CN105004322A - 一种单摄像机获取空间姿态的光路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单摄像机获取空间姿态的光路，包括标记点A、标记点B、标记点C和由反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、物镜和探测器件组成的摄像机，标记点A、标记点B、标记点C为被测物体上选取的三个基准点，标记点A、标记点B、标记点C采用不同的颜色以示区分，采用波长或能量的方式将标记点A、标记点B、标记点C引入物镜的视场，成像于探测器件的靶面中心区域；瞬时拍摄三个基准点成像于探测器件靶面的图片，通过前后两次所拍图片中三个基准点相对位置的改变，计算出被测物体的空间姿态。本发明能够采用单一摄像头实时获取被测物体的空间姿态，精度高，图像处理简单且成本较低，为后续的判断和评估提供依据。

Description

一种单摄像机获取空间姿态的光路

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是一种单摄像机获取空间姿态的光路。

背景技术

空间姿态是反映被测物体空间状态的重要参数，包括横滚角、俯仰角和航向角，这些参数的获取可以为后续的判断和评估提供依据。

目前通常在被测物体下方选取三个点悬挂标尺，可通过线激光器打出激光束对准标尺上的刻度(也可用经纬仪)，如被测物体空间姿态改变，标尺上的刻度值也发生改变，然后通过计算来确定各参数，此种方法为人工测量读数，精度难以保证，同时实时性差，一定程度上影响后续的判断和评估。也可通过摄像机来获取被测物体空间姿态的变化，但是由于单个摄像机视场有限，为保证测量的精度须拉开基线，因此必须采用多个摄像机来对准被测物体上的各个点以监测其空间姿态的变化，此种方法成本较高，后期图像和数据处理麻烦。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种单摄像机获取空间姿态的光路，解决了现有空间姿态获取精度低、实时性差，后期图像数据处理麻烦的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种单摄像机获取空间姿态的光路，包括标记点A、标记点B、标记点C和由反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、物镜和探测器件组成的摄像机，标记点A、标记点B、标记点C为被测物体上选取的三个基准点，标记点A、标记点B、标记点C采用不同的颜色以示区分，采用波长或能量的方式将标记点A、标记点B、标记点C经过反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜引入物镜的视场，成像于探测器件的靶面中心区域；瞬时拍摄标记点A、标记点B、标记点C成像于探测器件靶面的图片，通过前后两次所拍图片中标记点A、标记点B、标记点C相对位置的改变，计算出被测物体的空间姿态。

进一步地，反射镜的反射面镀全反射膜，第一半反半透镜的反射面根据标记点A、标记点B的颜色镀相应的滤光膜，第一半反半透镜的透射面镀增透膜，第二半反半透镜的反射面根据标记点A、标记点B、标记点C的颜色镀相应的滤光膜，第二半反半透镜的透射面镀增透膜，将标记点A、标记点B、标记点C引入引入物镜的视场，成像于探测器件的靶面中心区域。

进一步地，反射镜的反射面镀全反射膜，第一半反半透镜的反射面根据标记点A、标记点B的亮度镀相应透反比的中性滤光膜，第一半反半透镜的透射面镀增透膜，第二半反半透镜的反射面根据标记点A、标记点B、标记点C的亮度镀相应透反比的中性滤光膜，第二半反半透镜的透射面镀增透膜，将标记点A、标记点B、标记点C引入物镜的视场，成像于探测器件的靶面中心区域。

进一步地，空间姿态包括横滚角α、俯仰角β和航向角γ，横滚角α通过公式(1)计算出，

$\mathrm{\α}=arctg\frac{x}{l},---\left(1\right)$

其中，x为前后两次拍摄时标记点A和标记点C在垂直方向的相对位移，l为标记点A和标记点C的横向距离；

俯仰角β通过公式(2)计算出，

$\mathrm{\β}=arctg\frac{y}{m},---\left(2\right)$

其中，y为前后两次拍摄时标记点B在垂直向的位移，m为标记点B到物镜的距离；

航向角γ通过公式(3)计算出，

$\mathrm{\γ}=arctg\frac{z}{m},---\left(3\right)$

其中，z为前后两次拍摄时标记点B在水平向的位移，m为标记点B到物镜的距离。

本发明的有益效果：

1、本发明是在被测物体上选取三个基准点，将基准点引入物镜的视场，成像于探测器件的靶面中心区域，摄像机瞬时拍摄三个基准点成像于探测器件靶面的图片，通过前后两次所拍图片中三个基准点相对位置的改变，通过公式计算出被测物体的空间姿态，这样能够实时获取被测物体的空间姿态，精度高，为后续的判断和评估提供依据。

