CN111405269B - 一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，包括下述步骤：在以目标物为圆心，工作距离D为半径的圆弧上等间隔布局S根支架，其中第一根支架与最后一根支架的圆弧夹角为α；在所述每一支架上竖向等间隔设置N个相机；调节工作距离D的数值及夹角α的数值，在每次调节后，分别计算同一支架上下两相邻相机的垂直视场重叠率，及两相邻支架上同一高度上两相邻相机的水平视场重叠率；所述垂直视场重叠率、水平视场重叠率均大于80％则该次的D数值和α数值调节合格。本发明保障了多目相机采集系统的图像重建质量。

Description

一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法

技术领域

本发明涉及三维图像重建技术领域，尤其涉及一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法。

背景技术

密集的多目相机采集系统中安装数目众多的工业相机，系统将各相机采集的图像导入三维重建软件中进行三维图形的重建，而图形重建的质量与相邻相机视场重叠率相关联。相机视场重叠率包括垂直视场重叠率和水平视场重叠率，视场重叠率越大，则图形重建的质量越高。

现有的多目相机采集系统在安装过程中并没有对相机的视场重叠率进行调节，故其3D模型的重建质量无法保障。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，旨在保障多目相机采集系统的图像重建质量。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，其中，包括下述步骤：

S10，在以目标物为圆心，工作距离D为半径的圆弧上等间隔布局S根支架，其中第一根支架与最后一根支架的圆弧夹角为α；

S20，在所述每一支架上竖向等间隔设置N个相机；

S30，调节工作距离D的数值及夹角α的数值，在每次调节后，分别计算同一支架上下两相邻相机的垂直视场重叠率，及两相邻支架上同一高度上两相邻相机的水平视场重叠率；

S40，所述垂直视场重叠率、水平视场重叠率均大于80％，则该次的D数值和α数值调节合格。

其中，所述垂直视场重叠率的计算公式为：

其中，P为单个支架上相邻两相机的间距，H为单个支架高度，M为支架底部相机与地面的距离及支架顶部相机与支架顶端的距离，N为单个支架上安装相机的数目，F_V为在设定工作距离D下相机视野的垂直视场。

其中，所述水平视场重叠率的计算方式为：

以水平相邻两相机连线的中点为原点O，两台相机光轴线的中分线为y轴，与y轴垂直且过原点为x轴，其计算公式为：

其中，F_Hy为单台相机的水平视野，F_OHy为两支架水平方向相邻两台相机在y处的水平重叠视野，

D为工作距离，y为目标物与原点之间的距离；

其中，

θ_H为相邻支架的水平夹角，也为两台相机视场轴的水平方向夹角；α_H为单台相机水平视野方向的视场角。

其中，所述y在[y₁,y₂]范围内变化，所述

所述

本发明的多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，在支架数量及相机数量一定的情况下，通过调节多目相机采集系统中工业相机的工作距离及调节安装各相机的支架的圆弧夹角，并计算出不同的工作距离布局及支架夹角布局的情况下垂直视场重叠率及水平视场重叠率，当两者均大于80％时，则该多目相机采集系统的相机布局合格，保障了该多目相机采集系统的图像重建质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明多目相机采集系统的视场重叠率调节方法的流程图；

图2为本发明支架组三种圆弧夹角布局示意图；

图3为本发明垂直视场重叠率计算示意图；

图4为本发明三种工作距离下垂直视场重叠率对比示意图；

图5为本发明水平视场重叠率计算示意图；

图6为本发明工作距离为1.0m时交叉点与原点的距离示意图；

图7为本发明工作距离为1.0m时，三种圆弧夹角布局下水平视场重叠率对比示意图；

图8为本发明工作距离为2.0m时交叉点与原点的距离示意图；

图9为本发明工作距离为2.0m时，三种圆弧夹角布局下水平视场重叠率对比示意图；

图10为本发明工作距离为5.0m时交叉点与原点的距离示意图；

图11为本发明工作距离为5.0m时，三种圆弧夹角布局下水平视场重叠率对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，为本发明一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法的流程，包括下述步骤：

