CN111818245B - 用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置及校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置，其可以提高视觉传感器在户外复杂坏境下的成像清晰度，确保测量精度不受影响，包括置于视觉传感器的相机镜头的前方，自像侧至物侧顺次设置的：滤光片，所述滤光片为窄带滤光片，所述滤光片与光源的波长对应；光源，所述光源包括与所述相机镜头同轴设置的环形LED灯带；防护玻璃，所述防护玻璃包括光学玻璃，所述光学玻璃的两侧分别设有与所述光源的波长对应的增透膜，靠近物侧的所述增透膜的外侧还设有防护膜，同时还提供了一种校正方法，可以用于校正该光学优化装置上产生的折射偏差，进一步确保测量精度。

Description

用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置及校正方法
技术领域
本发明涉及光学成像优化与精密测量技术领域，具体涉及用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置及校正方法。
背景技术
传统的户外复杂环境下使用的视觉传感器的壳体玻璃部分是普通玻璃，因为玻璃板属于透明材料，当光射到玻璃板上时，既会有少部分光被玻璃板朝向物体的一面反射回来发生反射形成虚像，又会有大部分光没有被反射回来，而是透过玻璃板再射入空气发生两次折射，这样成像就比较暗、不清晰。现有视觉传感器容易受外界复杂光线的影响，造成信噪比低，严重影响系统测量可靠性。现有视觉传感器玻璃为普通光学玻璃，当遇到外界雨水、薄雾等影响时不能及时散去，降低成像质量。目前多采用人工及时维护来保证相机成像质量，造成成本高，降低了户外环境下视觉传感器的推广应用。即现有视觉传感器在户外复杂坏境下成像不清晰，导致测量精度大大下降。
由于户外全光谱的强日光、强反光、杂光及夜间月光、弱光的影响，以及由于现场设备标定空间有限，外界环境中光线、灰尘，雨水等因素并存，加之现有视觉传感器的安装的防护玻璃较厚，角度多样，平面玻璃导致的折射光路变化等等，这一系列原因造成视觉传感器的图像定位偏差较大，现有方法也难以在现场复杂环境中实现平面玻璃折射参数的高精度标定，难以确保视觉传感器的图像定位精度。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置，其可以提高视觉传感器在户外复杂坏境下的成像清晰度，确保测量精度不受影响，同时还提供了一种校正方法，可以用于校正该光学优化装置上产生的折射偏差，进一步确保测量精度。
其技术方案是这样的：一种用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置，其特征在于，包括置于视觉传感器的相机镜头的前方，自像侧至物侧顺次设置的：
滤光片，所述滤光片为窄带滤光片，所述滤光片与光源的波长对应；
光源，所述光源包括与所述相机镜头同轴设置的环形LED灯带；
防护玻璃，所述防护玻璃包括光学玻璃，所述光学玻璃的两侧分别设有与所述光源的波长对应的增透膜，靠近物侧的所述增透膜的外侧还设有防护膜。
进一步的，所述光源采用近红外光源，所述环形LED灯带上设置有阵列式灯珠。
进一步的，所述防护膜包括：
纳米涂层，用于防水；
酚醛复合层，用于保温隔热进行防雾。
进一步的，所述防护玻璃的边框处设置有电热丝。
一种用于上述的用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在安装防护玻璃及滤光片前，采用基于平面棋盘格靶标方式标定出相机内参；
步骤2：在安装防护玻璃及滤光片后，通过相机拍摄三维空间内的标靶，建立标靶的特征点与其对应的图像点之间的透视投影模型；
步骤3：在安装防护玻璃及滤光片后，建立特征点其对应的相机的出射光线的折射光路模型；
步骤4：对折射光路模型进行标定，获取折射光路的配置参数；
步骤5：根据光线折射模型与透视投影模型，建立优化目标函数，通过非线性优化方式求得折射光路的配置参数的最优解；
步骤6：根据获取的折射光路的配置参数的最优解，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标，完成校正。
在步骤1中，标定出的相机内参数包括[fx,fy,γ,u0,v0,k1,k2]，其中fx，fy分别为在像素坐标系中u方向和v方向上的比例系数，γ为图像两轴的倾斜因子，u0，v0为像面主点坐标，k1，k2为镜头的径向畸变系数。
在步骤2中，特征点q与其对应的图像点p之间的透视投影模型表示为：