2、本发明是采用单一摄像头完成对被测物体空间姿态的获取，图像处理简单且成本较低。

附图说明

图1为本发明中被测物体上选取的三个基准点成像于探测器件靶面的光路原理图；

图2为本发明中前后两次所拍图片中三个基准点相对位置改变的原理图。

具体实施方式

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

如图1所示，本发明一种单摄像机获取空间姿态的光路，包括标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3和由反射镜5、第一半反半透镜6、第二半反半透镜7、物镜8和探测器件9组成的摄像机4，反射镜5、第一半反半透镜6、第二半反半透镜7的安放位置(即与物镜8的光轴的夹角)和标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3的位置有关，标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3为被测物体上选取的三个基准点，标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3采用不同的颜色以示区分，采用波长或能量的方式将标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3经过反射镜5、第一半反半透镜6、第二半反半透镜7引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域。

实施例一：

设标记点A 1为红色，标记点B 2为绿色，标记点C 3为蓝色，反射镜5的a面镀全反射膜，第一半反半透镜6的a面镀反绿透红的滤光膜，b面镀增透膜，第二半反半透镜7的a面镀反蓝透红绿的滤光膜，b面镀增透膜，标记点A 1经过反射镜5的a面全反射，通过第一半反半透镜6、第二半反半透镜7引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域；标记点B 2经过第一半反半透镜6的a面反射，通过第二半反半透镜7引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域；标记点C 3经过第二半反半透镜7反射，引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域。设三个基准点为其他颜色，其原理与上述相同。

实施例二：

设标记点A 1为红色，标记点B 2为绿色，标记点C 3为蓝色，反射镜5的a面镀全反射膜，第一半反半透镜6的a面镀中性滤光膜，b面镀增透膜，第二半反半透镜7的a面镀中性滤光膜，b面镀增透膜，中性滤光膜的透反比可根据标记点A 1、标记点B 2和标记点C 3的亮度决定，如标记点A 1、标记点B 2和标记点C 3的亮度一样，为使标记点A 1、标记点B 2和标记点C 3在探测器件9的靶面上所成像的亮度一致，可在第一半反半透镜6的a面镀透反比1:1的中性滤光膜，在第二半反半透镜7的a面镀透反比2:1的中性滤光膜，标记点A1经过反射镜5的a面全反射，通过第一半反半透镜6、第二半反半透镜7引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域；标记点B 2经过第一半反半透镜6的a面反射，通过第二半反半透镜7引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域；标记点C 3经过第二半反半透镜7反射，引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域。

摄像机瞬时拍摄标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3成像于探测器件9靶面的图片，通过前后两次所拍图片中标记点A 1、标记点B 2、标记点C 3相对位置的改变，计算出被测物体的空间姿态，即横滚角α、俯仰角β和航向角γ，具体如图2所示。

