CN109556574B - 一种基于小凹系统的位姿检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于小凹系统的位姿检测系统，包括标志点装置、成像镜头、小凹系统、探测器和计算设备；标志点装置固定于待检测元件的目标位置处；成像镜头对包含标志点装置和待检测元件的场景成像；小凹系统通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而对标志点装置进行局部放大成像；探测器采集小凹系统所成的图像信息；计算设备对探测器采集的图像进行解算，获得待检测元件的位姿信息，本发明能够解决位姿检测方案中成本高、调试难、系统复杂度高的问题，同时又实现高精度快速成像。

Description

一种基于小凹系统的位姿检测系统
技术领域
本发明属于机器视觉的技术领域，具体涉及一种基于小凹系统的位姿检测系统。
背景技术
用于位姿探测有如下机器视觉技术，单目方法，一般结合标定点；双目方法，结合各种双目匹配算法；激光扫描；结构光等等。其中后三种方法对硬件要求较高，单目方法有基于标定点和消失线的方案，但是精度一般不高，其中标定点方案通过解算位置关系得到了实际的三维坐标，而消失线方案是根据美术内的线条结构关系给出的估计，无法用于实际的位姿结算中。所以目前现有技术对于位姿探测没有实用性强低成本的解决办法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于小凹系统的位姿检测系统，能够解决位姿检测方案中成本高、调试难、系统复杂度高的问题，同时又实现高精度快速成像。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于小凹系统的位姿检测系统，包括标志点装置、成像镜头、小凹系统、探测器和计算设备；
标志点装置固定于待检测元件的目标位置处；
成像镜头对包含标志点装置和待检测元件的场景成像；
小凹系统通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而对标志点装置进行局部放大成像；
探测器采集小凹系统所成的图像信息；
计算设备对探测器采集的图像进行解算，获得待检测元件的位姿信息。
进一步地，标志点装置为三维结构，其数量为一个，计算设备的解算具体为：根据已知的标志点装置的三维结构和采集到的图像中的标志点装置的像的比对得到待检测元件的位姿信息。
进一步地，标志点装置为二维结构，其数量为三个以上，计算设备的解算具体为：首先通过小凹系统对不同位置的标志点装置进行成像，根据像的尺寸、标志点装置实际尺寸以及小凹系统的局部放大率计算出每个标志点装置位置的空间深度，并根据不同标志点装置的像的相对位置关系得到标志点装置间的空间相对位置，进而得到待检测元件的位姿信息。
进一步地，小凹系统通过液晶空间光调制器(SLM)或者光学组合系统实现。
进一步地，探测器为电荷耦合元件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)。
进一步地，计算设备由计算机、具有图像处理功能的现场可编程门阵列(FPGA)或者数字信号处理器实现(DSP)。
有益效果：
1、本发明系统能够降低常用位姿检测方案的系统复杂度和成本，提高单目视觉位姿检测方案的精度，具有信息利用率高、实用性强、成本低的效果。
2、本发明在标志点装置设置中，可以选择三维结构的标志点装置，亦可选择三个以上二维结构的标志点装置，不同形式的标志点装置均可借助小凹系统进行待测元件位姿信息的解算。
3、本发明在位姿信息解算的过程中，针对三维结构的标志点装置，采用了小凹成像技术对标志点装置实现局部高清成像，能够提高标志点的设计复杂度阈值，给予有用信息更多的像素支持，相比于传统单目视觉位姿检测方案，实现了分辨率的大幅提升，且提升能力可根据具体要求通过光学设计实现。
4、本发明在位姿信息解算的过程中，针对二维结构的标志点装置，对标志点装置进行局部高清成像，对标志点间的相对位置采用了全图像清晰区域进行解算，对局部高清区域内的有用信息基于更多的计算支持，而对于全图像清晰区域内的信息仅仅计算相互位置关系，实现了计算资源的合理高效分配。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
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。
小凹光学系统是实现全图像清晰，局部高分辨的方案之一，其成本低，实用性高，设计灵活是其主要特点。本发明将小凹光学系统和单目方法相结合，解决位姿检测方案中成本高、调试难、系统复杂度高的问题，同时又实现高精度快速成像。本方案是小凹光学系统的一次应用创新，首次将其用至位姿检测领域，为位姿检测提供了更具实用性的新技术方案。
本发明提供了一种基于小凹系统的位姿检测系统，包括标志点装置、成像镜头、小凹系统、探测器和计算设备；
标志点装置固定于待检测元件的目标位置处；
成像镜头对包含标志点装置和待检测元件的场景成像；
小凹系统通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而对标志点装置进行局部放大成像；
探测器采集小凹系统所成的图像信息；
计算设备对探测器采集的图像进行解算，获得待检测元件的位姿信息。
标志点装置为三维结构，其数量为一个，计算设备的解算具体为：根据已知的标志点装置的三维结构和采集到的图像中的标志点装置的像的比对得到待检测元件的位姿信息(常用的方法为四元法等解析算法)。
标志点装置为二维结构，其数量为三个以上，计算设备的解算具体为：首先通过小凹系统对不同位置的标志点装置进行成像，根据像的尺寸、标志点装置实际尺寸以及小凹系统的局部放大率计算出每个标志点装置位置的空间深度，并根据不同标志点装置的像的相对位置关系得到标志点装置间的空间相对位置，进而得到待检测元件的位姿信息。
本发明首先在待测元件上安装标志点装置，其结构可以是六点三维，也可以是其它方案，取决于具体的技术需求和参数要求；而后，成像镜头对装有标志点装置的待测元件进行成像，此成像镜头可以是任何具有成像功能的镜头，具体参数如焦距、F数等可以依据具体要求而设计；随后是小凹系统，可以通过液晶空间光调制器(SLM)或者光学组合系统设计实现，并根据要求的小凹位置、大小和放大率确定所需要调整的参数数值，对于光学组合系统设计方案这些参数可以是透镜曲率、厚度、位置等等参数，对于SLM可以是调制信号组合的改变，场景图像经过小凹实现系统后获得了具有光学局部高清成像的图像；接着探测器接收此图像，探测器可以根据系统成本要求和技术需求选择为CCD或者CMOS等设备；最终探测器将接收到的图像信号传输给计算设备，解算出最终的目标位姿参数。
本发明方案相对于传统单目视觉标志点方案之所以能够解决其精度低的问题在于，传统单目方案所使用的成像设备中只具有成像镜头，所以图像放大率相同，而场景中标志点一般只占场景很小的区域，所以对于传统方案这种“一视同仁”的做法，信息利用率极低，同时分辨率低；而小凹系统可以实现全图像清晰、局部高分辨的特点，这一特点又刚好和单目视觉标志点方案完美地结合，可以设置标志点区域为感兴趣区域，实现局部放大，同时全图像高清又使之不丢失像素间的位置关联，因而可以提高信息利用率，为需要结算的探测器装置目标提供更多的像素单元支持，提高分辨率，进而提高计算精度。同时高清也意味着可以设计更加复杂的标志点装置用于位姿检测；另外对于不同的应用场景，可能同一物体拥有多个标志点装置，而一个标志点装置上可能拥有不同数个目标点，此数目一般大于3。
另外对于探测器收集到的信息，在计算设备上所用的解算算法不同于传统的解算算法，因为传统单目视觉位姿检测方案中所用的图像具有相同的放大率，而小凹光学成像系统将图像分为原始放大率区域和局部高清区域(实际还包含放大率突变区域，但是放大率突变区域一般范围较小，另外在本方案中，所使用的小凹实现系统可以通过适当调整将标志点元件全部成像至局部高清区域，所以此处可以忽视其作用)，这样计算方法应该包含两个部分，一个是解算局部高清区域内同一个标志点装置上的不同目标点间的相对位置，另一部分是根据原始放大率区域内的物体间相互关系解算不同标志点装置间的位姿关系。可以这样理解，传统方法中所有物体可以视为处于同一个全局坐标系下，而此处使用的小凹位姿检测技术方案同时使用了全局坐标系和局部坐标系。
实施例1
装有一个或多个根据要求特别设计的标志点装置的待测元件处于可观察的目标场景中，运用成像镜头首先对包含待测元件的区域成像，镜头需要根据成像要求设计焦距、F数等参数；再根据标志点装置在图像中的相对位置，用小凹实现装置合理设置光学参数以调整局部高清区域的位置、大小、放大率等参数，实现对标志点装置的高清成像，并被探测器接收图像；最后传输至计算设备，其实现硬件可以是计算机、FPGA或者DSP等等，以全图像清晰区域为全局坐标系，并构建不同标志点装置间联系；以局部高清区域为局部坐标系，解算单个标志点装置内点间关系，两方面信息统一后，可以通过传统方式结合，最终获得待测元件的高精度位姿信息。
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 (6)