Figure BDA0002568748580000021
其中，ρ为非零系数，
Figure BDA0002568748580000022
为相机的内参矩阵，R＝[r1 r2 r3]3×3、t分别为靶标坐标系到相机坐标系之间旋转矩阵与平移向量，q＝[x,y,z,1]T是靶标坐标系下的特征点坐标，p＝[u,v,1]T为特征点的图像坐标，其归一化坐标为pn＝[xn,yn,1]T。
在步骤3中，设空间中特征点为q以及其对应的相机出射光线为vi，[v0,v1,...,vn]表示每一段光线折射光路的方向向量，折射光线关系表示为：
vi+1＝ai+1vi+bi+1n
其中，ai+1＝μi/μi+1，
Figure BDA0002568748580000031
n为平面玻璃在相机坐标系下法线方向，μi与μi+1为两层介质的折射率，vi表示每一段的光线折射光路的方向向量；
折射光路模型包括特征点q经过滤光片和防护玻璃的中间折射的交点，最终到达相面点坐标p'，具体如下：光线经过滤光片、防护玻璃的内侧增透膜、光学玻璃、外侧增透膜、防护膜时交点分别表示为p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7，d1、d2、d3、d4分别为滤光片厚度、防护玻璃的增透膜厚度、光学玻璃厚度、防护膜厚度，μ1、μ2、μ3、μ4分别为从光学材料提供商处获得的滤光片、增透膜、光学玻璃以及防护膜的折射率，n1、n2分别为滤光片与防护玻璃在相机坐标系下的方向向量，其中n1为垂直于相机光轴的单位向量。
进一步的，折射光路的配置参数包括滤光片和防护玻璃的厚度以及方向向量。
进一步的，在步骤4中，滤光片在相机坐标系下的方向向量n1为垂直于相机光轴的单位向量；
设A为待求解的平行于防护玻璃法向量且过相机中心的向量，根据空间折射光线共面约束可知，特征点q转换到相机坐标系后表示为Rq+t，其中R为转换矩阵，t为偏移向量，转换后的特征点Rq+t位于折射平面内，则特征点的共面约束方程可表示为：
Figure BDA0002568748580000032
其中E＝[A]×R，s＝A×t，通过8点算法进行计算，取8个对应点坐标并代入得
Figure BDA0002568748580000033
计算可得向量A与特征点在相机坐标系下的外参，进而得到增透膜、光学玻璃、防护膜的方向向量n2以及滤光片厚度d1、防护玻璃的增透膜厚度d2、光学玻璃厚度d3、防护膜厚度d4。
进一步的，在步骤5中，建立的优化目标函数如下：
Figure BDA0002568748580000041
其中K·Rf([Ri,ti])·qij为空间中特征点qij经玻璃折射光路与相机透视投影后的图像点坐标，K为相机内参矩阵，Rf表示为光线折射函数，Ri为转换矩阵，ti为偏移向量，pij为特征点qij的图像坐标，使反投影误差最小化，最后通过lsqnonlin优化得出获取折射光路的最大似然估计解，通过非线性优化方式求得折射光路配置参数(d1,d2,d3,d4,n1,n2)的最优解。
在步骤6中，通过步骤5获得的折射光路配置参数的最优解，根据折射光路成像规律及透视投影模型，将经过折射后的图像点坐标p′，沿着逆光路方向依次求得光线与滤光片以及防护玻璃的各层的交点及光线传播方向，根据最后一层交点p7及光线入射方向vn，结合光线直线传播定律，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标p，至此完成图像点由p向p′的校正。
本发明的用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置，其可以进行滤光、补光增强、光线增透处理，同时对外界雨水、雾气影响进行快速消除等处理，其可以提高视觉传感器在户外复杂坏境下的成像清晰度，确保测量精度不受影响，通过设置滤光片，消除杂光影响，同时设置光源进行补光，光源选择与相机镜头同轴设置的环形LED灯带，采用阵列式灯珠发光形式以保证发光亮度均匀，且其具有透雾性强，能适应中雨、浓雾及夜间情况下的使用，最大限度减少其他光线的干扰，同时还在最外侧设置了防护玻璃，防护玻璃的光学玻璃上，双面均镀有与光源波长对应的增透膜，用于减少玻璃反射率进而提高光的透过率，来降低表面眩光和增加基底的透光率和亮度，同时增透膜与源波长对应，可以降低特定光波的表面反射率来提供更好的对比清晰度；该防护玻璃经过双面镀有增透膜后，具有较低的反射比，使光的反射率降低到1％以下，并可消除重影和使得多重反射最小化，尤其适合户外复杂光线环境下的成像，保证光线透过效率99.5％以上；另外，在靠近物侧的所述增透膜的外侧还设有防护膜，可以起到防水防雾的作用，防护膜包括纳米涂层，可防止水分子渗透膜层留在表面形成水珠，还包括镀酚醛复合层，还可以起到玻璃隔热保温作用，阻隔视觉传感器壳体内外玻璃的温度传递造成的温差，从而达到防雾的效果，
