CN105608706B - 一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法 - Google Patents
一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法。该偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge‑Coupled Device)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成。通过优化四目偏振相机结构设计以及偏振片光轴方向设计，提高了偏振态测量精度及鲁棒性；引入最小二乘算法求解冗余配置下的最优估计；利用Gauss‑Newton迭代算法解决多相机间的几何标定问题。本发明解决了基于四相机的偏振视觉传感器的结构设计、多相机间安装误差的补偿问题，能够实时测量区域天空的偏振态信息，具有测量精度高、鲁棒性好的优点。
Description
技术领域
本专利主要涉及视觉传感器的结构设计和标定，特别涉及一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法。
背景技术
动物的导航方式非常奇特，其导航机理还没有被人类完全理解和掌握，仿生导航已成为目前导航技术领域研究的新热点。基于大自然的生物系统的模拟仿生感知技术，为导航技术的新发展提供了启示。许多生物(沙蚁、蝗虫、蜜蜂、粪金龟、部分鸟类及鱼类等)，能够利用它们独特的眼睛结构，感知并利用光的偏振现象，生物的偏振视觉可以帮助它们进行导航定位、目标识别、甚至通讯交流等。
生物的偏振视觉可以帮助它们快速地发现食物和识别环境，这是由于偏振态提供了除亮度和颜色外，光的另外一个重要的信息。水生甲虫可以感知水面反射的水平方向的偏振光从而探测水面，而水面探测对于无人车的野外驾驶是至关重要的；另外偏振视觉可以帮助生物寻找食物和躲避天敌。研究表明，通过分析场景中偏振光的信息，从而更好地理解场景，进而恢复场景中的信息；偏振视觉可以应用于图像去雾、对比度增强等，甚至可以用来估计场景的深度信息。
目前各单位研制的偏振光传感器主要可以分为两大类：点测量式和图像测量式。前者一次采样只能测量一个方向上的偏振信息，因此容易受到环境的干扰、鲁棒性不强；最近的研究更侧重于图像测量式的偏振视觉传感器，因为它可以同时测量视角范围内的整个区域的偏振信息。文献(Design of a Device for Sky Light PolarizationMeasurements[J].WANG Y,HU X,LIAN J,et al.Sensors,2014,14(8):14916-14931.)中设计了基于鱼眼镜头和旋转偏振片的偏振光测量装置，它可以测量整个天空的偏振信息，然而，由于要手动旋转偏振片，该装置不能安装在动态载体上实时测量。因此，寻找一种可实时测量区域天空偏振模态的偏振视觉传感器具有重要的应用价值。为了提高其测量精度和鲁棒性，还需优化其结构设计、标定并补偿安装误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：如何实现基于四相机的偏振视觉传感器的结构设计、偏振片光轴方向设计、多相机间安装误差的补偿问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法，包括以下步骤：
(1)四目偏振相机结构设计
偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成，四个相机分布在正方形的顶点上，与直线排列相比，正方形的分布可以使得四相机重叠的视场最大，减小相机间的视差(图1所示)；四个相机由同步控制器触发采样，保证相机能够同步采集数据；相机采集的数据由千兆网经交换机传送给计算机，而后进行偏振态解算(图3所示)；
(2)偏振片光轴方向设计
四个偏振片固定在镜头的后面、CCD传感器前面，偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°的角度安装(图2所示)；偏振片的这种安装方向使得偏振态求解时的误差最小；另外，冗余的配置保证了偏振相机的可靠性，当任一相机故障时，系统仍可正常工作；
(3)偏振态求解
对于一束偏振光，它的参数可以通过三次不相关的测量估计出来；本发明中的偏振视觉传感器属于冗余配置，在进行偏振态解算时可以利用最小二乘估计获得最优的估计值如下，