S10，在以目标物为圆心，工作距离D为半径的圆弧上等间隔布局S根支架，其中第一根支架与最后一根支架的圆弧夹角为α。

S20，在所述每一支架上竖向等间隔设置N个相机。

可以理解，也可以先在每一支架上设置好N个相机后再按照步骤S10安装布局支架。

S30，调节工作距离D的数值及夹角α的数值，在每次调节后，分别计算同一支架上下两相邻相机的垂直视场重叠率，及两相邻支架上同一高度上两相邻相机的水平视场重叠率。

S40，所述垂直视场重叠率、水平视场重叠率均大于80％，则该次的D数值和α数值调节合格。

作为一种实施方式，本发明选取三种典型的工作距离D(D₁＝1.0m，D₂＝2.0m，D₃＝5.0m),及三种典型圆弧夹角为α(α₁＝90°,α₂＝180°,α₃＝270°，如图2所示)，以形成9种不同的布局组合，如表1所示：

表1

可以理解，在实际应用中，还可以取其他D数值和α数值的组合。

具体地，本发明多目相机采集系统相机的垂直视场重叠率和水平视场重叠率分别如下：

一、垂直视场重叠率:

如图3所示,本发明的垂直视场重叠率为垂直视场F_V减去相邻相机间距P后与垂直视场F_V的比值，垂直视场重叠率(Overlap Ratio Vertically)的计算公式即为：

其中，P为单个支架上相邻两相机的间距，H为单个支架高度，M为支架底部相机与地面的距离及支架顶部相机与支架顶端的距离，N为单个支架上安装相机的数目，F_V为在设定工作距离D下相机视野的垂直视场。

作为一种实施方式，本发明的单个支架高度H取值为2.0m，M取值为0.2m，支架数S取10，则N取10时即每个支架上等间隔安装10台工业相机时，每两台相机的间距P＝(H-2M)/N＝0.177，此时多目相机采集系统的工业相机总数为S*N＝10*10＝100。

一般地，单台工业相机视野的视场角为：57.80°(H)×44.36°(V),即水平视场角为57.80°，垂直视场角为44.36°。

在不同的工作距离下，单台工业相机的视野会跟随变化。如：

当工作距离D＝1.0m的情况下：

其视野F1约为1.104m(F_H1)×0.816m(F_V1),即当工作距离D＝1.0m时，相机视野的垂直视场F_V1＝0.816m。

当工作距离D＝2.0m的情况下：

其视野F2约为2.208m(F_H2)×1.632m(F_V2),即当工作距离D＝2.0m时，相机视野的垂直视场F_V2＝1.632m。

当工作距离D＝5.0m的情况下：

其视野F3约为5.520m(F_H3)×4.077m(F_V3),即当工作距离D＝5.0m时，相机视野的垂直视场F_V3＝4.077m。

以下分别计算三种不同工作距离下的垂直视场重叠率。

1、工作距离为1.0m

工作距离D＝1.0m，垂直视场重叠率ORV₁为：

其中，H为支架高度取2.0m，M为支架上底部相机与地面的距离取0.2m，N为各支架上所安装相机的数目，F_V1为工作距离为1.0m时相机视野的垂直视场取值0.816m。

在工作距离D＝1.0m时，当各支架上安装不同数目相机时，两相邻相机的垂直视场重叠率如下表所示。

工作距离1.0m，H＝2.0m，M＝0.2m时，典型垂直视场重叠率:

表2

2、工作距离为2.0m

工作距离D＝2.0m，垂直视场重叠率ORV₂为：

其中，H为支架高度取2.0m，M为支架上底部相机与地面的距离取0.2m，N为各支架上所安装相机的数目，F_V2为工作距离为2.0m时相机视野的垂直视场取值1.632m。

