CN105744258B - 一种单相机双目视觉传感器及其调试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相机双目视觉传感器，包括右反射镜、左反射镜、彩色环形结构光、外框架、摄相机，其中外框架包括可调支架、可调支架、摄相机安装槽、和底座。本发明以精密机械设计为基础，摄相机经过左右反射镜成像形成光轴垂直的两个虚拟相机，彩色环形结构光使测量物体表面形成连续的彩色光模式。相当于在双目视觉技术中，用两个摄相机在不同方向拍摄获得目标物体特征。本发明还公开了一种单相机双目视觉传感器调试方法。本发明采用单相机结合左右反射镜和彩色环形结构光的创新结构，极大程度上降低了由于双摄相机固有内参的差异对三维重构的影响，简化实时运算实现了更好的三维重构的时间同步性。

Description

一种单相机双目视觉传感器及其调试方法
技术领域
本发明公开了一种单相机双目视觉传感器及其设计方法，属于计算机视觉技术领域。
背景技术
传统的双目视觉传感器是基于视差原理，利用两台交叉摆放的摄相机从不同角度观察同一被测物体，获取同一物体特征点的图像坐标，来完成目标点的三维测量。但该方法存在一定的缺点：一方面，对于动态测量来说，由于两台摄相机的工作状态不可能完全同步从而降低了测量精度；另一方面，对于某些场合，由于对视觉传感器的体积及重量要求严格，两台摄相机组成的视觉传感器难以满足要求。
单摄相机在不同时刻从不同角度获取被测物体的两幅图，以此来获得立体视差双目视觉三维测量。虽然只使用一台摄相机，但在测量过程中需要不断移动，难以进行实时的在现测量，实时同步性差。
单摄相机结合平面反射镜构成的双目视觉系统安装灵活，系统的配置只需要一个摄相机和两块反射镜，实时同步性良好，仅需要获取一幅图像，减少了工作量，提高了效率。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种单相机双目视觉传感器及其调试方法，以一个摄相机和两块反射镜为主体，以计算机视觉测量为核心的双目视觉设计方式，实现了双目立体视觉技术，从而实现三维重构。且本发名配备上彩色环形结构光能够使系统获得更多的目标物体特征，从而简化计算，和同步实时性良好；
本发明的技术解决方案是：
一种单相机双目视觉传感器，包括右反射镜、左反射镜、外框架4、摄相机，
所述左反射镜与右反射镜左右对称地相交于所述外框架上，其相交夹角为60°-90°，长为15-20cm，宽为5-10cm；
所述的摄相机相隔一定距离安装于左反射镜与右反射镜夹角平分线所在平面上，且其光轴对着左反射镜与右反射镜相交线的中心位置；
所述摄相机经过右反射镜形成一个虚拟摄相机，经过左摄相机形成另外一个虚拟摄相机，两个虚拟摄相机构成传统双目立体视觉摄相机，从而实现三维重构。
进一步地，还包括彩色环形结构光，所述的彩色环形结构光位于左反射镜与右反射镜垂直下方，其中心与左反射镜、右反射镜镜形成的三角结构中心在一条直线上，使测量物体表面形成连续的彩色光模式。
进一步地，所述的外框架包括底座，垂直设置在所述底座上的反射镜可调支架、用于支撑摄相机的摄相机可调支架、用于固定摄相机的摄相机安装槽，底座均为钢制材料，用于固定反射镜可调支架和彩色环形结构光。
外框架结构灵活，高度可调，所述的摄相机可调支架为钢质材料，调整它的长度，可以改变摄相机的高度，同时摄相机可调支架可以移动从而改变摄相机与左、右反射镜的距离；
进一步地，所述的反射镜可调支架上还设置有用于调节左反射镜与右反射镜的夹角的反射镜连接部，所述的反射镜可调支架为钢质材料，调整它的反射镜连接部，可以改变左、右反射镜的夹角；
进一步地，所述摄相机安装槽的侧面设置有方便手动旋转调整摄相机5焦距的镂空结构。
一种如所述单相机双目视觉传感器的调试方法，包括步骤：
步骤1、在设定坐标系中根据摄相机、假设物体及任一反射镜上物体反射点的坐标值求得该反射镜法线斜率K1；
步骤2、以假设物体坐标为圆心，以该圆心到步骤1中所述反射镜的距离d为半径画圆，使另一反射镜过步骤1中所述反射面的上端点外切于所画的圆，得到另一反射镜的法线的斜率K2
