CN109274954B

CN109274954B - 一种小凹单目立体成像系统

Info

Publication number: CN109274954B
Application number: CN201811259467.2A
Authority: CN
Inventors: 常军; 武楚晗; 张晓芳; 黄一帆
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: CN109274954A

Abstract

本发明公开一种小凹单目立体成像系统，包括成像模块，小凹模块，探测器和计算模块；成像模块对目标场景成像得到中间像；小凹模块在沿光轴的两个不同位置对中间像的目标区域分别成像；探测器采集小凹模块所成的两个图像a和b，寻找两个图像中相同的像点，以图像a为基准，计算此像点在探测器上位于图像a与图像b的坐标的差值，即获得目标区域的视差信息；计算模块根据所述视差信息和小凹模块的位置信息解算出目标区域的三维空间坐标，最终实现目标区域的立体成像，本发明能够克服单目立体视觉技术操作复杂，信息利用率低的问题，实现高效快速、有针对性地单目立体成像的效果。

Description

一种小凹单目立体成像系统

技术领域

本发明属于光学仪器的技术领域，具体涉及一种小凹单目立体成像系统。

背景技术

常用的实现立体视觉的技术主要是双目方案，但是其需要两个相机，同时要具有极好的光轴平行度，所以在调试阶段比较麻烦。除此之外，还有一种单目立体视觉方案也有所发展，主要原理是通过改变镜头焦距，调整光学系统等效中心，使其在沿着中心方向上产生位移，进而在探测器上使同一物点的位置发生变化，产生视差。所以这种方案一般需要使用变焦镜头，计算中心点位置，操作比较麻烦；再者实际情况中，并不是时刻都需要对全部场景进行立体成像。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小凹单目立体成像系统，能够克服单目立体视觉技术操作复杂，信息利用率低的问题，实现高效快速、有针对性地单目立体成像的效果。

实现本发明的技术方案如下：

一种小凹单目立体成像系统，包括成像模块，小凹模块，探测器和计算模块；

成像模块对目标场景成像得到中间像；

小凹模块在沿光轴的两个不同位置对中间像的目标区域分别成像；

探测器采集小凹模块所成的两个图像a和b，寻找两个图像中相同的像点，以图像a为基准，计算此像点在探测器上位于图像a与图像b的坐标的差值，即获得目标区域的视差信息；

计算模块根据所述视差信息和小凹模块的位置信息解算出目标区域的三维空间坐标，最终实现目标区域的立体成像。

进一步地，计算模块的解算过程具体为：根据图像a所对应的小凹模块沿光轴的位置，解算图像a中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布为一条空间直线，再根据视差信息和图像b所对应的小凹模块沿光轴的位置解算图像b中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布也为一条空间直线，最终根据每个物点的两条空间直线唯一确定其准确位置。

进一步地，小凹模块和探测器能够通过机械控制移动，在对目标区域进行立体成像之前，将小凹模块移出光轴，并将探测器置于中间像位置观察中间像，确定目标区域。

进一步地，小凹模块由液晶空间光调制器实现。

进一步地，探测器为CCD电荷耦合元件或者CMOS互补金属氧化物半导体。

进一步地，计算模块由计算机、具有图像处理功能的FPGA现场可编程门阵列或者DSP数字信号处理器实现。

有益效果：

1、本发明系统，对比已有技术，解决了传统单目立体视觉方案的操作难，信息利用率低的问题，具有高效快速、有针对性立体成像的效果。

2、本发明在视差信息记录的过程中，采用小凹单目立体成像采集方式，相比传统方案，能够降低操作复杂度，同时系统中存在的中间像位置又可以用于成像前的整体观察。

3、本发明在解算三维空间坐标的过程中，由于小凹具有局部高分辨特性，所以只使用了部分像素，且对感兴趣区域获得了更多细节，相比于传统方案，提高了信息利用率，减少了计算成本。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

小凹成像技术可以使光学系统实现全视场清晰、局部高分辨成像，一般可以使用液晶空间光调制器(SLM)或者光学系统设计实现，结合单目立体视觉技术，为解决变焦系统操作上的麻烦我们以SLM实现小凹，只需要简单的移动SLM即可；另外由于小凹技术本身可以实现局部高分辨，所以可以集中像素资源和计算资源于感兴趣区域。

