CN105635720A - 一种双镜头单传感器的立体视觉摄像机 - Google Patents

一种双镜头单传感器的立体视觉摄像机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双镜头单传感器的立体视觉摄像机。该摄像机包括壳体和两个镜头；壳体内设有光线采集模块，核心图像处理模块和两个图像数据传输通讯模块。目标的光线通过两个镜头进入光线采集模块，然后经光线采集模块内部的全反射棱镜反射至同一个图像传感器上。核心图像处理板上的FPGA芯片可以将传感器采集到的数据分割成左右两部分并进行图像预处理，并选择性地将图像数据存储在固态硬盘内或经USB3.0接口传输至计算机进行分析。本发明通过两个光线反射单元，将两个镜头的光线聚焦在同一个图像传感器上，节省了一个图像传感器，降低了双目立体视觉系统的成本，减小了双目立体视觉系统的体积；通过硬件来解决采集同步的问题，使测量效率得到了提高。

Description

一种双镜头单传感器的立体视觉摄像机
技术领域
本发明属于机器视觉领域，尤其涉及一种双镜头单传感器立体视觉摄像机。
背景技术
机器视觉技术按照采用的摄像机个数可以分为单目视觉技术、双目视觉技术与多目视觉技术。美国麻省理工学院在20世纪80年代提出的基于视差的三维信息提取理论，奠定了双目视觉发展的理论基础。它是基于视差原理，并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。相比多目立体视觉，双目立体视觉技术捕获信息的方式更加简单，实际应用更加方便，而且与人眼相似，符合人们的认知和学习习惯，有利于人们的使用和研究，业已成为立体视觉领域重要的研究对象。
目前，基于视差理论的双目立体视觉系统一般利用两个摄像机采集二维平面信息，提取外界目标或环境的三维坐标信息。其拍摄的视频内容包含两个角度的视频，在显示时通过3D呈像设备分别送到观看者的两个眼睛中，观看者即可产生亲临现场的立体视觉。
传统的双目立体视觉系统一般利用两个摄像机采集信息，这样组成的双目立体视觉系统体积大、测量效率低、最不方便的还是图像采集需人为同步，难度较大。
发明内容
为了克服背景技术中双目立体视觉系统中存在的问题，本发明提供了一种双镜头单传感器立体视觉摄像机，此摄像机具有双镜头单CMOS图像传感器，降低了双目视觉系统的摄像机使用成本；两个镜头平行放置，可以轻松组成平行光轴的双目立体视觉系统，解决了双目视觉系统的体积大的缺点，通过硬件来解决采集同步的问题，使测量效率得到了提高。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种双镜头单传感器立体视觉摄像机，包括壳体；所述壳体的前端固定连接有第一镜头和第二镜头；所述第一镜头和第二镜头后装有滤光片，用于过滤掉非目标光线；壳体的内部设有光线采集模块、核心图像处理板、第一图像数据传输通讯板和第二图像数据传输通讯板；所述光线采集模块固定在壳体内部的前端，光线采集模块与核心图像处理板之间通过第一板对板连接器连接；所述第一图像数据传输通讯板通过第二板对板连接器与核心图像处理板相连，第二图像数据传输通讯板通过第三板对板连接器与核心图像处理板相连；
所述光线采集模块内嵌有第一全反射棱镜、第二全反射棱镜、第三全反射棱镜、第四全反射棱镜、隔光板和CMOS图像传感器；其中，所述第一全反射棱镜设置在第一镜头后方，第三反射棱镜的反射面与第一反射棱镜的反射面相对平行放置；第二全反射棱镜放在第二镜头后方，第四反射棱镜的反射面与第二反射棱镜的反射面相对平行放置；隔光板放置在第三全反射棱镜和第四全反射棱镜之间，用于将两侧的光线隔开；CMOS图像传感器放置在光线采集模块的正后方，隔光板将CMOS图像传感器分隔成两部分，上部分用于采集第三全反射棱镜反射过来的光线，下部分用于采集第四全反射棱镜反射过来的光线；
