CN105137606B - 基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法，属于立体视觉成像领域。所述的基于数字微镜器件的立体视觉成像装置包括第一物镜、第二物镜、反射镜、数字微镜器件、CCD图像传感器和壳体。所述的基于数字微镜器件的立体视觉成像方法包括图像采集和坐标计算，通过计算目标物所有点的世界坐标值，实现对目标物的立体成像。本发明通过控制数字微镜器件的二维微镜元阵列以奇偶间隔的排列方式翻转状态，完成从不同方向对同一目标物进行图像采集，所得两幅视差图像不存在同步时差，适用于动态目标物的立体视觉成像。

Description

基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法，属于立体视觉成像领域。
背景技术
立体视觉成像技术能够模拟人眼成像得到目标物的三维影像，近年来被广泛应用于三维形貌测量和增材制造领域。目前在工业应用中多采用双相机立体视觉成像装置和方法，即两个相机从不同角度同时采集目标物的两幅图像，基于视差原理实现立体视觉成像效果。但这种双相机立体视觉成像装置需要用到两个相机，装置的结构大，成本高，且立体视觉成像前需要对每个相机进行参数标定。另外，对动态目标成像时，要求两相机时间同步，否则会造成立体视觉成像的扭曲和畸变。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法，用以解决上述双相机立体视觉成像技术所存在的问题。
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置予以实现的技术方案是：该装置包括第一物镜、第二物镜、反射镜、数字微镜器件、CCD图像传感器和壳体；所述的第一物镜和第二物镜型号相同，相对于基于数字微镜器件的立体视觉成像装置中心轴对称；所述的数字微镜器件放置在CCD图像传感器上方，数字微镜器件的基面与CCD图像传感器所在面成33°夹角；所述的反射镜与数字微镜器件相向安置，且与CCD图像传感器所在面成66°夹角。
所述的第一物镜以向右48°倾角将目标物成像光线投射给所述的反射镜；所述的第二物镜以向左48°倾角将目标物成像光线投射给所述的数字微镜器件；所述的反射镜将来自第一物镜的成像光线反射给数字微镜器件；所述的数字微镜器件由基面和二维微镜元阵列组成；所述的微镜元有on和off两个翻转状态，当为on状态时微镜元偏转+12°，从第二物镜进入的成像光线被数字微镜器件反射到CCD图像传感器的感光面，当为off状态时微镜元偏转-12°，从第一物镜进入经反射镜反射的成像光线被数字微镜器件二次反射到CCD图像传感器的感光面；所述的CCD图像传感器接收从数字微镜器件反射来的成像光线，完成感光成像；所述的壳体用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。
本发明提出的一种基于数字微镜器件的立体视觉成像方法，是利用上述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，并按照以下步骤：
步骤一、图像采集：
微调所述的数字微镜器件相对所述的CCD图像传感器的位置，使CCD像元与数字微镜器件的微镜元配准，即每个CCD像元单一映射数字微镜器件的一个微镜元。
控制所述数字微镜器件的二维微镜元阵列以奇偶间隔的排列方式翻转状态；其中，把数字微镜器件的微镜元为+12°偏角的on状态称为偶场微镜元，把数字微镜器件的微镜元为-12°偏角的off状态称为奇场微镜元；这样，通过控制所述数字微镜器件的二维微镜元阵列翻转状态将来自所述第一物镜和所述第二物镜所对应目标物的成像光线反射给所述CCD图像传感器；所述CCD图像传感器接收所述数字微镜器件反射的成像光线，得到一帧数据；这帧数据包含所述第一物镜和所述第二物镜从不同角度对目标物所成的两幅图像信息。
将CCD一帧数据以奇偶间隔的提取方式分列为奇偶两个图像数据矩阵，采用线性插值法将分开的奇偶两个图像数据矩阵存在的空像素补全得到I1和I2，分别表征所述第一物镜对目标物所成图像信息和所述第二物镜对目标物所成图像信息。
步骤二、坐标计算：
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置的几何光学模型相当于两个虚拟相机同时从所述第一物镜和所述第二物镜向目标物成像。
