CN104864855A - 一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于视觉测量技术领域，公开了一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法。本发明传感器由外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4组成，其中外框架1包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等。本发明传感器基于双目立体视觉技术，摄像机4经上、下四棱锥反射镜2、3成像形成不同方向的四对虚拟摄像机，可拍摄目标物图像并传输至计算机进行处理，相当于在传统双目立体视觉技术中，从不同角度获取目标物的特征。本发明传感器采用单摄像机结合上下四棱锥反射镜的创新结构，极大程度上拓宽了视场范围，将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，实现水平360°的全向立体视觉测量。

Description

一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法，属于视觉测量技术领域。

背景技术

双目立体视觉技术是现今三维测量技术中最有发展前景的方法之一，其利用两个摄像机从不同角度拍摄具有视差的目标物图像，从而获取目标物的空间信息。传统双目立体视觉技术测量范围狭窄，在工程应用中，往往采用多传感器结构或单传感器结合移动机械结构的测量模式对狭窄的视场范围进行补偿，然而以上测量模式操作繁琐，效率低节奏慢，双摄像机图像采集同步困难，无法适用于对实时性要求较高的场合，尤其是高精度的动态测量。

单摄像机结合曲平面折反射镜构成的宽视场立体视觉系统以其安装灵活，实时同步性良好，标定减半，传感器结构小型化等优势成为宽视场测量领域的重要组成部分。但曲面镜成像存在诸多劣势，例如图像存在卷曲变形，目标特征不具备透视投影不变性，图像分辨率差异大等，而单摄像机结合平面反射镜构成的宽视场立体视觉系统可以降低标定与特征匹配难度。

将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合可以实现更宽视场范围下的实时三维立体测量。

发明内容

本发明基于传统双目立体视觉技术，传感器采用创新结构，由一架高分辨率摄像机和两个上下四棱锥反射镜组成，其同步实时性良好，拍摄图像具备透视投影不变性，且视场范围满足水平360°的全向测量。

本发明的技术解决方案是：一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法，其特征在于：

1、一种单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：它包括外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4。

2、如权利要求1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：上四棱锥反射镜2与下四棱锥反射镜3上下正对、共轴摆放，上四棱锥反射镜2消去顶端，加盖一块矩形平面镜，下四棱锥反射镜3中空无顶，中心处安装摄像机4；

所述的上四棱锥反射镜2，其斜面与水平方向夹角为15°-17°，加盖的矩形平面镜边长为46mm；

所述的下四棱锥反射镜3，其斜面与水平方向夹角为31°-33°，顶端削去后边长为40mm，与上四棱锥反射镜2间距128mm；

所述的摄像机4，安装于下四棱锥反射镜3的中心位置，其光轴与上下平面垂直，摄像机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10，经上四棱锥反射镜2平面成像形成虚拟摄像机9，9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11，由10和11构成传统双目立体视觉摄像机，从不同角度采集目标物图像。

3、如权利要求书1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：外框架1结构灵活，高度可调，其包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等；

所述的可调支架5为钢制材料，调整其长度可以改变上、下四棱锥反射镜2、3的间距及测量空间；

所述的摄像机安装槽7，其侧面采用镂空结构，方便手动旋转调整摄像机焦距；

所述的线孔8，其设置在外框架1的底端，用于穿插各类数据线及电源线，以满足各类摄像机的使用及图像数据传输。

4、基于权利要求1所述的一种单像机全向立体视觉传感器的设计方法，具体步骤如下：

步骤一，根据待测目标物宽度及测量距离等选择镜头，计算所需焦距及视场角；

步骤二，根据传感器结构模型及精度要求设定倾角及部分尺寸参数；

步骤三，由传感器结构模型计算所需上下四棱锥反射镜的尺寸。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一、采用单摄像机结合上下四棱锥反射镜的创新结构，极大程度上拓宽了视场范围，实现了水平360°的全向立体视觉测量，可用于大型管道内表面等检测。

二、将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，拍摄所得图像具有透视投影不变性，方便后续标定匹配等工作。

三、摄像机经上下四棱锥反射镜多次反射成像，形成两个虚拟摄像机，其成像光路紧密集中，有利于传感器尺寸小型化。

附图说明

图1为本发明传感器的外观组成示意图；

图2为本发明传感器上下四棱锥反射镜成像原理示意图；

图3为本发明传感器的结构模型示意图；

图4为本发明传感器上四棱锥反射镜尺寸计算示意图；

图5为本发明传感器下四棱锥反射镜尺寸计算示意图；

图6为本发明传感器精度分析模型示意图；

图7为使用本发明传感器采集到的图像。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的说明。本发明为一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法，将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，有效改进了传统技术的诸多不足，可用于实时条件下水平一周的全向立体视觉测量。

本发明传感器的外观组成如图1所示，它由外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4组成，其中外框架1由可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等组成。本发明传感器基于传统双目立体视觉技术，摄像机4经反射镜成像形成两个虚拟摄像机10、11，从不同角度采集具有视差的目标物图像。上下四棱锥反射镜成像原理如图2所示，摄像机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10，经上四棱锥反射镜2平面成像形成虚拟摄像机9，9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11。由于四棱锥反射镜在水平四个方向上完全对称，可构成四对虚拟摄像机，从而覆盖水平一周的测量范围。