所述核心图像处理板上焊接有SDRAM芯片、FPGA芯片和固态硬盘；所述SDRAM芯片与FPGA芯片相连，它用来缓存图像数据，由FPGA芯片内部的逻辑进行控制；固态硬盘与FPGA芯片相连接，用于存储FPGA芯片处理后的图像数据；光线采集模块将采集到的图像数据经第一板对板连接器传输至FPGA芯片内部；第一图像数据传输通讯板上焊接有第一USB芯片，第二图像数据传输通讯板上焊接有第二USB芯片；第一USB芯片和第二USB芯片均与FPGA芯片连接，以便FPGA芯片将处理后的图像数据传输至第一USB芯片和第二USB芯片；所述第一图像数据传输通讯板后连接有第一USB接口，第一USB接口与第一USB芯片相连，第一USB接口用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第一USB接口向摄像机发送通讯命令；所述第二图像数据传输通讯板后连接有第二USB接口，第二USB接口与第二USB芯片相连，第二USB接口用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第二USB接口向摄像机发送通讯命令。
进一步的，所述第一镜头和第二镜头与壳体的均通过CS镜头接口连接，以保证镜头方便的可换性。
进一步的，所述第一全反射棱镜的反射面与第一镜头的轴线成45°角；所述第二全反射棱镜和第二镜头的轴线成45°角；第三全反射棱镜的反射面与CMOS图像传感器成45°角；所述第四全反射棱镜与CMOS图像传感器成45°角，以保证最后光线与镜头平行的方向传至CMOS图像传感器。
进一步的，所述第一板对板连接器、第二板对板连接器和第三板对板连接器均为40针广濑板。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明的双镜头单传感器立体视觉摄像机，具有两个镜头，却只有一个CMOS图像传感器，成功地使单个摄像机可以同时采集两幅不同的画面，可组成平行光轴双目立体视觉系统，单个此摄像机即可满足双目视觉系统的摄像机需求，降低了传统双目立体视觉系统的成本，解决了传统双目立体视觉系统体积大的缺点；通过嵌入式芯片，还进行了简单的图像分割处理，还依靠此嵌入式系统解决了双目视觉系统的同步采集问题，使测量效率得到了提高。
附图说明
图1为双镜头单传感器立体视觉摄像机的结构示意图；
图2为双镜头单传感器立体视觉摄像机图像处理的流程图；
图中：101、第一镜头，102、第二镜头，2、光线采集模块，201、第一全反射棱镜，202、第二全反射棱镜，203、第三全反射棱镜，204、第四全反射棱镜，21、隔光板，22、CMOS图像传感器，23、滤光片，3、核心图像处理板，30、SDRAM芯片，31、FPGA芯片，32、固态硬盘，401、第一板对板连接器，402、第二板对板连接器，403、第三板对板连接器，5、壳体，601、第一图像数据传输通讯板，602、第二图像数据传输通讯板，603、第一USB芯片，604、第二USB芯片，701、第一USB接口，702、第二USB接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种双镜头单传感器立体视觉摄像机，它包括壳体5；所述壳体5的前端固定连接有第一镜头101和第二镜头102；所述第一镜头101和第二镜头102后装有滤光片23，用于过滤掉非目标光线；壳体5的内部设有光线采集模块2、核心图像处理板3、第一图像数据传输通讯板601和第二图像数据传输通讯板602；所述光线采集模块2固定在壳体5内部的前端，光线采集模块2与核心图像处理板3之间通过第一板对板连接器401连接；所述第一图像数据传输通讯板601通过第二板对板连接器402与核心图像处理板3相连，第二图像数据传输通讯板602通过第三板对板连接器403与核心图像处理板3相连；
所述光线采集模块2内嵌有第一全反射棱镜201、第二全反射棱镜202、第三全反射棱镜203、第四全反射棱镜204、隔光板21和CMOS图像传感器22；其中，所述第一全反射棱镜201设置在第一镜头101后方，第三反射棱镜203的反射面与第一反射棱镜201的反射面相对平行放置；第二全反射棱镜202放在第二镜头102后方，第四反射棱镜204的反射面与第二反射棱镜202的反射面相对平行放置；隔光板21放置在第三全反射棱镜203和第四全反射棱镜204之间，用于将两侧的光线隔开；CMOS图像传感器22放置在光线采集模块2的正后方，隔光板21将CMOS图像传感器22分隔成两部分，上部分用于采集第三全反射棱镜203反射过来的光线，下部分用于采集第四全反射棱镜204反射过来的光线；