在工作距离D＝2.0m时，当各支架上安装不同数目相机时，两相邻相机的垂直视场重叠率如下表所示。

工作距离2.0m，H＝2.0m，M＝0.2m时，典型垂直视场重叠率:

表3

3、工作距离为5.0m

工作距离D＝5.0m，垂直视场重叠率ORV₃为：

其中，H为支架高度取2.0m，M为支架上底部相机与地面的距离取0.2m，N为各支架上所安装相机的数目，F_V2为工作距离为2.0m时相机视野的垂直视场取值1.632m。

在工作距离D＝5.0m时，当各支架上安装不同数目相机时，两相邻相机的垂直视场重叠率如下表所示。

工作距离5.0m，H＝2.0m，M＝0.2m时，典型垂直视场重叠率：

表4

4、垂直视场重叠率小计

三个工作距离，H＝2.0m，M＝0.2m时，典型垂直视场重叠率：

表5

三个工作距离的垂直视场重叠率对比如图4所示，结合表5，在每个支架等间距设置10台工业相机时，如果取工作距离为1.0m，则相邻相机的垂直视场重叠率为78.2％，其小于80％，即该多目相机采集系统的布局设置不合理，需重新调节工作距离D值。

二、水平视场重叠率:

如图5所示，以相邻支柱相同高度位置处的两台相机为对象，设α为采集系统所有支架的水平布局角(即总弧度)，两台相机视场轴的水平方向夹角(即相邻支架的水平夹角)为：

选择与两台相机视场轴水平平分线垂直且距离为工作距离的平面为参考平面，以水平相邻两相机连线的中点为原点O，两台相机光轴线的中分线为y轴(正轴向上)，与y轴垂直且过原点为x轴(正轴向右)。

由图5中可直接观察到，当目标物位于两台相机近内视场边线交叉点U时，单台相机的水平重叠视野为0，其水平视场重叠率为0％。同理，当目标物位于V点时，两台相机的水平重叠视野正好与单台相机的水平视野相等，此时水平视场重叠率为100％。当目标物与原点之间的距离为

时，单台相机的水平视野为：

其中：F_Hy为单台相机的水平视野，y为目标物与原点之间的距离，θ_H为相邻支架的水平夹角；α_H为单台相机水平视野方向的视场角，在本发明中，α_H＝57.80°(H)，

设

则有：

图5中，相邻两台相机近内视场边线夹角为：

相邻两台相机的距离为：

则有交叉点U，V与原点O的距离分别为：

设

则y在[y₁,y₂]范围内变化,且

设水平相邻两台相机在y处的水平重叠视野为F_OHy，根据三角形相似定理，有：

则相机在y处的水平视场重叠率(Overlap Ratio Horizontally)即为：

从公式中看以看出，在

区间范围内，随着y值增大，相机的水平视场重叠率亦将增大。

本发明实施例设三种支架组布局弧度分别为α₁＝90°，α₂＝180°，α₃＝270°，代入公式(5)，得到对应的两台相机视场轴的水平方向夹角(即相邻支架水平夹角)分别为θ_H1＝10°，θ_H2＝20°，θ_H3＝30°，(当多目相机采集系统的多个支架组布局形成不同的圆弧夹角α时，θ_H也对应改变)，则有：

同理，两个交叉点U，V与原点O的距离分别为：

代入公式(14)，即可计算得到三种支架组布局下，水平视场重叠率分别为：

分别取典型工作距离：D₁＝1.0m，D₂＝2.0m，D₃＝5.0m。

1、工作距离1.0m下，即D₁＝1。

两个交叉点U，V与原点O的距离分别为：

如图6中所示。

在D₁＝1时，三种支架组布局下(布局弧度分别为α₁＝90°,α₂＝180°，α₃＝270°)，水平视场重叠率分别为：

将公式(27)、(28)、(29)中y的区间值分别代入到各自对应的ORH₁，ORH₂，ORH₃中，然后可以得出三种支架组布局下，水平视场重叠率的对比图7。由图7可知，三种角度的布局条形下，布局的圆弧夹角α越大，目标物与两相邻相机的原点距离越远，其水平视场重叠率才越高。