步骤3、根据所述K1、K2得出左反射镜与右反射镜所成的角度α：
α＝π+arctan(K1)-arctan(K2)。
进一步地，还包括步骤：步骤4、根据左反射镜、右反射镜所形成的角度α和假设物体位置，将彩色环形结构光放置在目标物的正下方位置，其中心与左反射镜1、右反射镜2镜形成的三角结构中心在一条直线上。
进一步地，将摄相机安装在设定坐标系原点处，假设物体坐标为(0，y1),任一反射镜上物体的反射点坐标为(x2,y2)，由于要组成正交的虚拟双目视觉系统，所以y2＝y1+x2，则求得任一反射镜的法线的斜率K1为：
进一步地，所述步骤2中，假设所画的圆与另一镜面相切于点(x3,y3)，则斜率K2为：
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
一、采用单摄相机结合左右反射镜加彩色环形结构光的创新结构，传感器结构得到简化。摄相机与反射镜之间的距离可远远小于双目视觉中两台摄相机之间的实际距离，利于传感器的小型化设计。
二、采用单摄相机结合左右反射镜加彩色环形结构光的创新结构，彩色环形结构光使测量物体表面形成连续的彩色光模式。使被测物体的视差更大，简化计算，减少计算机视觉处理技术的工作量，提高效率。
三、由单摄相机虚拟出的两台摄相机完全相同，其焦距、镜头畸变、光学响应、像元大小等参数也完全相同避免了传统双目两幅图像的严格同步要求，仅需要获取一幅图像，减少了工作量，提高了效率；
附图说明
图1为本发明传感器的组成示意图。
图2为本发明传感器的外框架组成示意图。
图3为本发明传感器的原理结构模型示意图。
图中所示为：1-左反射镜；2-右反射镜；3-彩色环形结构光；4-外框架；5-摄相机；6-摄相机可调支架；7-反射镜可调支架；8-摄相机安装槽；9-底座；10-第一虚拟摄相机；11-第二虚拟摄相机；12-假设物体。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1和图2所示，一种单相机双目视觉传感器，包括右反射镜2、左反射镜1、外框架4、彩色环形结构光3、摄相机5，所述左反射镜1与右反射镜2左右对称地相交于所述外框架4上，其相交夹角为60°-90°，长为15-20cm，宽为5-10cm；所述的摄相机5相隔一定距离安装于左反射镜1与右反射镜2夹角平分线所在平面上，且其光轴对着左反射镜1与右反射镜2相交线的中心位置；所述的彩色环形结构光3位于左反射镜1与右反射镜2垂直下方，其中心与左反射镜1、右反射镜2镜形成的三角结构中心在一条直线上，使测量物体表面形成连续的彩色光模式。
所述的外框架4包括底座9，垂直设置在所述底座9上的反射镜可调支架7、用于支撑摄相机5的摄相机可调支架6、用于固定摄相机5的摄相机安装槽8，底座9均为钢制材料，用于固定反射镜可调支架7和彩色环形结构光3。
外框架4结构灵活，高度可调，所述的摄相机可调支架6为钢质材料，调整它的长度，可以改变摄相机的高度，同时摄相机可调支架6可以移动从而改变摄相机与左、右反射镜的距离；
所述的反射镜可调支架7上还设置有用于调节左反射镜1与右反射镜2的夹角的反射镜连接部，所述的反射镜可调支架7为钢质材料，调整它的反射镜连接部，可以改变左、右反射镜的夹角；
所述摄相机安装槽8的侧面设置有方便手动旋转调整摄相机5焦距的镂空结构。
所述摄相机5经过右反射镜2形成第一虚拟摄相机10，经过左反射镜1形成另外第二虚拟摄相机11，两个虚拟摄相机构成传统双目立体视觉摄相机，从不同角度采集具有视差的目标物体图像，从而实现三维重构。
如图3所示，一种如所述单相机双目视觉传感器的调试方法，包括步骤：
步骤1、在设定坐标系中根据摄相机5、假设物体12及左反射镜1上物体反射点的坐标值求得该反射镜法线斜率K1，将摄相机5安装在设定坐标系原点处，假设物体12坐标为(0，y1),左反射镜1上物体的反射点坐标为(x2,y2)，由于要组成正交的虚拟双目视觉系统，所以y2＝y1+x2，则求得任一反射镜的法线的斜率K1为：