定义从所述第一物镜向目标物成像的第一虚拟相机的相机坐标系为OC1XC1YC1ZC1，定义从所述第二物镜向目标物成像的第二虚拟相机的相机坐标系为OC2XC2YC2ZC2；定义所述第一物镜对目标物所成I1的图像坐标系为O1U1V1，定义所述第二物镜对目标物所成I2的图像坐标系为O2U2V2；定义两虚拟相机之间的距离，即基准距为b。
目标物上任意一点P，在I1的图像坐标为(u1,v1)，在I2的图像坐标为(u2,v2)，在第一虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC1,yC1,zC1)，在第二虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC2,yC2,zC2)；根据相机成像原理，P点在第一虚拟相机的相机坐标系坐标与在I1的图像坐标之间关系为：
P点在第二虚拟相机的相机坐标系坐标与在I2的图像坐标之间关系为：
式(1)和(2)中的f为第一物镜和第二物镜的焦距。
定义世界坐标系为OWXWYWZW，第一虚拟相机坐标系的XC1轴、第二虚拟相机坐标系的XC2轴和世界坐标系的XW轴同向，第一虚拟相机坐标系的YC1轴和ZC1轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转42°所得，第二虚拟相机坐标系的YC2轴和ZC2轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转-42°所得；P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第一虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第二虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
整合公式(1)、(2)、(3)、(4)，得到下面关系方程：
公式(5)中，(u1,v1)和(u2,v2)通过I1和在I2得到，当所述第一物镜和所述第二物镜选型确定时f为已知，则得到：
将公式(6)代回公式(5)，得到P点的世界坐标系坐标：
可见，对于目标物的任意一点的三维空间世界坐标都能通过公式(7)得到，如此求得目标物的所有点的世界坐标值，便实现了目标物的立体成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的基于数字微镜器件的立体视觉成像装置和方法，通过数字微镜器件的二维微镜元阵列状态切换，实现了从两个方向对目标物的立体成像。与现有技术相比，本发明提供的基于数字微镜器件的立体视觉成像装置仅使用一个CCD图像传感器，结构紧凑，成本较低。本发明提供的基于数字微镜器件的立体视觉成像方法从不同方向对同一目标物采集的两幅视差图像不存在同步时差，适用于动态目标物的立体视觉成像。
附图说明
图1为本发明提供的基于数字微镜器件的立体视觉成像装置结构图；
图2为本发明提供的数字微镜器件奇偶分场翻转示意图；
图3为本发明提供的基于数字微镜器件的立体视觉成像装置的几何光学模型图。
图中：1-第一物镜，2-第二物镜，3-反射镜，4-数字微镜器件，5-CCD图像传感器，6-壳体，7-目标物。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，包括第一物镜1、第二物镜2、反射镜3、数字微镜器件4、CCD图像传感器5和壳体6；所述的第一物镜1和第二物镜2型号相同，相对于基于数字微镜器件的立体视觉成像装置中心轴对称；所述的数字微镜器件4放置在CCD图像传感器5上方，数字微镜器件4的基面与CCD图像传感器5所在面成33°夹角；所述的反射镜3与数字微镜器件4相向安置，且与CCD图像传感器5所在面成66°夹角。