2、工作距离2.0m下，即D₂＝2。

两个交叉点U，V与原点O的距离分别为：

如图8中所示。

在D₂＝2时，三种支架组布局(布局弧度分别为α₁＝90°，α₂＝180°，α₃＝270°)下，水平视场重叠率分别为：

将公式(33)、(34)、(35)中y的区间值分别代入到各自对应的ORH₁，ORH₂，ORH₃中，然后可以得出三种支架组布局下，水平视场重叠率的对比图9。

3、工作距离5.0m下，即D₃＝5。

两个交叉点U，V与原点O的距离分别为：

如图10中所示。

在D₃＝5时，三种支架组布局(布局弧度分别为α₁＝90°，α₂＝180°，α₃＝270°)下，水平视场重叠率分别为：

将公式(39)、(40)、(41)中y的区间值分别代入到各自对应的ORH₁，ORH₂，ORH₃中，然后可以得出三种支架组布局下，水平视场重叠率的对比图11。

综上，调节工作距离D，及支架组布局的圆弧夹角α后，分别计算多目相机采集系统中工业相机的垂直视场重叠率和水平视场重叠率，两者均大于80％以上才算布局调节合格，这样才能保障多目相机采集系统的图像重建的质量。

在安装布局时，如果相机数量及支架数量固定，则可参考图4、图7、图9、和图11中的计算结果直接进行布局安装，如N＝10，S＝10时，取工作距离D为2.0m时，支架组布局的圆弧夹角α取180°，该布局情况下目标物在1.2m～2.0m范围内其垂直视场重叠率和水平视场重叠率均大于80％，满足要求。

本发明实施例提出的多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，在支架数量及相机数量一定的情况下，通过调节多目相机采集系统中工业相机的工作距离及调节安装各相机的支架的圆弧夹角，并计算出不同的工作距离布局及支架夹角布局的情况下垂直视场重叠率及水平视场重叠率，当两者均大于80％时，则该多目相机采集系统的相机布局合格，保障了该多目相机采集系统的图像重建质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种多目相机采集系统的视场重叠率调节方法，其特征在于，包括下述步骤：

S10，在以目标物为圆心，工作距离D为半径的圆弧上等间隔布局S根支架，其中第一根支架与最后一根支架的圆弧夹角为α；

S20，在所述每一支架上竖向等间隔设置N个相机；

S30，调节工作距离D的数值及夹角α的数值，在每次调节后，分别计算同一支架上下两相邻相机的垂直视场重叠率，及两相邻支架上同一高度上两相邻相机的水平视场重叠率；

S40，所述垂直视场重叠率、水平视场重叠率均大于80％，则该次的D数值和α数值调节合格；

所述垂直视场重叠率的计算公式为：

其中，P为单个支架上相邻两相机的间距，H为单个支架高度，M为支架底部相机与地面的距离及支架顶部相机与支架顶端的距离，N为单个支架上安装相机的数目，F_V为在设定工作距离D下相机视野的垂直视场；

所述水平视场重叠率的计算方式为：

以水平相邻两相机连线的中点为原点O，两台相机光轴线的中分线为y轴，与y轴垂直且过原点为x轴，其计算公式为：

其中，F_Hy为单台相机的水平视野，F_OHy为两支架水平方向相邻两台相机在y处的水平重叠视野，

D为工作距离，y为目标物与原点之间的距离；

其中，

θ_H为相邻支架的水平夹角，也为两台相机视场轴的水平方向夹角；α_H为单台相机水平视野方向的视场角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述y在[y₁,y₂]范围内变化，所述

所述

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