所述核心图像处理板3上焊接有SDRAM芯片30、FPGA芯片31和固态硬盘32；所述SDRAM芯片30与FPGA芯片31相连，它用来缓存图像数据，由FPGA芯片31内部的逻辑进行控制；固态硬盘32与FPGA芯片31相连接，用于存储FPGA芯片31处理后的图像数据；光线采集模块2将采集到的图像数据经第一板对板连接器401传输至FPGA芯片31内部；第一图像数据传输通讯板601上焊接有第一USB芯片603，第二图像数据传输通讯板602上焊接有第二USB芯片604；第一USB芯片603和第二USB芯片604均与FPGA芯片31连接，以便FPGA芯片31将处理后的图像数据传输至第一USB芯片603和第二USB芯片604；所述第一图像数据传输通讯板601后连接有第一USB接口701，第一USB接口701与第一USB芯片603相连，第一USB接口701用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第一USB接口701向摄像机发送通讯命令；所述第二图像数据传输通讯板602后连接有第二USB接口702，第二USB接口702与第二USB芯片604相连，第二USB接口702用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第二USB接口702向摄像机发送通讯命令。
所述第一镜头101和第二镜头102与壳体5的均通过CS镜头接口连接，以保证镜头方便的可换性。
所述第一全反射棱镜201的反射面与第一镜头101的轴线成45°角；所述第二全反射棱镜202和第二镜头102的轴线成45°角；第三全反射棱镜203的反射面与CMOS图像传感器22成45°角；所述第四全反射棱镜204与CMOS图像传感器22成45°角，以保证最后光线与镜头平行的方向传至CMOS图像传感器22。
所述第一板对板连接器401、第二板对板连接器402和第三板对板连接器403均为40针广濑板。
所述CMOS图像传感器可以采用镁光公司MT9M001型号的产品，但不限于此；所述FPGA芯片可以采用Altera公司EP4CE15F17C8N型号的产品，但不限于此；所述SDRAM芯片可以采用镁光公司MT48LC16M16A2P型号的产品，但不限于此；所述第一USB3.0芯片和第二USB3.0芯片可以采用Cypress公司CYUSB3014型号的产品，但不限于此。
如图2所示，本发明的工作过程如下：
目标物体光线分别经过通过第一镜头101和第二镜头102进入到光线采集模块。第一镜头101和第二镜头102后有滤光片23，可以在不需要某些光的情况下将其过滤掉，比如滤掉红外线，可提高图像的清晰度或者凸显出需要的部分等；第一镜头101和第二镜头102后均有光线传输单元，内置全反射棱镜，会将通过镜头的光线反射至CMOS图像传感器22，左右两个单元使用隔光板21隔开，以避免光线干扰。
然后摄像机上电后，FPGA31对摄像机CMOS图像传感器22进行IIC配置，控制CMOS图像传感器22的分辨率、帧频、曝光时间、增益等各项参数。
CMOS图像传感器22输出的图像数据由第一板对板连接器401传输至核心图像处理板3，之后被FPGA31采集，FPGA31通过CMOS图像传感器22的时钟信号、行有效和帧有效信号，判断出图像数据的像素位置。根据像素的列位置，将数据分成左右两部分。分开的左右两部分图像数据，在FPGA31内部使用IP核RAM-basedShiftregister(altshift_taps)进行CFA插值，将Bayer还原到RGB彩色格式。之后FPGA31分别统计左右图像数据中R、G、B像素的平均值，通过三组平均值判断当前图像亮度是否符合要求，如果图像亮度低于要求亮度，则提高CMOS图像传感器22的曝光时间和增益，如果图像亮度高于要求亮度，则降低CMOS图像传感器22的曝光时间和增益；由于FPGA31的blockRAM空间资源有限，上述的图像数据在FPGA31中处理的各个环节，需要用到外置大容量的SDRAM30作为图像处理过程中的数据缓存芯片。然后FPGA31将RGB格式的图像数据转换为YUV格式的图像数据。