此外，为保证水蒸气或雨水不黏附在保护玻璃表面，并及时蒸发或消散，在光学玻璃的外框处加以电加热丝加热玻璃，镀防护膜和辅以电加热的光学玻璃可以加快水蒸气散去效率，快速消除外界雨水、薄雾对相机成像质量的影响。
本发明还提供了一种校正方法，对于滤光片、防护玻璃带来的图像特征点折射偏差进行校正，可以用于校正该光学优化装置上产生的折射偏差，进一步确保测量精度，其基于光线折射模型与透视投影模型建立优化目标函数，标定精度高，能准确获取折射光路的配置参数，包括了滤光片和防护玻璃的方向向量以及滤光片厚度、防护玻璃的增透膜厚度、光学玻璃厚度、防护膜厚度，通过非线性优化方式求得折射光路的配置参数的最优解，然后根据获取的折射光路的配置参数的最优解，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标，完成校正。
附图说明
图1为本发明的用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置的示意图；
图2为图像特征点校正原理图；
图3为本发明的校正方法的主要步骤的流程图。
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。
见图1，本发明的一种用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置，其安装在视觉传感器的壳体，包括置于视觉传感器的相机镜头1的前方，自像侧至物侧顺次设置的：
滤光片2，为屏蔽掉户外杂光干扰，提高被测目标的成像信噪比，本实施例中的用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置的滤光片2采用近红外窄带滤光片，滤光片2与光源3的波长对应，在本实施例中，其波长范围为808nm±10nm，可以有效屏蔽掉外界可见杂光干扰，保证只有相应近红外光源照射被测物后的反射光进入相机，确保特征信息的提取精度；
光源3，光源采用近红外光源，光源包括与相机镜头同轴设置的环形LED灯带，环形LED灯带上设置有阵列式灯珠，在本实施例中，波长为808nm，采取阵列式灯珠发光形式以保证发光亮度均匀，且其具有透雾性强，能适应中雨、浓雾及夜间情况下的使用，最大限度减少其他光线的干扰；
防护玻璃4，防护玻璃4的设计使的本实施例中的装置更适用于户外复杂环境，其具有增透、防水、辅热的功能，具体的，防护玻璃包括光学玻璃401，光学玻璃401的两侧分别设有与光源的波长对应的增透膜402，用于减少玻璃反射率进而提高光的透过率，来降低表面眩光和增加基底的透光率和亮度，同时通过降低特定光波的表面反射率来提供更好的对比清晰度；光学玻璃经过双面镀有增透膜后，具有较低的反射比，使光的反射率降低到1％以下，并可消除重影和使得多重反射最小化，尤其适合户外复杂光线环境下的成像，保证光线透过效率99.5％以上；
靠近物侧的增透膜402的外侧还设有防护膜403，具体在本实施例中，防护膜403包括：纳米涂层，用于防水，可防止水分子渗透膜层留在表面形成水珠；酚醛复合层，阻隔视觉传感器壳体内外玻璃的温度传递造成的温差，从而达到防雾的效果；
为保证水蒸气或雨水不黏附在玻璃表面，并及时蒸发或消散，防护玻璃4的边框处设置有电热丝，电热丝通电后可以加热保护玻璃，在玻璃外框处加装多线圈的直径为0.5mm钨丝或康铜丝等金属电热丝，实现加热表面各点温差小于2°，加热电压为24V,功率200W，环境适应温度-40℃-80℃；镀防护膜和辅以电加热的光学玻璃可以加快水蒸气散去效率，快速消除外界雨水、薄雾对相机成像质量的影响。
将本发明的一种用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置应用到户外视觉传感器，既防护传感器又具有高透射率保证成像质量，如应用到铁路现场的视觉传感器，其多安装在密闭箱体内，方便设置本发明的装置；而应用到水下视觉系统中视觉传感器中，可以抵抗水压并保证成像清晰。
见图3，在本发明的实施例中，还提供了一种用于上述的用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，其至少包括以下步骤：
步骤1：在安装防护玻璃及滤光片前，采用基于平面棋盘格靶标方式标定出相机内参；
步骤2：在安装防护玻璃及滤光片后，通过相机拍摄三维空间内的标靶，建立标靶的特征点与其对应的图像点之间的透视投影模型；
