CN107036579A - 一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其包含以下步骤：S1、标定液透镜变焦光学系统的焦距参数；S2、以第一双液体透镜焦距为自变量，确定出第二双液体透镜焦距以及系统总焦距随着第一双液体透镜焦距变化的关系式；S3、液透镜变焦光学系统对目标物体变焦成像，获得变焦图像对；S4、对变焦图像对中的目标物体的像点进行特征提取与匹配；S5、根据焦距值与特征匹配结果计算目标物体的空间深度信息。其优点是：运用双焦测量法克服了双目测量中大基线要求，只需获取两幅变焦图像以及两幅图像的焦距参数，具有处理速度快、实时性好的优点。

Description

一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，具体涉及一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法。

背景技术

双目立体视觉系统已经被广泛应用到工业检测、航拍测绘、机器人视觉等领域中，但当目标测量距离增大时，测量误差急剧上升，三维测量的结果不准确。当测量目标深度较大时，两相机之间的基线长度同数量级的增大。大基线下的立体视觉系统，体积增大，不便于微型控制等一些特殊场合的应用，同时，两幅立体图像的测量覆盖范围小，可测区域变小，同时受环境光照等的影响，图像对的纹理等特征信息会出现变化，影响立体匹配结果，致使巨大测量误差出现。

单目立体视觉是指，采用一个图像采集设备或采用同一光路上两个独立的图像采集设备，对空间物体从同一角度采集立体图像对，对两幅或多幅单目立体图像进行分析处理，根据空间点形成的多个像点的矢量位移、像素灰度值等不同，计算估计空间点的深度信息，实现三维描述。

基于双焦成像的立体视觉系统，是基于变焦的立体视觉方法中的特例。采用具有两个焦距的摄像装置，从单一观测点对目标实施同步拍摄，获得光轴重合的双焦立体图像对，并从中提取场景深度信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，用两个不同的焦距对物点成像，并通过图像匹配找到对应匹配点对，再结合相应的焦距值计算出物点的深度信息，即获得目标物体的相对位置。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其采用单目双焦法，所述的液透镜变焦光学系统包含第一双液体透镜以及第二双液体透镜，所述的目标相对定位方法包含以下步骤：

S1、标定液透镜变焦光学系统的焦距参数；

S2、以第一双液体透镜焦距为自变量，确定出第二双液体透镜焦距以及系统总焦距随着第一双液体透镜焦距变化的关系式；

S3、液透镜变焦光学系统对目标物体变焦成像，获得变焦图像对；

S4、对变焦图像对中的目标物体的像点进行特征提取与匹配；

S5、根据焦距值与特征匹配结果计算目标物体的空间深度信息。

上述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其中，所述的步骤S1中：

通过焦距仪对液透镜变焦光学系统的焦距参数进行标定。

上述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其中，所述的步骤S4具体包含：

S41、对变焦图像对的图像进行去噪、增强预处理后进行特征提取；

S42、根据提取出的图像特征点建立图像对中像点的相互关系。

上述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其中，所述的步骤S5具体包含：

通过目标物体深度值计算公式计算目标物体深度值，式中，x₁、y₁表示第一次变焦下目标像点在光学系统坐标系中的坐标值，x₂、y₂表示第二次变焦下目标像点在光学系统坐标系中的坐标值，f₁表示第一次变焦的焦距值、f₂表示第二次变焦的焦距值。

上述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其中，所述的步骤S41中：

采用SIFT算子完成目标物体像点的提取和匹配。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、运用双焦测量法克服了双目测量中大基线要求，只需获取两幅变焦图像以及两幅图像的焦距参数，具有处理速度快、实时性好的优点；2、体积小，非三角测量，便于凝视定点观测、隐藏与携带；3、图像利用率高，从同一观测点凝视拍摄，双焦立体图像对之间内容重叠度高；4、同步拍摄，受环境光照等因素干扰小便于实时图像采集。

附图说明

图1为本发明中单目液透镜变焦光学系统的组成原理图；

图2为本发明中单目液透镜变焦光学系统的简化光学关系示意图；

图3为本发明中单目双焦测量几何关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

由几何光学可知，在物距相同的条件下光学系统焦距不同所形成的像的高度和相应焦距值之间存在定量的关系。如果用两个不同的焦距对物点成像，并通过图像匹配找到对应匹配点对,再结合相应的焦距值就可以计算出物点的距离。

基于上述原理，本发明公开了一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，该变焦光学系统具有两片或以上的液透镜(液透镜数量根据实际所需变倍比及成像质量要求选择)，本实施例中，如图1所示，所述的单目液透镜变焦光学系统包含前固定组1、第一双液体透镜2、第二双液体透镜3、后固定组4、探测器5、以及成像处理单元6。其中，前固定组1为前置广角镜系统，承担入射光线大角度偏转，使出射角度在变焦元件可接纳的区间；第一双液体透镜2和第二双液体透镜3是变焦核心组件，通过电压改变液透镜界面曲率实现变焦与调焦过程，且满足整个光学系统共轭关系；后固定组4用于调整光学系统总焦距和后截距，以获得一定大小的图像，同时承担平衡整体像差的功能；探测器5用于接收待测目标物体的像；成像处理单元6用于输出显示图像并反馈焦距信息。

上述的目标相对定位方法采用单目双焦法，该方法具体包含以下步骤：

S1、标定单目液透镜变焦光学系统的焦距参数，具体的，液透镜焦距与电压存在一一对应关系，通过焦距仪对第一双液体透镜2、第二双液体透镜3焦距参数进行标定，液体透镜焦距f与电压V关系为：