进一步地，FPGA31可根据第一USB接口701或第二USB接口702传输过来的上位机的指令，选择性的将数据传输至上位机或者存储在固态硬盘32。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双镜头单传感器立体视觉摄像机，其特征在于：包括壳体(5)；所述壳体(5)的前端固定连接有第一镜头(101)和第二镜头(102)；所述第一镜头(101)和第二镜头(102)后装有滤光片(23)，用于过滤掉非目标光线；壳体(5)的内部设有光线采集模块(2)、核心图像处理板(3)、第一图像数据传输通讯板(601)和第二图像数据传输通讯板(602)；所述光线采集模块(2)固定在壳体(5)内部的前端，光线采集模块(2)与核心图像处理板(3)之间通过第一板对板连接器(401)连接；所述第一图像数据传输通讯板(601)通过第二板对板连接器(402)与核心图像处理板(3)相连，第二图像数据传输通讯板(602)通过第三板对板连接器(403)与核心图像处理板(3)相连；
所述光线采集模块(2)内嵌有第一全反射棱镜(201)、第二全反射棱镜(202)、第三全反射棱镜(203)、第四全反射棱镜(204)、隔光板(21)和CMOS图像传感器(22)；其中，所述第一全反射棱镜(201)设置在第一镜头(101)后方，第三反射棱镜(203)的反射面与第一反射棱镜(201)的反射面相对平行放置；第二全反射棱镜(202)放在第二镜头(102)后方，第四反射棱镜(204)的反射面与第二反射棱镜(202)的反射面相对平行放置；隔光板(21)放置在第三全反射棱镜(203)和第四全反射棱镜(204)之间，用于将两侧的光线隔开；CMOS图像传感器(22)放置在光线采集模块(2)的正后方，隔光板(21)将CMOS图像传感器(22)分隔成两部分，上部分用于采集第三全反射棱镜(203)反射过来的光线，下部分用于采集第四全反射棱镜(204)反射过来的光线；
所述核心图像处理板(3)上焊接有SDRAM芯片(30)、FPGA芯片(31)和固态硬盘(32)等；所述SDRAM芯片(30)与FPGA芯片(31)相连，它用来缓存图像数据，由FPGA芯片(31)内部的逻辑进行控制；固态硬盘(32)与FPGA芯片(31)相连接，用于存储FPGA芯片(31)处理后的图像数据；光线采集模块(2)将采集到的图像数据经第一板对板连接器(401)传输至FPGA芯片(31)内部；第一图像数据传输通讯板(601)上焊接有第一USB芯片(603)，第二图像数据传输通讯板(602)上焊接有第二USB芯片(604)；第一USB芯片(603)和第二USB芯片(604)均与FPGA芯片(31)连接，以便FPGA芯片(31)将处理后的图像数据传输至第一USB芯片(603)和第二USB芯片(604)；所述第一图像数据传输通讯板(601)后连接有第一USB接口(701)，第一USB接口(701)与第一USB芯片(603)相连，第一USB接口(701)用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第一USB接口(701)向摄像机发送通讯命令；所述第二图像数据传输通讯板(602)后连接有第二USB接口(702)，第二USB接口(702)与第二USB芯片(604)相连，第二USB接口(702)用于将图像数据传输至上位机，同时上位机经过第二USB接口(702)向摄像机发送通讯命令。
2.根据权利要求1所述的双镜头单传感器立体视觉摄像机，其特征在于，所述第一镜头(101)和第二镜头(102)与壳体(5)的均通过CS镜头接口连接，以保证镜头方便的可换性。
3.根据权利要求1所述的双镜头单传感器立体视觉摄像机，其特征还在于，所述第一全反射棱镜(201)的反射面与第一镜头(101)的轴线成45°角；所述第二全反射棱镜(202)和第二镜头(102)的轴线成45°角；第三全反射棱镜(203)的反射面与CMOS图像传感器(22)成45°角；所述第四全反射棱镜(204)与CMOS图像传感器(22)成45°角，以保证最后光线与镜头平行的方向传至CMOS图像传感器(22)。
4.根据权利要求1所述的双镜头单传感器立体视觉摄像机，其特征还在于，所述第一板对板连接器(401)、第二板对板连接器(402)和第三板对板连接器(403)均为40针广濑板。
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