其中，s0、s1、s2为偏振光的斯托克斯参数，D0和F分别为：
其中fj为经过校正后的第j个相机的亮度值，φj是第j个偏振片的光轴方向相对于参考方向的夹角；
(4)多相机几何标定。
作为本发明的进一步改进，步骤(4)中所述的多相机几何标定方法为：
(a)单独标定各个相机的内参数cam＝[f；c；α；k]10×1，并建立各相机间的几何约束
其中，f2×1为焦距，c2×1为光轴的中心，α为倾斜因子，k5×1为镜头的畸变参数，om3×1为罗得里格斯参数，它定义了三维空间中的一个旋转矢量，t3×1表示一个三维空间中的平移矢量；
(b)定义全局的待估计的参数：
其中相机的个数为4，Nview为每个相机拍摄的图片的个数；
(c)对于世界坐标系中的一个特征点Xw，建立其在图像中投影方程：
计算雅可比矩阵J，它由投影方程对各个参数的一阶导数构成；
(d)估计参数误差δp＝(JTJ)-1JTe，为了减小由线性化引入的误差，提高参数估计精度，利用Gauss-Newton迭代求解。
附图说明
图1为本发明中基于四相机的偏振视觉传感器结构设计图；
图2偏振视觉传感器实物图及偏振片光轴方向示意图；
图3四相机同步采集系统流程图；
图4偏振视觉传感器几何标定算法流程图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明涉及的一种偏振视觉传感器结构设计与几何标定方法，该方法首先设计了基于四相机的偏振视觉传感器的结构以及四个偏振片的安装位置及方向(图1、图2所示)，然后设计了基于最小二乘的偏振态求解算法，最后设计了基于平面特征的多相机几何标定方法。
本发明的具体内容包括：
1.偏振相机结构设计
偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成，四个相机分布在正方形的顶点上，与直线排列相比，正方形的分布可以使得四相机重叠的视场最大，减小相机间的视差(图1所示)；四个相机由同步控制器触发采样，保证相机能够同步采集数据；相机采集的数据由千兆网经交换机传送给计算机，而后进行偏振态解算(图3所示)。
2.偏振片光轴方向设计
四个偏振片固定在镜头的后面、CCD传感器前面，偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°的角度安装(图2所示)；偏振片的这种安装方向使得偏振态求解时的误差最小；另外，冗余的配置保证了偏振相机的可靠性，当任一相机故障时，系统仍可正常工作。
3.偏振态求解
对于某一方向的入射光，它的三个参数(I,d,φ)可以通过三次不相关的测量估计出来，因此需要将偏振片的光轴方向分布在几个特定的方向。图2中的偏振视觉传感器在经过几何标定后，可以四个相机的像素点一一对应起来，对于某一入射光P，四个相机的响应可以用下式描述：
fj(φ)＝KI[1+dcos(2φ-2φj)],j＝1,2,3,4 (1)
式中，fj为经过校正后的第j个相机的亮度值，K为相机的增益系数，I为入射光的光强，d为偏振度，φ为入射光的偏振方向与参考轴的夹角，φj是第j个偏振片的光轴方向相对于参考方向的夹角。
本发明中的偏振视觉传感器属于冗余配置，在进行偏振态测量时可以利用最小二乘估计获得最优的估计值。对于j≥3的情况，将式(1)改写如下：
fj(φ)＝KIdcos2φcos2φj+KIdsin2φsin2φj+KI (2)
定义A0＝KId cos2φ、B0＝KId sin2φ、C0＝KI，则有：
fj(φ)＝A0cos2φj+B0sin2φj+C0 (3)
实际上A0、B0、C0分别与斯托克斯参数表达式中的s0、s1、s2相对应，在大气偏振光中，椭圆偏振分量通常可以忽略，因此忽略斯托克斯参量中的第四个参数s3。为求得A0、B0、C0的值，首先定义如下矩阵：
则的最小二乘估计由下式给出
入射光的偏振角和偏振度分别为：
4.多相机几何标定
每一个相机的内参数定义如下：
cam＝[f；c；α；k]10×1 (7)
式中，f2×1为焦距，c2×1为光轴的中心，α为倾斜因子，k5×1为镜头的畸变参数。
为了标定偏振视觉系统的参数，用偏振相机从多个不同的角度拍摄棋盘标定板，在此过程中，第1号相机在第k次曝光时相对世界坐标系的位置定义为：
式中om3×1为罗得里格斯参数，它定义了三维空间中的一个旋转矢量，t3×1表示一个三维空间中的平移矢量。