1.一种基于小凹系统的位姿检测系统，其特征在于，包括标志点装置、成像镜头、小凹系统、探测器和计算设备；
标志点装置固定于待检测元件的目标位置处；
成像镜头对包含标志点装置和待检测元件的场景成像；
小凹系统通过改变小凹模块所处的通光孔径区域内的局部焦距从而对标志点装置进行局部放大成像；
探测器采集小凹系统所成的图像信息；
计算设备对探测器采集的图像进行解算，通过对不同系统参数下的物体空间信息获得目标的视差信息，进而解算得到待检测元件的位姿信息。
2.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的位姿检测系统，其特征在于，标志点装置为三维结构，其数量为一个，计算设备的解算具体为：根据已知的标志点装置的三维结构和采集到的图像中的标志点装置的像的比对得到待检测元件的位姿信息。
3.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的位姿检测系统，其特征在于，标志点装置为二维结构，其数量为三个以上，计算设备的解算具体为：首先通过小凹系统对不同位置的标志点装置进行成像，根据像的尺寸、标志点装置实际尺寸以及小凹系统的局部放大率计算出每个标志点装置位置的空间深度，并根据不同标志点装置的像的相对位置关系得到标志点装置间的空间相对位置，进而得到待检测元件的位姿信息。
4.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的位姿检测系统，其特征在于，小凹系统通过液晶空间光调制器或者光学组合系统实现。
5.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的位姿检测系统，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。
6.如权利要求1所述的一种基于小凹系统的位姿检测系统，其特征在于，计算设备由计算机、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。
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