CN111854636B - 一种多相机阵列三维检测系统和方法 - Google Patents
一种多相机阵列三维检测系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种多相机阵列三维检测系统,包括:立体视觉阵列单元,数据采集单元,数据处理单元,立体视觉阵列单元包括的彩色成像相机和灰度相机与数据采集单元和数据处理单元通过通信信号连接。一种多相机阵列三维检测方法,包括:根据工作面架设立体视觉阵列单元的相机和线激光发射器;对每台相机摄取的图像进行立体校正;灰度相机拍摄图像后,完成激光线图像信息的立体匹配,彩色成像相机完成彩色纹理信息的获取;结合物点的三维坐标和对应的彩色信息获得立体彩色信息数据,得到待测物体的完整三维立体信息。通过彩色成像相机和灰度相机阵列安装,进行图像信息的深度信息和彩色信息的立体匹配,精度高,保证物体三维检测的高效、实时性与准确性。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域,尤其涉及一种多相机阵列三维检测系统和方法。
背景技术
目前,现有的三维感知技术主要为双目立体视觉成像技术,需要一对相机同时采集场景图像,通过匹配算法对比左右图像,计算出视差信息,基于视差信息和三角测量原理,最终得到3D信息。
但是目前的双目立体视觉系统的常见方案的双目立体视觉涉及到的匹配算法的复杂度很高,因此需要强大的运算单元,成本高,难以小型化,运算单元的动态负载使得实时性有限,速度慢,很难保证一致的实时性;双目系统立体匹配部分对于成像场景的要求比较高,使用深度相机,一般来说彩色图像和深度图像上的点不是一一对应的,需要将彩色图像和深度图像中的立体信息结合,但精度稍低,数据可能不是完整的;由于低光和弱纹理区域不具有丰富的纹理信息,环境适应性较差。而且根据立体彩色信息恢复出三维点云,进行数据重合,重建速度相对较快,但是重建得到的数据量巨大,难以进行实时传输,因此没有较好的表现。
因此,本领域的技术人员致力开发一种基于彩色成像相机和灰度相机的三维信息检测方法,在相机所采集的图像中,如何实时进行高精度的三维环境感知,提高系统实时性,降低时延,解决三维重建速度慢,实时性有限等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷,提出一种多相机阵列三维检测系统,利用灰度相机和彩色成像相机阵列同步连接,处理速度快,实时传输,不受环境干扰,应用场景广。
本发明的目的及解决的技术问题是采用以下技术方案来实现的:
一种多相机阵列三维检测系统,包括:
立体视觉阵列单元,数据采集单元,数据处理单元,所述立体视觉阵列单元包括阵列组合的彩色成像相机和灰度相机,所述彩色成像相机和灰度相机与数据采集单元和数据处理单元通过通信信号连接。
优选的,所述数据处理单元包括立体匹配模块、校正模块、三维重建模块,所述数据处理单元将立体视觉阵列单元摄取到的图像信息处理生成深度信息和彩色纹理信息,并进行三维重建生成点云图。
优选的,所述多相机阵列三维检测系统还包括线激光发射器。
优选的,根据权利要求1所述的一种多相机阵列三维检测系统,其特征在于,所述立体视觉阵列单元的相机数量为4台,在同一平面阵列排列,所述彩色成像相机和灰度相机各两台,任意两台彩色成像相机和灰度相机完成三维检测中的距离计算;
其中,所述彩色成像相机为a1和a2,所述灰度相机为b1和b2,a1和b1、a1和b2、a2和b1、a2和b2两两组合分别同时工作,工作模式为:所述彩色成像相机a1采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b2采集摄取图像的深度信息。
优选的,所述立体视觉阵列单元的相机数量还包括4台以上。
优选的,所述立体视觉阵列单元中的彩色成像相机和灰度相机同步触发;
通过触发信号连接的方式,使彩色成像相机和灰度相机实现同步触发。
本发明还提供了一种多相机阵列三维检测方法,包括以下步骤:
S1:确立工作面的空间位置和角度,根据工作面架设所述立体视觉阵列单元的相机和线激光发射器,将所述立体视觉阵列单元和线激光发射器分别架设于工作面上,控制线激光发射器发出的线激光投射到待测物体上,所述立体视觉阵列单元摄取到激光线,超出其投射范围时所述立体视觉阵列单元与线激光发射器同时调整位置;
S2:对所述立体视觉阵列单元每台相机摄取的图像进行立体校正,对校正后的图像进行立体匹配得到视图视差,并根据视图视差计算得到待测物体的深度信息;
S3:所述立体视觉阵列单元的灰度相机拍摄图像后,采集处理激光线的图像,计算激光线图像的中心点,根据双目原理计算左右两侧对应物点的三维坐标,完成激光线图像信息的立体匹配,取特征点,生成基于特征点约束的点云图;
所述立体视觉阵列单元的彩色成像相机完成图像彩色纹理信息的采集获取;
S4:根据所述立体视觉阵列单元的灰度相机和彩色成像相机的三维位姿信息获得物点在空间坐标系的三维位姿信息,根据三维位姿信息计算映射得到二维图像对应点的像素值的彩色信息,结合物点的三维坐标和对应的彩色信息获得立体彩色信息数据;