对于世界坐标系中的一个特征点Xw，其在图像中的坐标x可以通过投影方程得到：
各相机间的几何约束可以由刚体变换表示，第j个相机相对于第1个相机的位姿定义为：
根据刚体变换算法，第j个相机在第k次采样时相对于世界坐标系可以由(8)和(10)得到：
式中表示刚体变换算法。
在偏振相机的几何标定过程中，先独立地标定出各个相机的内参数camj，作为初始的迭代参数，然后再组成一个全局的待估计的参数
总的待估计参数的个数为10Ncam+6(Ncam-1)+6Nview，其中Ncam为相机的个数，Nview为每个相机拍摄的图片的个数。
由于参数误差δp的存在，使得根据投影方程计算得到的与相机采样得到的x略有差别。
x＝g(para+δp,Xw) (13)
结合(9)和(13)，可以得到投影误差为：
式中，J为雅可比矩阵，它由投影方程对各个参数的一阶导数构成。
式中，Jk＝[Jk1|Jk2|Jk3]
由式(14)可以估计出参数误差δp：
δp＝(JTJ)-1JTe (16)
为了减小由线性化引入的误差，提高参数估计精度，按如下Gauss-Newton估计方法进行迭代(图4所示)：
1)单独标定各个相机并初始化参数para，设定当前迭代次数i，特征点在世界坐标系中的坐标Xw,迭代停止的阈值cthreshold以及最大允许的迭代次数Nmax；
2)进入Gauss-Newton迭代程序，在迭代的过程中，计算雅可比矩阵并估计出参数误差δp；
3)如果达到了停止阈值cthreshold或者迭代次数已经大于Nmax，迭代终止并输出标定参数，否则继续迭代算法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种偏振视觉传感器结构设计及其几何标定方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)四目偏振相机结构设计
偏振视觉传感器主要由四个CCD(Charge-Coupled Device)相机、四个广角镜头、四个偏振片组成，四个相机分布在正方形的顶点上，与直线排列相比，正方形的分布可以使得四相机重叠的视场最大，减小相机间的视差；四个相机由同步控制器触发采样，保证相机能够同步采集数据；相机采集的数据由千兆网经交换机传送给计算机，而后进行偏振态解算；
(2)偏振片光轴方向设计
四个偏振片固定在镜头的后面、CCD传感器前面，偏振片的通光轴方向按照0°、45°、90°、135°的角度安装，偏振片的这种安装方向使得偏振态求解时的误差最小；另外，冗余的配置保证了偏振相机的可靠性，当任一相机故障时，系统仍可正常工作；
(3)偏振态求解
对于一束偏振光，它的参数可以通过三次不相关的测量估计出来；偏振视觉传感器采用冗余配置，在进行偏振态解算时可以利用最小二乘估计获得最优的估计值如下：
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其中，s0、s1、s2为偏振光的斯托克斯参数，即待求解的偏振态参数，D0和F分别为：
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其中fj为经过校正后的第j个相机的亮度值，φj是第j个偏振片的光轴方向相对于参考方向的夹角；
(4)多相机几何标定，通过以下步骤实现：
(a)单独标定各个相机的内参数cam＝[f；c；α；k]10×1，并建立各相机间的几何约束
其中，f2×1为焦距，c2×1为光轴的中心，α为倾斜因子，k5×1为镜头的畸变参数，om3×1为罗得里格斯参数，它定义了三维空间中的一个旋转矢量，t3×1表示一个三维空间中的平移矢量；
(b)定义全局的待估计的参数：
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其中相机的个数为4，Nview为每个相机拍摄的图片的个数；
(c)对于世界坐标系中的一个特征点Xw，建立其在图像中投影方程：
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计算雅可比矩阵J，它由投影方程对各个参数的一阶导数构成；
(d)估计参数误差δp＝(JTJ)-1JTe，为了减小由线性化引入的误差，提高参数估计精度，利用Gauss-Newton迭代求解。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |