CN111818256A - 一种主从相机监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主从相机监测系统及方法，该系统包括主相机和从相机，还包括短焦镜头、长焦镜头、安装组件和基座，所述短焦镜头设置在所述主相机上，所述主相机设置在所述安装组件上，所述安装组件设置在所述基座的上侧，所述长焦镜头设置在所述从相机上，所述从相机设置在所述基座上，所述基座中设有与所述从相机同光轴布置的双棱镜组件，所述双棱镜组件采用单动力源驱动实现双棱镜旋转。与现有技术相比，本发明可同步实现大范围广域监测与局部兴趣区域的高分辨率成像，具有克服遮挡、结构紧凑、动态特性好、对干扰不敏感、避免因运动模糊导致相机成像质量低下等优势。

Description

一种主从相机监测系统及方法
技术领域
本发明涉及场景监测领域，尤其是涉及一种主从相机监测系统及方法。
背景技术
随着智能制造的发展，工业现场工况信息的实时提取是智能制造的关键反馈环节。监控系统作为信息提取的关键执行者，直接决定着制造系统的作业性能和工作效率。大视场广域监测与局域兴趣目标的高分辨率成像一直是监控领域的研究热点。在先技术(LiA,Liu X,Gong W,Sun W,Sun J.Prelocation image stitching method based onflexible and precise boresight adjustment using Risley prisms.J Opt Soc AmA2019；36(2):305-311.)提出一种预定位图像拼接技术，可实现大范围广域监测与高分辨率成像，但需复杂耗时的匹配拼接过程，难以适应实时监测需求。在先技术(Tarhan M,
Figure BDA0002520632890000011
E.A catadioptric and pan-tilt-zoom camera pair object tracking systemfor UAVs.J Intell Robot Syst Theory Appl 2011；61(1):119-34.；Park U,Choi HC,Jain AK,Lee SW.Face tracking and recognition at a distance:A coaxial andconcentric ptz camera system.IEEE Trans Inf Forensics Secur 2013；8(10):1665-77.)提出了多相机协调监控方法，采用大视场相机实现广域监测，高分辨率相机对兴趣区域实现高分辨率成像，但该系统采用转台实现视轴的调整，将引起因相机运动产生的图像模糊，此外合作相机标定复杂、控制算法耗时、系统尺寸大、动态特性差，在一定程度上阻碍了监控系统的进一步发展。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种主从相机监测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种主从相机监测系统，包括主相机和从相机，还包括短焦镜头、长焦镜头、安装组件和基座，所述短焦镜头设置在所述主相机上，所述主相机设置在所述安装组件上，所述安装组件设置在所述基座的上侧，所述长焦镜头设置在所述从相机上，所述从相机设置在所述基座上，所述基座中设有与所述从相机同光轴布置的双棱镜组件，所述双棱镜组件采用单动力源驱动实现双棱镜旋转。
优选的，所述安装组件包括转动安装座、轴二、主相机调节组件，所述轴二通过轴承三可转动的安装在所述转动安装座中，所述主相机通过相机安装板与所述轴二连接，所述主相机调节组件与所述轴二连接并调节及固定所述轴二的转动角度。
优选的，所述主相机调节组件包括套筒、弹簧、轴一、千分尺和拨片，所述拨片固定在所述轴二上，所述轴一的一端和千分尺相对拨片布置并夹紧拨片，所述轴一的另一端被所述弹簧压紧在套筒内。
优选的，所述双棱镜组件包括棱镜一、棱镜二、直线电机，所述直线电机的动子分别与电磁离合器一、电磁离合器二连接，所述电磁离合器一、电磁离合器二分别与内螺纹套一、内螺纹套二固连，所述内螺纹套一、内螺纹套二分别通过导向键一、导向键二与所述基座滑动连接，所述内螺纹套一、内螺纹套二还分别与外螺纹套一、外螺纹套二螺纹旋合，所述外螺纹套一、外螺纹套二分别与套一、套二固连，所述套一和套二分别通过轴承一和轴承二安装在基座内，所述棱镜一、棱镜二分别通过镜套一、镜套二安装在套一、套二中。
优选的，光线通过所述棱镜一和棱镜二所形成的光学扫描域-不小于从相机的成像视场域-，所述从相机、棱镜一、棱镜二共同形成的组合成像视场域不小于从相机的成像视场域-。
优选的，所述棱镜一和棱镜二均为楔角棱镜。
优选的，所述主相机、从相机、短焦镜头、长焦镜头、棱镜一和棱镜二的参数通过下式决定：
Figure BDA0002520632890000031
其中n为棱镜折射率，α为棱镜楔角，fs为从相机与长焦镜头组合的即时焦距，
Figure BDA0002520632890000032
为从相机感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000033
为从相机感光芯片垂直物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000034
为主相机感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000035
为主相机感光芯片垂直物理尺寸的一半，fm为主相机与短焦镜头组合的即时焦距，
Figure BDA0002520632890000036
为水平组合视场角，
Figure BDA0002520632890000037
为垂直组合视场角；
Figure BDA0002520632890000038
Figure BDA0002520632890000039
Figure BDA00025206328900000310
Figure BDA00025206328900000311
Figure BDA00025206328900000312
Figure BDA00025206328900000313
Figure BDA00025206328900000314
Figure BDA00025206328900000315
Figure BDA00025206328900000316
Figure BDA00025206328900000317
一种主从相机监测方法，包括：
S1、将监测系统设置在被监测目标的前方，将被监测目标置于运动范围的中间位置，双棱镜组件的棱镜一和棱镜二的转角设置为(180°，0°)或(0°，180°)，棱镜二位于棱镜一与被监测目标之间；
S2、调整主相机、从相机及基座姿态，使被监测目标同时处于主相机与从相机的视场中心，建立主相机坐标系Om-XmYmZm、从相机坐标系Os-XsYsZs和棱镜一坐标系Op-XpYpZp；
S3、采用双目标定方法，标定主相机和从相机的内外参数，得到从相机与长焦镜头组合的即时焦距fs，主相机与短焦镜头组合的即时焦距fm，主相机相对从相机的平移矩阵T和旋转矩阵R；
S4、计算被监测目标所在的当量运动平面在主相机坐标系下的方程Z＝Tx/sinθy，其中Tx和θy为主相机和从相机双目标定获得的外部参数，即R和T中的元素，采集被监测目标的中心图像坐标，计算得到主相机中被监测目标的成像光线与当量运动平面的交点；
S5、根据主相机与从相机坐标转换关系，计算所述主相机中被监测目标的成像光线与当量运动平面的交点在从相机坐标系下的坐标，并根据几何关系计算得到从相机坐标系下该交点与棱镜二的出射平面中心点所在向量；
S6、根据从相机坐标系与棱镜一坐标系的坐标转换关系，将S5得到的向量转换到棱镜一坐标系，以棱镜一坐标系下的该向量为棱镜一和棱镜二的出射向量，根据两步法计算得到棱镜一和棱镜二的转角；
S7、根据棱镜一和棱镜二的转角，调整从相机视轴指向被监测目标。
优选的，所述从相机坐标系下该交点与棱镜二的出射平面中心点所在向量为：
Figure BDA0002520632890000041
其中，τ1＝Tx/fmsinθy，τ2＝vsinθx+fmcosθx，fm为主相机与短焦镜头组合的即时焦距，Dd为Kf到从相机光心的距离，Tx、Ty、Tz、θx、θy、θz为主相机和从相机双目标定获得外部参数，即R和T中的元素。
优选的，所述被监测目标的运动范围在从相机、棱镜一、棱镜二共同形成的组合成像视场域与主相机成像视场域的公共区域内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用该监测系统及方法，可同步实现大范围广域监测与局部兴趣区域的高分辨率成像。
(2)采用棱镜调整相机视轴相比机械式调整视轴，具有克服遮挡、结构紧凑、动态特性好、对干扰不敏感、避免因运动模糊导致相机成像质量低下等优势。
(3)单动力源即可驱动双棱镜的旋转，具有结构简单、成本低廉、运动灵活、控制方便等优势。
(4)该监测方法无耗时的迭代过程，复杂度低，可适应实时在线监测要求。
附图说明
图1为本发明正面的局部剖视图；
图2为本发明右侧的结构示意图；
图3为安装组件正面的局部剖视图；
图4为安装组件左侧的剖视图；
图5为从相机、双棱镜组件及从相机棱镜组合的视场域示意图；
图6为棱镜主视图；
图7为棱镜左剖视图；
图8为本发明监测方法流程图。
图9为本发明的监测原理示意图；
图10为本发明从相机视轴调整光路图。
图中标注：1为短焦镜头、2为主相机、3为安装组件、4为电磁离合器一、5为导向键一、6为内螺纹套一、7为外螺纹套一、8为套一、9为镜套一、10为从相机、11为相机安装座、12为长焦镜头、13为棱镜一、14为轴承一、15为基座、16为直线电机、17为电磁离合器二、18为导向键二、19为内螺纹套二、20为外螺纹套二、21为套二、22为镜套二、23为棱镜二、24为轴承二、25为组合成像视场域、26为当量运动平面、27为被监测目标、28为交点、29为成像光线、30为主相机成像视场域、31为套筒、32为弹簧、33为轴一、34为千分尺、35为转动安装座、36为拨片、37为轴二、38为轴承三、39为相机安装板、40为棱镜二的出射平面中心点、10-1为从相机的成像视场域、10-2为光学扫描域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2所示，本申请提出一种主从相机监测系统，包括主相机2、从相机10、短焦镜头1、长焦镜头12、安装组件3和基座15。短焦镜头1设置在主相机2上，主相机2设置在安装组件3上，安装组件3设置在基座15的上侧。长焦镜头12设置在从相机10上，从相机10通过相机安装座11设置在基座15上。基座15中设有与从相机10同光轴布置的双棱镜组件，双棱镜组件采用单动力源驱动实现双棱镜旋转。本实施例中，从相机10的分辨率高于主相机2的分辨率。
双棱镜组件包括棱镜一13、棱镜二23、直线电机16。直线电机16的定子与基座15固连，直线电机16的动子分别与电磁离合器一4、电磁离合器二17的一端连接，电磁离合器一4、电磁离合器二17的另一端分别与内螺纹套一6、内螺纹套二19固连；内螺纹套一6、内螺纹套二19分别通过导向键一5、导向键二18与基座15滑动连接，内螺纹套一6、内螺纹套二19还分别与外螺纹套一7、外螺纹套二20螺纹旋合；外螺纹套一7、外螺纹套二20分别与套一8、套二21固连，套一8和套二21分别通过轴承一14和轴承二24安装在基座15内；镜套一9、镜套二22分别安装在套一8、套二21中，棱镜一13、棱镜二23分别与镜套一9和镜套二22注胶固连，且棱镜一13和棱镜二23同轴布置。
如图3、4所示，安装组件3包括转动安装座35、轴二37、主相机调节组件。轴二37通过轴承三38可转动的安装在转动安装座35中，主相机2通过相机安装板39与轴二37连接，主相机调节组件与轴二37连接并调节及固定轴二37的转动角度。
主相机调节组件包括套筒31、弹簧32、轴一33、千分尺34和拨片36。套筒31和千分尺34均安装在转动安装座35上。弹簧32设置在套筒31的空腔内。拨片36固定在轴二37上，轴一33的一端和千分尺34相对拨片36布置并夹紧拨片36，轴一33的另一端被弹簧32压紧在套筒31内。
如图5所示，光线通过棱镜一13和棱镜二23所形成的光学扫描域10-2不小于从相机的成像视场域10-1，从相机10与棱镜一13和棱镜二23共同形成的组合成像视场域25不小于从相机的成像视场域10-1。被监测目标27的运动范围在从相机10、棱镜一13、棱镜二23共同形成的组合成像视场域25与主相机成像视场域30的公共区域内。
本实施例中，如图6、7所示，棱镜一13和棱镜二23均为楔角棱镜。
主相机2、从相机10、短焦镜头1、长焦镜头12、棱镜一13和棱镜二23的参数可通过下式决定：
Figure BDA0002520632890000071
其中n为棱镜折射率，α为棱镜楔角，fs为从相机10与长焦镜头12组合的即时焦距，
Figure BDA0002520632890000072
为从相机10感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000073
为从相机10感光芯片垂直物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000074
为主相机2感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure BDA0002520632890000075
为主相机2感光芯片垂直物理尺寸的一半，fm为主相机2与短焦镜头1组合的即时焦距，
Figure BDA0002520632890000076
为水平组合视场角，
Figure BDA0002520632890000077
为垂直组合视场角；
Figure BDA0002520632890000078
Figure BDA0002520632890000079
Figure BDA00025206328900000710
Figure BDA00025206328900000711
Figure BDA00025206328900000712
Figure BDA00025206328900000713
Figure BDA00025206328900000714
Figure BDA00025206328900000715
Figure BDA00025206328900000716
Figure BDA00025206328900000717
如图8所示，一种上述主从相机监测方法，包括：
S1、将监测系统设置在被监测目标27的前方，监测系统与被监测目标27的距离远大于被监测目标27的运动范围，如图9所示；
将被监测目标27置于运动范围的中间位置，双棱镜组件的棱镜一13和棱镜二23的转角设置为180°，0°或0°，180°，其中棱镜二23位于棱镜一13与被监测目标27之间；
S2、调整主相机2、从相机10及基座15姿态，使被监测目标27同时处于主相机2与从相机10的视场中心，固定主相机2、从相机10及基座15的位置，构建主相机坐标系Om-XmYmZm、从相机坐标系Os-XsYsZs和棱镜一坐标系Op-XpYpZp；
S3、采用双目标定方法，标定主相机2和从相机10的内外参数，即获得主相机2与短焦镜头1组合的即时焦距fm，从相机10与长焦镜头12组合的即时焦距fs，主相机2相对从相机10的平移矩阵T及旋转矩阵R；
S4、计算被监测目标27所在的当量运动平面26在主相机坐标系Om-XmYmZm下的方程Z＝Tx/sinθy，采集被监测目标27的中心图像坐标，计算得到主相机2中被监测目标27的成像光线29与当量运动平面26的交点28：
Figure BDA0002520632890000081
式中，(xm,ym,zm)为交点在主相机坐标系下的坐标，(u,v)为主相机中被监测目标的中心图像坐标，Tx和θy为主相机和从相机双目标定获得外部参数，即R和T中的元素；
S5、根据主相机2与从相机10坐标转换关系，计算主相机2中被监测目标27的成像光线29与当量运动平面26的交点28在从相机坐标系Os-XsYsZs下的坐标，并根据几何关系，计算得到Os-XsYsZs坐标系下该交点28与棱镜二的出射平面中心点40所在向量：
Figure BDA0002520632890000082
其中，τ1＝Tx/fmsinθy，τ2＝vsinθx+fmcosθx，Dd为Kf到从相机光心的距离，Tx、Ty、Tz、θx、θy、θz为主相机和从相机双目标定获得外部参数，即R和T中的元素；
S6、根据从相机坐标系与棱镜一坐标系的坐标转换关系，可得KeKf在棱镜一坐标系下的向量，并以棱镜一坐标系下的该向量为棱镜一13和棱镜二23的出射向量，根据两步法计算得到棱镜一和棱镜二的转角(θ1,θ2)；
S7、根据棱镜一13和棱镜二23的转角(θ1,θ2)，调整从相机视轴指向被监测目标，如图10所示。

Claims (10)

1.一种主从相机监测系统，包括主相机(2)和从相机(10)，其特征在于，还包括短焦镜头(1)、长焦镜头(12)、安装组件(3)和基座(15)，所述短焦镜头(1)设置在所述主相机(2)上，所述主相机(2)设置在所述安装组件(3)上，所述安装组件(3)设置在所述基座(15)的上侧，所述长焦镜头(12)设置在所述从相机(10)上，所述从相机(10)设置在所述基座(15)上，所述基座(15)中设有与所述从相机(10)同光轴布置的双棱镜组件，所述双棱镜组件采用单动力源驱动实现双棱镜旋转。
2.根据权利要求1所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，所述安装组件(3)包括转动安装座(35)、轴二(37)、主相机调节组件，所述轴二(37)通过轴承三(38)可转动的安装在所述转动安装座(35)中，所述主相机(2)通过相机安装板(39)与所述轴二(37)连接，所述主相机调节组件与所述轴二(37)连接并调节及固定所述轴二(37)的转动角度。
3.根据权利要求2所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，所述主相机调节组件包括套筒(31)、弹簧(32)、轴一(33)、千分尺(34)和拨片(36)，所述拨片(36)固定在所述轴二(37)上，所述轴一(33)的一端和千分尺(34)相对拨片(36)布置并夹紧拨片(36)，所述轴一(33)的另一端被所述弹簧(32)压紧在套筒(31)内。
4.根据权利要求1所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，所述双棱镜组件包括棱镜一(13)、棱镜二(23)、直线电机(16)，所述直线电机(16)的动子分别与电磁离合器一(4)、电磁离合器二(17)连接，所述电磁离合器一(4)、电磁离合器二(17)分别与内螺纹套一(6)、内螺纹套二(19)固连，所述内螺纹套一(6)、内螺纹套二(19)分别通过导向键一(5)、导向键二(18)与所述基座(15)滑动连接，所述内螺纹套一(6)、内螺纹套二(19)还分别与外螺纹套一(7)、外螺纹套二(20)螺纹旋合，所述外螺纹套一(7)、外螺纹套二(20)分别与套一(8)、套二(21)固连，所述套一(8)和套二(21)分别通过轴承一(14)和轴承二(24)安装在基座(15)内，所述棱镜一(13)、棱镜二(23)分别通过镜套一(9)、镜套二(22)安装在套一(8)、套二(21)中。
5.根据权利要求4所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，光线通过所述棱镜一(13)和棱镜二(23)所形成的光学扫描域(10-2)不小于从相机的成像视场域(10-1)，所述从相机(10)、棱镜一(13)、棱镜二(23)共同形成的组合成像视场域(25)不小于从相机的成像视场域(10-1)。