横滚角α通过公式(1)计算出，

$\mathrm{\α}=arctg\frac{x}{l},---\left(1\right)$

其中，x为前后两次拍摄时标记点A 1和标记点C 3在垂直方向的相对位移，可由如下公式(4)计算出，l为标记点A 1和标记点C 3的横向距离，可测量得出；

$x=\frac{x^{\′}n}{f^{\′}},---\left(4\right)$

其中，x'为前后拍摄时标记点A 1和标记点C 3在探测器件9靶面上垂直向的移动距离，f'为物镜8的焦距，n为标记点A 1和标记点C 3到物镜8的距离。

俯仰角β通过公式(2)计算出，

$\mathrm{\β}=arctg\frac{y}{m},---\left(2\right)$

其中，y为前后两次拍摄时标记点B 2在垂直向的位移，可由如下公式(5)计算出，m为标记点B 2到物镜8的距离，可测量得出；

$y=\frac{y^{\′}m}{f^{\′}},---\left(5\right)$

其中，y'为前后两次拍摄时标记点B 2在探测器件9靶面上垂直向的移动距离，f'为物镜8的焦距，m为标记点B 2到物镜8的距离。

航向角γ通过公式(3)计算出，

$\mathrm{\γ}=arctg\frac{z}{m},---\left(3\right)$

其中，z为前后两次拍摄时标记点B 2在水平向的位移，可由如下公式(6)计算出，m为标记点B 2到物镜8的距离，可测量得出；

$z=\frac{z^{\′}m}{f^{\′}},---\left(6\right)$

其中，z'为前后两次拍摄时标记点B 2在探测器件9靶面上水平向的移动距离，f'为物镜8的焦距，m为标记点B 2到物镜8的距离。

因此，本发明在被测物体上选取三个基准点，将基准点引入物镜8的视场，成像于探测器件9的靶面中心区域，摄像机4瞬时拍摄三个基准点成像于探测器件9靶面的图片，通过前后两次所拍图片中三个基准点相对位置的改变，通过公式计算出被测物体的空间姿态，这样能够实时获取被测物体的空间姿态，精度高，为后续的判断和评估提供依据；采用单一摄像头完成对被测物体空间姿态的获取，图像处理简单且成本较低。

Claims (4)

1.一种单摄像机获取空间姿态的光路，包括标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)和由反射镜(5)、第一半反半透镜(6)、第二半反半透镜(7)、物镜(8)和探测器件(9)组成的摄像机(4)，其特征在于：所述标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)为被测物体上选取的三个基准点，标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)采用不同的颜色以示区分，采用波长或能量的方式将标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)经过反射镜(5)、第一半反半透镜(6)、第二半反半透镜(7)引入物镜(8)的视场，成像于探测器件(9)的靶面中心区域；瞬时拍摄标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)成像于探测器件(9)靶面的图片，通过前后两次所拍图片中标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)相对位置的改变，计算出被测物体的空间姿态。

2.根据权利要求1所述的单摄像机获取空间姿态的光路，其特征在于：所述反射镜(5)的反射面镀全反射膜，第一半反半透镜(6)的反射面根据标记点A(1)、标记点B(2)的颜色镀相应的滤光膜，第一半反半透镜(6)的透射面镀增透膜，第二半反半透镜(7)的反射面根据标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)的颜色镀相应的滤光膜，第二半反半透镜(7)的透射面镀增透膜，将标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)引入物镜(8)的视场，成像于探测器件(9)的靶面中心区域。

3.根据权利要求1所述的单摄像机获取空间姿态的光路，其特征在于：所述反射镜(5)的反射面镀全反射膜，第一半反半透镜(6)的反射面根据标记点A(1)、标记点B(2)的亮度镀相应透反比的中性滤光膜，第一半反半透镜(6)的透射面镀增透膜，第二半反半透镜(7)的反射面根据标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)的亮度镀相应透反比的中性滤光膜，第二半反半透镜(7)的透射面镀增透膜，将标记点A(1)、标记点B(2)、标记点C(3)引入物镜(8)的视场，成像于探测器件(9)的靶面中心区域。

4.根据权利要求1所述的单摄像机获取空间姿态的光路，其特征在于：所述空间姿态包括横滚角α、俯仰角β和航向角γ，横滚角α通过公式(1)计算出，

$\mathrm{\α}=arctg\frac{x}{l},---\left(1\right)$

其中，x为前后两次拍摄时标记点A(1)和标记点C(3)在垂直方向的相对位移，l为标记点A(1)和标记点C(3)的横向距离；

俯仰角β通过公式(2)计算出，

$\mathrm{\β}=arctg\frac{y}{m},---\left(2\right)$

其中，y为前后两次拍摄时标记点B(2)在垂直向的位移，m为标记点B(2)到物镜(8)的距离；

航向角γ通过公式(3)计算出，

$\mathrm{\γ}=arctg\frac{z}{m},---\left(3\right)$

其中，z为前后两次拍摄时标记点B(2)在水平向的位移，m为标记点B(2)到物镜(8)的距离。