本发明提供了一种小凹单目立体成像系统，包括成像模块，小凹模块，探测器和计算模块；

成像模块对目标场景成像得到中间像；

计算模块根据图像a所对应的小凹模块沿光轴的位置，解算图像a中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布为一条空间直线，再根据视差信息和图像b所对应的小凹模块沿光轴的位置解算图像b中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布也为一条空间直线，最终根据每个物点的两条空间直线唯一确定其准确位置。

整体系统原理如图1所示。首先成像镜头将对整体场景进行成像得到中间像，其中感兴趣的目标区域也在中间像图像中，其中成像镜头可以是任何具有成像功能的镜头，其具体参数需要依据要求而定，而后将场景成像至系统中的中间像位置；对于小凹单目立体成像系统，中间像可以视为新的被观测场景，经过小凹模块的光线被成像至探测器上，通过沿着光轴移动小凹模块的位置，可以将同一个中间像点成像至探测器，注意探测器一直处于可使用焦深范围内，这样就使得同一个中间像像点在不同的小凹位置情况下产生视差，其中小凹模块由SLM调制实现，其可以在三维方向运动；探测器在小凹模块处于不同位置时分别采集图像信息，并传输给计算模块，探测器可以根据具体系统要求和成本选定为CCD或者CMOS；计算模块根据记录下的视差信息，以及小凹的位置信息和光学系统参数，进一步解算出目标区域的三维空间坐标，最终实现立体视觉的效果，计算模块可以是计算机，也可以是具有图像处理功能的FPGA或者DSP。

其中设置中间像位置是为了得到小凹模块的中心位置，方便解算，解决传统单目方案中中心位置的确定问题。另外中间像位置的设定也可用于立体成像前观察，操作如下：小凹单目立体成像系统和探测器能够通过机械控制移动，先将小凹模块移出成像光路，然后将探测器通过机械控制置于中间像位置可以实现对整体场景的观察，而后寻找到感兴趣区域，再恢复光路至图一中所示，此时再重复前述的工作实现对感兴趣区域的立体成像。

另外小凹设备具有全视场清晰、局部高清成像的特点，所以对于感兴趣区域可以利用更多像素成像，提高分辨率，记录更多物体细节，相比传统方案，可以提高信息利用率，减少后续的计算复杂度，同时计算方法不同于传统方案，区别在于只使用探测器的部分像素。

实施例1

成像镜头对包含观察者感兴趣的目标区域的整体场景进行成像，此镜头可以是具有成像功能的任何镜头，具体参数指标依照要求而定，系统存在一个中间像位置，此时小凹模块通过机械控制先移出光路，将探测器置于中间像位置，观察者可以对整体场景进行观察，选择好目标区域之后，将小凹模块移至中间像位置对目标区域成像，并通过机械控制将探测器移回小凹模块的焦平面位置，如图一所示，此时中间像上的光线再次通过小凹模块，探测器接收并传递给计算模块，随后轴向移动小凹模块，探测器再次接收并传递给计算模块，计算模块根据两次记录下的图像信息和小凹模块位置信息对目标区域三维坐标进行还原，最终实现小凹单目立体成像。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种小凹单目立体成像系统，其特征在于，包括成像模块，小凹模块，探测器和计算模块；

成像模块对目标场景成像得到中间像；

计算模块根据所述视差信息和小凹模块的位置信息解算出目标区域的三维空间坐标，最终实现目标区域的立体成像；

所述计算模块的解算过程具体为：根据图像a所对应的小凹模块沿光轴的位置，解算图像a中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布为一条空间直线，再根据视差信息和图像b所对应的小凹模块沿光轴的位置解算图像b中每个像点所对应物点在空间中可能存在的位置分布，每个物点的位置分布也为一条空间直线，最终根据每个物点的两条空间直线唯一确定其准确位置。

2.如权利要求1所述的一种小凹单目立体成像系统，其特征在于，小凹模块和探测器能够通过机械控制移动，在对目标区域进行立体成像之前，将小凹模块移出光轴，并将探测器置于中间像位置观察中间像，确定目标区域。

3.如权利要求2所述的一种小凹单目立体成像系统，其特征在于，小凹模块由液晶空间光调制器实现。

4.如权利要求1所述的一种小凹单目立体成像系统，其特征在于，探测器为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体。

5.如权利要求1所述的一种小凹单目立体成像系统，其特征在于，计算模块由计算机、具有图像处理功能的现场可编程门阵列或者数字信号处理器实现。