式中，n_ILs为导电液体的折光率，n_Dod为绝缘液体的折光率，r为透镜筒的内半径，ε_r为介质层的介电常数，d为介质层的厚度，σ_Tfl-ILs，σ_Tfl-Dod和σ_ILs-Dod分别代表导电液体与绝缘层，绝缘液体与绝缘层以及导电液体与绝缘液体之间的界面张力；

S2、以第一双液体透镜2焦距为自变量，确定出第二双液体透镜3焦距以及系统总焦距随着第一双液体透镜2焦距变化的关系式；如图2所示，f_a'是第一双液体透镜2焦距，f_b'是第二双液体透镜3焦距，f₃'是后固定组4焦距，l₂是第二双液体透镜3的物距，l'₂是第二双液体透镜3的像距，l'是系统像距(后截距)，d₁是第一双液体透镜2与第二双液体透镜3的间距，d₂是第二双液体透镜3与后固定组4的间距。液透镜变焦系统变焦过程中d₁、d₂、l'、f₃'保持不变。通过改变f_a'，f_b'也随之改变，系统总焦距f'也跟着变化。

第二液透镜的物距：l₂＝f_a'-d₁ (2)

第二液透镜像距：

第二液透镜焦距：

系统总焦距：

S3、液透镜变焦光学系统对目标物体变焦成像，获得变焦图像对，具体的以不同焦距对目标物体两次变焦成像，如图3所示，目标物体是指待立体成像的观测目标，变焦图像对是指两次不同系统总焦距下拍摄的两幅图像。

S4、对变焦图像对中目标物体的像点进行特征提取与匹配，以获得双焦立体图像对中大量具有丰富特征的点的位置信息；

S5、根据焦距值与特征匹配结果计算目标物体的空间深度信息。

所述的步骤S4具体包含：

S41、对变焦图像对的图像进行去噪、增强预处理后进行特征提取，本实施例中，采用SIFT算子完成目标物体像点的提取和匹配，这是因为双焦图像对之间正存在着尺度变换关系，对于这样的特征，多尺度的特征提取方法有很强的特征点提取及匹配能力，采用SIFT算子检测特征点可以克服尺度变化带来的劣处，有效检测图像对之间的相同特征点，基于SIFT尺度不变性提取特征点，主要包括：检测尺度空间极值点、精确确定特征点位置、确定特征点主方向、SIFT特征向量的生成；

S42、在提取出的图像特征基础上，建立图像对中像点的相互关系，利用局部窗口之间灰度信息的相关程度，寻找图像对中灰度相似度最大的点位匹配候选点。

所述的步骤S5具体包含：

如图3所示，由于空间物点深度与其在不同焦距下成像位置和相应焦距值之间有关,故可通过在变焦图像对中找匹配点对,再由相应几何关系即可计算出物点的深度信息z₀；

式中，P(x₀，y₀，z₀)表示目标物点在光学系统坐标系中的坐标值，P’(x₁，y₁，z₁)是第一次变焦下的目标像点在光学系统坐标系中的坐标位置，P”(x₂，y₂，z₂)是第二次变焦下的目标像点在光学系统坐标系中的坐标位置；如图所示，成像平面是在xy平面上，所以z₁和z₂都是0。

联立关系式(6)和(7)，即可推得目标物体深度值计算公式：

双焦定位的关键是在提取出的图像特征基础上，建立图像对中像点的相互关系，得到空间点的视差结果。图像匹配方法正是建立特征对应关系的过程，是相对定位算法的核心。采用特征点提取方法在图像中获得丰富的特征点信息之后，可以通过基于灰度相似度的匹配方法获得特征点初始匹配结果。基于灰度相似度的匹配方法实质是利用了局部窗口之间灰度信息的相关程度，寻找图像对中灰度相似度最大的点位匹配候选点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其特征在于，采用单目双焦法，所述的液透镜变焦光学系统包含第一双液体透镜(2)以及第二双液体透镜(3)，所述的目标相对定位方法包含以下步骤：

S1、标定液透镜变焦光学系统的焦距参数；

S2、以第一双液体透镜(2)焦距为自变量，确定出第二双液体透镜(3)焦距以及系统总焦距随着第一双液体透镜(2)焦距变化的关系式；

S3、液透镜变焦光学系统对目标物体变焦成像，获得变焦图像对；

S4、对变焦图像对中的目标物体的像点进行特征提取与匹配；

S5、根据焦距值与特征匹配结果计算目标物体的空间深度信息。

2.如权利要求1所述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其特征在于，所述的步骤S1中：

通过焦距仪对液透镜变焦光学系统的焦距参数进行标定。

3.如权利要求1所述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包含：

S41、对变焦图像对的图像进行去噪、增强预处理后进行特征提取；

S42、根据提取出的图像特征点建立图像对中像点的相互关系。

4.如权利要求1所述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其特征在于，所述的步骤S5具体包含：

通过目标物体深度值计算公式计算目标物体深度值，式中，x₁、y₁表示第一次变焦下目标像点在光学系统坐标系中的坐标值，x₂、y₂表示第二次变焦下目标像点在光学系统坐标系中的坐标值，f₁表示第一次变焦的焦距值、f₂表示第二次变焦的焦距值。

5.如权利要求3所述的基于单目液透镜变焦光学系统的目标相对定位方法，其特征在于，所述的步骤S41中：

采用SIFT算子完成目标物体像点的提取和匹配。