步骤2、以假设物体12坐标为圆心，以该圆心到左反射镜1的距离d为半径画圆，使右反射镜2外切于所画的圆于点(x3,y3)，得到右反射镜2的法线的斜率K2为：
步骤3、根据所述K1、K2得出左反射镜1与右反射镜2所成的角度α：
α＝π+arctan(K1)-arctan(K2)； (3)
步骤4、根据左反射镜1、右反射镜2所形成的角度α和假设物体12位置，将彩色环形结构光3放置在目标物的正下方位置，其中心与左反射镜1、右反射镜2镜形成的三角结构中心在一条直线上。
使用的摄相机5为德国映美精公司生产的黑白工业摄相机，具体型号为DMK72AUC02。
本发明以精密机械设计为基础，以计算机视觉测量为核心，结合工业现场环境要求，设计出可在线使用的精密测量仪器；摄相机4经过左反射镜1、右反射镜2成像形成光轴垂直的两个虚拟相机，彩色环形结构光3使测量物体表面形成连续的彩色光模式。计算机控制摄相机5拍摄目标物体，并对图像进行处理。相当于在双目视觉技术中，用两个摄相机3在不同方向拍摄获得目标物体特征。本发明采用单相机结合左反射镜1、右反射镜2和彩色环形结构光3的创新结构，极大程度上降低了由于双摄相机固有内参的差异对三维重构的影响，简化实时运算实现了更好的三维重建的时间同步性。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单相机双目视觉传感器的调试方法，所述单相机双目视觉传感器包括右反射镜(2)、左反射镜(1)、外框架(4)、摄像机(5)，所述左反射镜(1)与右反射镜(2)左右对称地相交于所述外框架(4)上，其相交夹角为60°-90°，长为15-20cm，宽为5-10cm；所述的摄像机(5)相隔一定距离安装于左反射镜(1)与右反射镜(2)夹角平分线所在平面上，且其光轴对着左反射镜(1)与右反射镜(2)相交线的中心位置；还包括彩色环形结构光(3)，所述的彩色环形结构光(3)位于左反射镜(1)与右反射镜(2)垂直下方，其中心与左反射镜(1)、右反射镜(2)镜形成的三角结构中心在一条直线上；所述的外框架(4)包括底座(9)，垂直设置在所述底座(9)上的反射镜可调支架(7)、用于支撑摄像机(5)的摄像机可调支架(6)、用于固定摄像机(5)的摄像机安装槽(8)；所述的反射镜可调支架(7)上还设置有用于调节左反射镜(1)与右反射镜(2)的夹角的反射镜连接部；所述摄像机安装槽(8)的侧面设置有方便手动旋转调整摄像机(5)焦距的镂空结构，其特征在于，包括步骤：
步骤1、在设定坐标系中根据摄像机(5)、假设物体(12)及任一反射镜上物体反射点的坐标值求得该反射镜法线斜率K1；
步骤2、以假设物体(12)坐标为圆心，以该圆心到步骤1中所述反射镜的距离d为半径画圆，使另一反射镜外切于所画的圆，得到另一反射镜的法线的斜率K2；
步骤3、根据所述K1、K2得出左反射镜(1)与右反射镜(2)所成的角度α：
α＝π+arctan(K1)-arctan(K2)。
2.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，还包括步骤：步骤4、根据左反射镜(1)、右反射镜(2)所形成的角度α和假设物体(12)位置，将彩色环形结构光(3)放置在目标物的正下方位置，其中心与左反射镜(1)、右反射镜(2)镜形成的三角结构中心在一条直线上。
3.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：将摄像机(5)安装在设定坐标系原点处，假设物体(12)坐标为(0，y1),任一反射镜上物体的反射点坐标为(x2,y2)，由于要组成正交的虚拟双目视觉系统，所以y2＝y1+x2，则求得任一反射镜的法线的斜率K1为：
4.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述步骤2中，假设所画的圆与另一镜面相切于点(x3,y3)，则斜率K2为：
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