步骤3：在安装防护玻璃及滤光片后，建立特征点其对应的相机的出射光线的折射光路模型；
步骤4：对折射光路模型进行标定，获取折射光路的配置参数；
步骤5：根据光线折射模型与透视投影模型，建立优化目标函数，通过非线性优化方式求得折射光路的配置参数的最优解；
步骤6：根据获取的折射光路的配置参数的最优解，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标，完成校正。
见图2，具体在本实施例中，在步骤1中，标定出的相机内参数包括[fx,fy,γ,u0,v0,k1,k2]，其中fx，fy分别为在像素坐标系中u方向和v方向上的比例系数，γ为图像两轴的倾斜因子，u0，v0为像面主点坐标，k1，k2为镜头的径向畸变系数。
具体在本实施例中，在步骤2中，特征点q与其对应的图像点p之间的透视投影模型表示为：
Figure BDA0002568748580000071
其中，ρ为非零系数，
Figure BDA0002568748580000072
为相机的内参矩阵，R＝[r1 r2 r3]3×3、t分别为靶标坐标系到相机坐标系之间旋转矩阵与平移向量，q＝[x,y,z,1]T是靶标坐标系下的特征点坐标，p＝[u,v,1]T为特征点的图像坐标，其归一化坐标为pn＝[xn,yn,1]T。
另外，还通过镜头畸变模型消除畸变，令pd＝[ud,vd,1]T为畸变图像点的齐次坐标，镜头畸变模型表示为：
ud＝u+(u-u0)(k1r2+k2r4)
vd＝v+(v-v0)(k1r2+k2r4)
其中，
Figure BDA0002568748580000073
k1，k2为镜头的径向畸变系数。
根据Snell定律，平面玻璃折射定理满足μisinθi＝μi+1sinθi+1。其中，μi与μi+1为两层介质的折射率，θi与θi+1分别为入射角与出射角，从而设空间中特征点为q以及其对应的相机出射光线为vi，[v0,v1,...,vn]表示每一段光线折射光路的方向向量，折射光线关系表示为：
vi+1＝ai+1vi+bi+1n
其中，ai+1＝μi/μi+1，
Figure BDA0002568748580000074
n为平面玻璃在相机坐标系下法线方向，μi与μi+1为两层介质的折射率，vi表示每一段的光线折射光路的方向向量，相应地，根据折射光线传播定理可得，光线由相机光学中心出发与玻璃第一个交点坐标为
Figure BDA0002568748580000075
出玻璃后第二个交点为
Figure BDA0002568748580000076
其中d0为相机距第一层玻璃表面距离，d为玻璃厚度，令光线折射函数表示为Rf。
结合上述用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置的具体结构，故在本实施例中，在步骤3中，折射光路模型包括特征点q经过滤光片和防护玻璃的中间折射的交点，最终到达相面点坐标p'，具体如下：光线经过滤光片、防护玻璃的内侧增透膜、光学玻璃、外侧增透膜、防护膜时交点分别表示为p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7，d1、d2、d3、d4分别为滤光片厚度、防护玻璃的增透膜厚度、光学玻璃厚度、防护膜厚度，μ1、μ2、μ3、μ4分别为从光学材料提供商处获得的滤光片、增透膜、光学玻璃以及防护膜的折射率，n1、n2分别为滤光片与防护玻璃在相机坐标系下的方向向量，其中n1为垂直于相机光轴的单位向量。
在步骤4中，具体在本实施例中，折射光路的配置参数包括滤光片和防护玻璃的厚度以及方向向量，滤光片在相机坐标系下的方向向量n1为垂直于相机光轴的单位向量；
设A为待求解的平行于防护玻璃法向量且过相机中心的向量，根据空间折射光线共面约束可知，特征点q转换到相机坐标系后表示为Rq+t，其中R为转换矩阵，t为偏移向量，转换后的特征点Rq+t位于折射平面内，则特征点的共面约束方程可表示为：
Figure BDA0002568748580000081
其中E＝[A]×R，s＝A×t，通过8点算法进行计算，取8个对应点坐标并代入得
Figure BDA0002568748580000082
计算可得向量A与特征点在相机坐标系下的外参，进而得到增透膜、光学玻璃、防护膜的方向向量n2以及滤光片厚度d1、防护玻璃的增透膜厚度d2、光学玻璃厚度d3、防护膜厚度d4。
为进一步提高标定精度，采用非线性优化方式得到玻璃折射光路参数，根据光线折射模型与透视投影模型，建立优化目标函数，建立的优化目标函数如下：
Figure BDA0002568748580000083