所述的第一物镜1以向右48°倾角将目标物7成像光线投射给所述的反射镜3；所述的第二物镜2以向左48°倾角将目标物7成像光线投射给所述的数字微镜器件4；所述的反射镜3将来自第一物镜1的成像光线反射给数字微镜器件4；所述的数字微镜器件4由基面和二维微镜元阵列组成；所述的微镜元有on和off两个翻转状态，当为on状态时微镜元偏转+12°，从第二物镜2进入的成像光线被数字微镜器件4反射到CCD图像传感器5的感光面，当为off状态时微镜元偏转-12°，从第一物镜1进入经反射镜3反射的成像光线被数字微镜器件4二次反射到CCD图像传感器5的感光面；所述的CCD图像传感器5接收从数字微镜器件4反射来的成像光线，完成感光成像；所述的壳体6用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。
本发明提出的一种基于数字微镜器件的立体视觉成像方法，是利用上述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，并按照以下步骤：
步骤一、图像采集：
微调所述的数字微镜器件4相对所述的CCD图像传感器5的位置，使CCD像元与数字微镜器件4的微镜元配准，即每个CCD像元单一映射数字微镜器件4的一个微镜元。
控制所述数字微镜器件4的二维微镜元阵列以奇偶间隔的排列方式翻转状态，如图2所示；其中，把数字微镜器件4的微镜元为+12°偏角的on状态称为偶场微镜元，把数字微镜器件4的微镜元为-12°偏角的off状态称为奇场微镜元；这样，通过控制所述数字微镜器件4的二维微镜元阵列翻转状态将来自所述第一物镜1和所述第二物镜2所对应目标物的成像光线反射给所述CCD图像传感器5；所述CCD图像传感器5接收所述数字微镜器件4反射的成像光线，得到一帧数据；这帧数据包含所述第一物镜1和所述第二物镜2从不同角度对目标物7所成的两幅图像信息。
将CCD一帧数据以奇偶间隔的提取方式分列为奇偶两个图像数据矩阵，采用线性插值法将分开的奇偶两个图像数据矩阵存在的空像素补全得到I1和I2，分别表征所述第一物镜1对目标物7所成图像信息和所述第二物镜2对目标物7所成图像信息。
步骤二、坐标计算：
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置的几何光学模型如图3所示，相当于两个虚拟相机同时从所述第一物镜1和所述第二物镜2向目标物7成像。
定义从所述第一物镜1向目标物7成像的第一虚拟相机的相机坐标系为OC1XC1YC1ZC1，定义从所述第二物镜2向目标物7成像的第二虚拟相机的相机坐标系为OC2XC2YC2ZC2；定义所述第一物镜1对目标物7所成I1的图像坐标系为O1U1V1，定义所述第二物镜2对目标物7所成I2的图像坐标系为O2U2V2；定义两虚拟相机之间的距离，即基准距为b。
目标物7上任意一点P，在I1的图像坐标为(u1,v1)，在I2的图像坐标为(u2,v2)，在第一虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC1,yC1,zC1)，在第二虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC2,yC2,zC2)；根据相机成像原理，P点在第一虚拟相机的相机坐标系坐标与在I1的图像坐标之间关系为：
P点在第二虚拟相机的相机坐标系坐标与在I2的图像坐标之间关系为：
式(1)和(2)中的f为第一物镜和第二物镜的焦距。
定义世界坐标系为OWXWYWZW，第一虚拟相机坐标系的XC1轴、第二虚拟相机坐标系的XC2轴和世界坐标系的XW轴同向，第一虚拟相机坐标系的YC1轴和ZC1轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转42°所得，第二虚拟相机坐标系的YC2轴和ZC2轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转-42°所得；P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第一虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第二虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
整合公式(1)、(2)、(3)、(4)，得到下面关系方程：
公式(5)中，(u1,v1)和(u2,v2)通过I1和在I2得到，当所述第一物镜1和所述第二物镜2选型确定时f为已知，则得到：
将公式(6)代回公式(5)，得到P点的世界坐标系坐标：
可见，对于目标物7的任意一点的三维空间世界坐标都能通过公式(7)得到，如此求得目标物7的所有点的世界坐标值，便实现了目标物7的立体成像。
实施例：
下面举例进一步对本发明做详细说明：
选取CCD图像传感器5的分辨率为1920×1080，即CCD二维像元阵列为1920×1080，传感器尺寸为1/2英寸，数字微镜器件4的二维微镜元阵列为1920×1080；选取第一物镜1和第二物镜2的焦距f＝8mm；基准距为b＝20cm。
微调所述的数字微镜器件4相对所述的CCD图像传感器5的位置，使CCD像元与数字微镜器件4的微镜元配准，即每个CCD像元单一映射数字微镜器件4的一个微镜元。
将目标物7放置在第一物镜1和第二物镜2的公共视场范围内；控制所述数字微镜器件4的二维微镜元阵列以奇偶间隔的排列方式翻转状态，如图2所示；其中，把数字微镜器件4的微镜元为+12°偏角的on状态称为偶场微镜元，把数字微镜器件4的微镜元为-12°偏角的off状态称为奇场微镜元；这样，通过控制所述数字微镜器件4的二维微镜元阵列翻转状态将来自所述第一物镜1和所述第二物镜2所对应目标物的成像光线反射给所述CCD图像传感器5；所述CCD图像传感器5接收所述数字微镜器件4反射的成像光线，得到一帧数据；这帧数据包含所述第一物镜1和所述第二物镜2从不同角度对目标物7所成的两幅图像信息。
将CCD一帧数据以奇偶间隔的提取方式分列为奇偶两个图像数据矩阵，采用线性插值法将分开的奇偶两个图像数据矩阵存在的空像素补全得到I1和I2，分别表征所述第一物镜1对目标物7所成图像信息和所述第二物镜2对目标物7所成图像信息。
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置对成像工件的任意一点P采集的两图像的图像坐标为(u1,v1)和(u2,v2)时，根据上述公式(7)，计算得到点P的世界坐标为：
如此求得工件上的所有点的世界坐标值，便实现了工件的立体成像。
设工件的尺寸为Xs×Ys×Zs，本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置能够立体成像的工件的尺寸范围在：
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置的分辨力为(0.06,0.09,0.1)，单位(mm)。
本发明中，CCD像元与数字微镜器件4的微镜元配准方法，奇偶间隔的提取方法和线性插值法，这些均属于本领域内公知常识，本领域内的技术人员可根据要求再现，在此不再赘述。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，其特征在于，包括第一物镜(1)、第二物镜(2)、反射镜(3)、数字微镜器件(4)、CCD图像传感器(5)和壳体(6)；
所述的第一物镜(1)以向右48°倾角将目标物(7)成像光线投射给所述的反射镜(3)；所述的第二物镜(2)以向左48°倾角将目标物(7)成像光线投射给所述的数字微镜器件(4)；所述的反射镜(3)将来自第一物镜(1)的成像光线反射给数字微镜器件(4)；所述的数字微镜器件(4)由基面和二维微镜元阵列组成；所述的微镜元有on和off两个翻转状态，当为on状态时微镜元偏转+12°，从第二物镜(2)进入的成像光线被数字微镜器件(4)反射到CCD图像传感器的感光面，当为off状态时微镜元偏转-12°，从第一物镜(1)进入经反射镜(3)反射的成像光线被数字微镜器件(4)二次反射到CCD图像传感器(5)的感光面；所述的CCD图像传感器(5)接收从数字微镜器件(4)反射来的成像光线，完成感光成像；所述的壳体(6)用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。
2.根据权利要求1所述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，其特征在于，所述的第一物镜(1)和第二物镜(2)型号相同，相对于基于数字微镜器件的立体视觉成像装置中心轴对称。
3.根据权利要求1所述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，其特征在于，所述的数字微镜器件(4)放置在CCD图像传感器(5)上方，数字微镜器件(4)的基面与CCD图像传感器(5)所在面成33°夹角。
