3	±4
						强度	0.088	0.084	0.072	0.080	0.083

为保证投射到地面的光点均匀分布，在光路中加入棱镜组的方式，对各光束依次折射到需要的位置。每个棱镜组2由9个梯形调向棱镜组成，为了便于胶合并尽量保证光斑的大小一致，棱镜组2的各梯形调向棱镜的下表面与入射光线垂直，依据各几何长度和角度以及熔石英在该波长下的折射率(1.4507498)，可以计算出各棱镜的锲角。位于上方的棱镜组2的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为56.55°、50.18°、39.55°、22.73°、0°、22.73°、39.55°、50.18°、56.55°；位于下方的棱镜组2的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为-48.27°、-39.52°、-25.98°、-7.14°、13.92°、31.85°、44.41°、52.46°、56.72°。所述两个摄像机1之间的基线长度为100mm-200mm；所述棱镜组的长宽高分别为32mm，7mm，8mm。

折射后各光点距离对应零级光的长度如下表：

表3折射后各光点距离对应零级光的长度

级次	±1	±2	±3	±4
					距离	0.25	0.50	0.75	1.00

则正好形成总长为2米的点阵。

如图4所示，一种根据上述装置的三维地形传感方法，包括以下步骤：

(1)激光器6产出的激光束经过准直器5准直后，由达曼光栅4分成9束光路，再由棱镜组2对9束光路进行调向和能量均匀形成激光点阵3；位于上方的棱镜组2形成的激光点阵3位于两个摄像机1的正前方0.75m处，位于下方的棱镜组2形成的激光点阵3位于两个摄像机1的正前方0.91m处；

(2)通过两个摄像机1获取同一场景的地形图像；

(3采取传统标定法，对步骤2中获得的地形图像的激光点阵3进行杂散光处理，将其作为标定参照物，求取出摄像机模型的内部参数和外部参数，计算出激光阵列3在摄像机1坐标中的位置；

(4)对获取的地形图像预处理，利用中指滤波算法进行滤波、拉普拉斯算法进行锐化及canny算子进行图像分割等预处理；

(5)将激光点阵3作为匹配对象，利用特征匹配算法对地形图像进行立体匹配；

(6)立体匹配建立了探测地形图像对之间的对应关系后，由上述的三角法测量原理计算出探测目标的三维坐标，获得地形的坡度、相对高度和绝对高度，最终拟合出三维地形。

Claims (2)

1.一种基于激光点阵标识的三维地形传感装置，其特征在于，由两个摄像机(1)和两组激光阵列发生器组成；所述每组激光阵列发生器由激光器(6)、准直器(5)、达曼光栅(4)和棱镜组(2)组成，可产生9束能量均匀的激光阵列(3)；每组激光阵列发生器的激光器(6)、准直器(5)、达曼光栅(4)和棱镜组(2)依次在同一光轴上排布，两组激光阵列发生器上下贴合布置，所述激光阵列发生器的轴线与两个摄像机(1)的基线垂直，贴合的两个棱镜组(2)处于两个摄像机(1)的中心位置；

所述激光器(6)的波长λ为0.974μm；

所述达曼光栅(4)为一阶、三周期达曼光栅，周期为18.8μm、相位为π、折射率n为1.4507；通过下式可得达曼光栅(4)的刻蚀深度e为0.63μm：

$(\mathrm{ne}-e)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\π}$

所述每个棱镜组(2)由9个梯形调向棱镜组成；所述梯形调向棱镜的折射率为1.4507；位于上方的棱镜组(2)的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为56.55°、50.18°、39.55°、22.73°、0°、22.73°、39.55°、50.18°、56.55°；位于下方的棱镜组(2)的第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为-48.27°、-39.52°、-25.98°、-7.14°、13.92°、31.85°、44.41°、52.46°、56.72°；

所述两个摄像机(1)之间的基线长度为100mm-200mm；所述棱镜组的长宽高分别为32mm，7mm，8mm。

2.一种根据权利要求1所述装置的三维地形传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器6产出的激光束经过准直器5准直后，由达曼光栅4分成9束光路，再由棱镜组2对9束光路进行调向和能量均匀形成激光点阵3；位于上方的棱镜组2形成的激光点阵3位于两个摄像机1的正前方0.75m处，位于下方的棱镜组2形成的激光点阵3位于两个摄像机1的正前方0.91m处；

(2)通过两个摄像机1获取同一场景的地形图像；

(3)采取传统标定法，对步骤2中获得的地形图像的激光点阵3进行杂散光处理，将其作为标定参照物，求取出摄像机模型的内部参数和外部参数，计算出激光阵列3在摄像机1坐标中的位置；

(4)对获取的地形图像进行滤波、锐化、平滑和图像分割等预处理；

(5)将激光点阵3作为匹配对象，利用特征匹配算法对地形图像进行立体匹配；

(6)立体匹配建立了探测地形图像对之间的对应关系后，由三角法测量原理计算出探测目标的三维坐标，获得地形的坡度、相对高度和绝对高度，最终拟合出三维地形。