其中K·Rf([Ri,ti])·qij为空间中特征点qij经玻璃折射光路与相机透视投影后的图像点坐标，K为相机内参矩阵，Rf表示为光线折射函数，Ri为转换矩阵，ti为偏移向量，pij为特征点qij的图像坐标，使反投影误差最小化，最后通过lsqnonlin优化得出获取折射光路的最大似然估计解，通过非线性优化方式求得折射光路配置参数(d1,d2,d3,d4,n1,n2)的最优解。
在步骤6中，通过步骤5获得的折射光路配置参数的最优解，根据折射光路成像规律及透视投影模型，将经过折射后的图像点坐标p′，沿着逆光路方向依次求得光线与滤光片以及防护玻璃的各层的交点及光线传播方向，根据最后一层交点p7及光线入射方向vn，结合光线直线传播定律，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标p，至此完成图像点由p向p′的校正。
现有技术中的针对折射对相机成像造成影响的标定与误差补偿的方法中，有采用外部辅助光学装置以抵消折射导致的光线偏离现象，但该方法受辅助光学装置加工和安装精度限制，精度较低，现场可行性较低；也有采用辅助平面标定板来得到光线入射光线的方向向量，然后对相机参数进行标定，该方法需要特殊的标定板，操作与标定过程均较复杂；还有提出将折射引起的变换导致相机焦距发生变化，等价为像平面移动，但不同图像点的入射角度各不相同；如果将此变换等效为线性变换，当入射光线角度越大，导致其在像面点产生误差越大，不具有通用性；另外还有采用近似的方法将折射引起的误差看作是镜头畸变一部分，即镜头畸变与折射参数一起标定得出一组调制后的镜头畸变参数，但由于图像特征点由于折射在整个像面的偏差与入射光线的角度有关，尤其对于倾斜玻璃，其引起的偏差较大，不适用于现场精密测量，而本发明的校正方法无需采用外部辅助光学装置，现场可行性高，适用于现场精密测量，标定过程较为简单，可以适用于倾斜玻璃，用于校正光学优化装置上产生的折射偏差，进一步确保测量精度，其基于光线折射模型与透视投影模型建立优化目标函数，标定精度高，能准确获取折射光路的配置参数，包括了滤光片和防护玻璃的方向向量以及滤光片厚度、防护玻璃的增透膜厚度、光学玻璃厚度、防护膜厚度，通过非线性优化方式求得折射光路的配置参数的最优解，然后根据获取的折射光路的配置参数的最优解，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标，完成校正。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，用于户外复杂环境的视觉传感器光学优化装置包括置于视觉传感器的相机镜头的前方，自像侧至物侧顺次设置的：
滤光片，所述滤光片为窄带滤光片，所述滤光片与光源的波长对应；
光源，所述光源包括与所述相机镜头同轴设置的环形LED灯带；
防护玻璃，所述防护玻璃包括光学玻璃，所述光学玻璃的两侧分别设有与所述光源的波长对应的增透膜，靠近物侧的所述增透膜的外侧还设有防护膜；
其特征在于，校正方法包括以下步骤：
步骤1：在安装防护玻璃及滤光片前，采用基于平面棋盘格靶标方式标定出相机内参；
步骤2：在安装防护玻璃及滤光片后，通过相机拍摄三维空间内的标靶，建立标靶的特征点与其对应的图像点之间的透视投影模型；
步骤3：在安装防护玻璃及滤光片后，建立特征点其对应的相机的出射光线的折射光路模型；
步骤4：对折射光路模型进行标定，获取折射光路的配置参数；
步骤5：根据光线折射模型与透视投影模型，建立优化目标函数，通过非线性优化方式求得折射光路的配置参数的最优解；
步骤6：根据获取的折射光路的配置参数的最优解，求解得出特征点在无折射情况下的图像点坐标，完成校正。
2.根据权利要求1所述的用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，其特征在于：在步骤1中，标定出的相机内参数包括[fx,fy,γ,u0,v0,k1,k2]，其中fx，fy分别为在像素坐标系中u方向和v方向上的比例系数，γ为图像两轴的倾斜因子，u0，v0为像面主点坐标，k1，k2为镜头的径向畸变系数。
3.根据权利要求1所述的用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，其特征在于：所述光源采用近红外光源，所述环形LED灯带上设置有阵列式灯珠。
4.根据权利要求1所述的用于户外复杂环境的视觉传感器优化装置的校正方法，其特征在于：所述防护膜包括：
纳米涂层，用于防水；
酚醛复合层，用于保温隔热进行防雾；
所述防护玻璃的边框处设置有电热丝。
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