4.根据权利要求1所述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置，其特征在于，所述的反射镜(3)与数字微镜器件(4)相向安置，且与CCD图像传感器(5)所在面成66°夹角。
5.一种基于数字微镜器件的立体视觉成像方法，其特征在于，采用如权利要求1所述基于数字微镜器件的立体视觉成像装置进行立体成像，包括以下步骤：
步骤一、图像采集：
微调所述的数字微镜器件(4)相对所述的CCD图像传感器(5)的位置，使CCD像元与数字微镜器件(4)的微镜元配准，即每个CCD像元单一映射数字微镜器件(4)的一个微镜元；
控制所述数字微镜器件(4)的二维微镜元阵列以奇偶间隔的排列方式翻转状态；其中，把数字微镜器件(4)的微镜元为+12°偏角的on状态称为偶场微镜元，把数字微镜器件(4)的微镜元为-12°偏角的off状态称为奇场微镜元；这样，通过控制所述数字微镜器件(4)的二维微镜元阵列翻转状态将来自所述第一物镜(1)和所述第二物镜(2)所对应目标物(7)的成像光线反射给所述CCD图像传感器(5)；所述CCD图像传感器(5)接收所述数字微镜器件(4)反射的成像光线，得到一帧数据；这帧数据包含自所述第一物镜(1)和所述第二物镜(2)从不同角度对目标物(7)所成的两幅图像信息；
将CCD一帧数据以奇偶间隔的提取方式分列为奇偶两个图像数据矩阵，采用线性插值法将分开的奇偶两个图像数据矩阵存在的空像素补全得到I1和I2，分别表征所述第一物镜(1)对目标物(7)所成图像信息和所述第二物镜(2)对目标物(7)所成图像信息；
步骤二、坐标计算：
本发明基于数字微镜器件的立体视觉成像装置的几何光学模型相当于两个虚拟相机同时从所述第一物镜(1)和所述第二物镜(2)向目标物(7)成像；
定义从所述第一物镜(1)向目标物(7)成像的第一虚拟相机的相机坐标系为OC1XC1YC1ZC1，定义从所述第二物镜(2)向目标物(7)成像的第二虚拟相机的相机坐标系为OC2XC2YC2ZC2；定义所述第一物镜(1)对目标物(7)所成I1的图像坐标系为O1U1V1，定义所述第二物镜(2)对目标物(7)所成I2的图像坐标系为O2U2V2；定义两虚拟相机之间的距离，即基准距为b；
目标物(7)上任意一点P，在I1的图像坐标为(u1,v1)，在I2的图像坐标为(u2,v2)，在第一虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC1,yC1,zC1)，在第二虚拟相机的相机坐标系坐标为(xC2,yC2,zC2)；根据相机成像原理，P点在第一虚拟相机的相机坐标系坐标与在I1的图像坐标之间关系为：
P点在第二虚拟相机的相机坐标系坐标与在I2的图像坐标之间关系为：
式(1)和(2)中的f为第一物镜(1)和第二物镜(2)的焦距；
定义世界坐标系为OWXWYWZW，第一虚拟相机坐标系的XC1轴、第二虚拟相机坐标系的XC2轴和世界坐标系的XW轴同向，第一虚拟相机坐标系的YC1轴和ZC1轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转42°所得，第二虚拟相机坐标系的YC2轴和ZC2轴方向是世界坐标系的YW轴和ZW轴以XW为轴旋转-42°所得；P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第一虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
P点在世界坐标系的坐标(xW,yW,zW)与在第二虚拟相机的相机坐标系坐标之间关系为：
整合公式(1)、(2)、(3)、(4)，得到下面关系方程：
公式(5)中，(u1,v1)和(u2,v2)通过I1和在I2得到，当所述第一物镜(1)和所述第二物镜(2)选型确定时f为已知，则得到：
将公式(6)代回公式(5)，得到P点的世界坐标系坐标：
可见，对于目标物(7)的任意一点的三维空间世界坐标都能通过公式(7)得到，如此求得目标物(7)的所有点的世界坐标值，便实现了目标物(7)的立体成像。
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