6.根据权利要求4所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，所述棱镜一(13)和棱镜二(23)均为楔角棱镜。
7.根据权利要求4所述的一种主从相机监测系统，其特征在于，所述主相机(2)、从相机(10)、短焦镜头(1)、长焦镜头(12)、棱镜一(13)和棱镜二(23)的参数通过下式决定：
Figure FDA0002520632880000021
其中n为棱镜折射率，α为棱镜楔角，fs为从相机(10)与长焦镜头(12)组合的即时焦距，
Figure FDA0002520632880000022
为从相机感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure FDA0002520632880000023
为从相机感光芯片垂直物理尺寸的一半，
Figure FDA0002520632880000024
为主相机感光芯片水平物理尺寸的一半，
Figure FDA0002520632880000025
为主相机感光芯片垂直物理尺寸的一半，fm为主相机(2)与短焦镜头(1)组合的即时焦距，
Figure FDA0002520632880000026
为水平组合视场角，
Figure FDA0002520632880000027
为垂直组合视场角；
Figure FDA0002520632880000028
Figure FDA0002520632880000029
Figure FDA00025206328800000210
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Figure FDA0002520632880000031
Figure FDA0002520632880000032
Figure FDA0002520632880000033
Figure FDA0002520632880000034
8.一种采用权利要求1～7任一所述的主从相机监测系统的监测方法，其特征在于，包括：
S1、将监测系统设置在被监测目标(27)的前方，将被监测目标(27)置于运动范围的中间位置，双棱镜组件的棱镜一(13)和棱镜二(23)的转角设置为(180°，0°)或(0°，180°)，棱镜二(23)位于棱镜一(13)与被监测目标(27)之间；
S2、调整主相机(2)、从相机(10)及基座(15)姿态，使被监测目标(27)同时处于主相机(2)与从相机(10)的视场中心，建立主相机坐标系Om-XmYmZm、从相机坐标系Os-XsYsZs和棱镜一坐标系Op-XpYpZp；
S3、采用双目标定方法，标定主相机(2)和从相机(10)的内外参数，得到从相机(10)与长焦镜头(12)组合的即时焦距fs，主相机(2)与短焦镜头(1)组合的即时焦距fm，主相机(2)相对从相机(10)的平移矩阵T和旋转矩阵R；
S4、计算被监测目标(27)所在的当量运动平面(26)在主相机坐标系下的方程Z＝Tx/sinθy，其中Tx和θy为主相机和从相机双目标定获得的外部参数，即R和T中的元素，采集被监测目标(27)的中心图像坐标，计算得到主相机(2)中被监测目标(27)的成像光线(29)与当量运动平面(26)的交点(28)；
S5、根据主相机(2)与从相机(10)坐标转换关系，计算所述主相机(2)中被监测目标(27)的成像光线(29)与当量运动平面(26)的交点(28)在从相机坐标系下的坐标，并根据几何关系计算得到从相机坐标系下该交点(28)与棱镜二的出射平面中心点(40)所在向量；
S6、根据从相机坐标系与棱镜一坐标系的坐标转换关系，将S5得到的向量转换到棱镜一坐标系，以棱镜一坐标系下的该向量为棱镜一(13)和棱镜二(23)的出射向量，根据两步法计算得到棱镜一(13)和棱镜二(23)的转角；
S7、根据棱镜一(13)和棱镜二(23)的转角，调整从相机(10)视轴指向被监测目标(27)。
9.根据权利要求8所述的一种主从相机监测方法，其特征在于，所述从相机坐标系下该交点(28)与棱镜二的出射平面中心点(40)所在向量为：
Figure FDA0002520632880000041
其中，τ1＝Tx/fm sinθy，τ2＝vsinθx+fm cosθx，fm为主相机(2)与短焦镜头(1)组合的即时焦距，Dd为Kf到从相机光心的距离，Tx、Ty、Tz、θx、θy、θz为主相机和从相机双目标定获得外部参数，即R和T中的元素。
10.根据权利要求8所述的一种主从相机监测方法，其特征在于，所述被监测目标(27)的运动范围在从相机(10)、棱镜一(13)、棱镜二(23)共同形成的组合成像视场域(25)与主相机成像视场域(30)的公共区域内。
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