本发明传感器结构模型如图3所示，摄像机安装在原点O处，以光轴为y轴建立如图所示的直角坐标系。γ为两个虚拟摄像机A、C的光轴交角。摄像机焦距为f，视场角为2θ，设上下四棱锥斜面倾角分别为α,β。图中反射光线为完整成像的临界情况，由平面镜反射原理可得几何关系：

γ＝180°-2α-2β    (1)

摄像机视场角为：

θ＝arctan(w_CCD/2f)    (2)

其中w_CCD为电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)靶面宽度。

图4所示为上四棱锥反射镜尺寸计算示意图，假设上四棱锥底面宽为2a，下四棱锥底面宽为2c(镜头口径)，上下棱锥间距为b，参数假设由实际测量需求初步估计，并可依据计算出的传感器尺寸、视场范围、基线距等做适当调整。通过坐标运算可得上四棱镜斜面的最小尺寸w₁为：

$w_1=\sqrt{{(\frac{b-a\tan \mathrm{\α}}{\cot \mathrm{\θ}-\tan \mathrm{\α}}-a)}^2+{(\frac{b\cot \mathrm{\θ}-a\tan \mathrm{\α}\·\cot \mathrm{\θ}}{\cot \mathrm{\θ}-\tan \mathrm{\α}}-b)}^2}---\left(3\right)$

图5所示为下四棱锥反射镜尺寸计算示意图，通过正弦定理等三角形解析及坐标运算可求得下棱镜斜面的最小尺寸w₂为：

$w_2=\frac{2a\sin \∠1-c\sin \∠1}{\sin \∠2}---\left(4\right)$

$\∠1=\arctan \frac{b}{a},\∠2=\arctan \frac{b}{a}-\mathrm{\β}---\left(5\right)$

由摄像机透视投影模型可求出上下棱镜斜面在z轴方向上的必要尺寸h：

$h=l\frac{h_{\mathrm{CCD}}}{f}---\left(6\right)$

其中h_CCD为CCD靶面高度，l为工作距离。

根据图6所示的传感器精度分析模型可知总精度随φ₁+φ₂呈非线性变化，当φ₁+φ₂接近π时精确度最高，即光轴夹角γ越小精确度越高。结合式(1)得传感器获得较高测量精度的条件为：

α+β≈π/2     (11)

基于上述单像机全向立体视觉传感器，本发明还提出了它的设计方法，具体步骤如下：

步骤一，根据待测目标物宽度及测量距离等选择镜头，计算所需焦距及视场角；

步骤二，由式(1)，式(11)以及测量需求设定参数α,β，并根据预期的传感器尺寸假设参数a,b,c。

步骤三，由式(3)，(4)，(6)计算四棱锥反射镜在各方向上的尺寸，其中各参数可根据计算出的相应尺寸做适当调整。

图7为使用本发明传感器采集到的图像，本实施例采用IMPERX摄像机，型号IGV-B1610，CCD靶面尺寸1/1.8”，最高像素1628像素×1236像素，镜头焦距1.5mm-16mm。针对中型管道内表面检测，选用30mm×30mm靶标，并将其置于视场中心，调节焦距使图像清晰。

Claims (4)

1.一种单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：它包括外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4。

2.如权利要求1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：上四棱锥反射镜2与下四棱锥反射镜3上下正对、共轴摆放，上四棱锥反射镜2消去顶端，加盖一块矩形平面镜，下四棱锥反射镜3中空无顶，中心处安装摄像机4；

所述的上四棱锥反射镜2，其斜面与水平方向夹角为15^o-17^o，加盖的矩形平面镜边长为46mm；

所述的下四棱锥反射镜3，其斜面与水平方向夹角为31^o-33^o，顶端削去后边长为40mm，与上四棱锥反射镜2间距128mm；

所述的摄像机4，安装于下四棱锥反射镜3的中心位置，其光轴与上下平面垂直，摄像机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10，经上四棱锥反射镜2平面成像形成虚拟摄像机9，9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11，由10和11构成传统双目立体视觉摄像机，从不同角度采集目标物图像。

3.如权利要求书1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：外框架1结构灵活，高度可调，其包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等；

所述的可调支架5为钢制材料，调整其长度可以改变上、下四棱锥反射镜2、3的间距及测量空间；

所述的摄像机安装槽7，其侧面采用镂空结构，方便手动旋转调整摄像机焦距；

所述的线孔8，其设置在外框架1的底端，用于穿插各类数据线及电源线，以满足各类摄像机的使用及图像数据传输。

4.基于权利要求1所述的一种单像机全向立体视觉传感器的设计方法，具体步骤如下：

步骤一，根据待测目标物宽度及测量距离等选择镜头，计算所需焦距及视场角；

步骤二，根据传感器结构模型及精度要求设定倾角及部分尺寸参数；

步骤三，由传感器结构模型计算所需上下四棱锥反射镜的尺寸。