S5:对所述立体视觉阵列单元的灰度相机和彩色成像相机摄取到的图像信息通过数据处理单元,根据摄取到的激光线和彩色纹理信息的位姿关系进行三维重建,将深度信息与彩色图像信息匹配,生成待测物体的全部点云图,完成数据融合后计算出待测物体的三维立体信息,并将结果输出,得到待测物体的完整三维立体信息。
优选的,所述步骤S3中,所述根据双目原理计算左右对应点的三维坐标,双目原理计算公式为:Z=f*T/disparity(1),其中f和T均为相机标定参数。
优选的,所述步骤S4中,所述根据三维位姿信息计算得到二维图像对应点的像素值彩色信息,3维到2维映射的计算式:u=(X/Z)*f+u0,(2)
v=(Y/Z)*f+v0(3),其中u,v为所述特征点的二维坐标,X,Y,Z为物点的三维坐标,f,u0和v0均为相机标定参数。
优选的,所述步骤S2中,对所述立体视觉阵列单元每台相机摄取的图像进行立体校正,调整所述立体视觉阵列单元的相机间的角度和距离,输出校正图像。
有益效果
本发明中通过多台彩色成像相机和灰度相机阵列排列安装,完成对红外线、线激光和彩色域的图像采集,同时结合激光线补光,对待测物体进行图像信息的深度信息和彩色信息的立体匹配,精度高,速度快,可以根据实际需求更改配置,保证了物体三维检测的高效、实时性与准确性。
附图说明
图1为一种多相机阵列三维检测系统的结构示意图;
图2为一种多相机阵列三维检测系统一种实施例的相机结构示意图;
图3为一种多相机阵列三维检测系统的信号处理流程示意图。
图1、图2、图3附图标记说明:1-灰度相机,2-彩色成像相机,3-立体视觉阵列单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,本领域普通技术人员在没有付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。
应当理解,在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分,但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。
在本实施例中,本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的:
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的:
一种多相机阵列三维检测系统,包括:
立体视觉阵列单元,数据采集单元,数据处理单元,所述立体视觉阵列单元3包括阵列组合的彩色成像相机2和灰度相机1,所述彩色成像相机2和灰度相机1与数据采集单元和数据处理单元通过通信信号连接。
优选的,所述数据处理单元包括立体匹配模块、校正模块、三维重建模块,所述数据处理单元将立体视觉阵列单元摄取到的图像信息处理生成深度信息和彩色纹理信息,并进行三维重建生成点云图。
优选的,所述多相机阵列三维检测系统还包括线激光发射器。
优选的,所述立体视觉阵列单元3的相机数量为4台,在同一平面阵列排列,所述彩色成像相机2和灰度相机1各两台,任意两台彩色成像相机和灰度相机完成三维检测中的距离计算;
其中,本实施例中,如图2所述,所述彩色成像相机为a1和a2,所述灰度相机为b1和b2,a1和b1、a1和b2、a2和b1、a2和b2两两组合分别同时工作,工作模式为:所述彩色成像相机a1采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b2采集摄取图像的深度信息。
优选的,所述立体视觉阵列单元3的相机数量还包括4台以上。
优选的,所述立体视觉阵列单元3中的彩色成像相机2和灰度相机1同步触发;
通过触发信号连接的方式,使彩色成像相机2和灰度相机1实现同步触发。
本发明还提供了一种多相机阵列三维检测方法,包括以下步骤:
S1:确立工作面的空间位置和角度,根据工作面架设所述立体视觉阵列单元的相机和线激光发射器,将所述立体视觉阵列单元和线激光发射器分别架设于工作面上,控制线激光发射器发出的线激光投射到待测物体上,所述立体视觉阵列单元摄取到激光线,超出其投射范围时所述立体视觉阵列单元与线激光发射器同时调整位置;
S2:对所述立体视觉阵列单元3每台相机摄取的图像进行立体校正,对校正后的图像进行立体匹配得到视图视差,并根据视图视差计算得到待测物体的深度信息;
S3:所述立体视觉阵列单元3的灰度相机1拍摄图像后,采集处理激光线的图像,计算激光线图像的中心点,根据双目原理计算左右两侧对应物点的三维坐标,完成激光线图像信息的立体匹配,取特征点,生成基于特征点约束的点云图;
所述立体视觉阵列单元3的彩色成像相机2完成图像彩色纹理信息的采集获取;
S4:根据所述立体视觉阵列单元3的灰度相机1和彩色成像相机2的三维位姿信息获得物点在空间坐标系的三维位姿信息,根据三维位姿信息计算映射得到二维图像对应点的像素值的彩色信息,结合物点的三维坐标和对应的彩色信息获得立体彩色信息数据;
S5:对所述立体视觉阵列单元的灰度相机和彩色成像相机摄取到的图像信息通过数据处理单元,根据摄取到的激光线和彩色纹理信息的位姿关系进行三维重建,将深度信息与彩色图像信息匹配,生成待测物体的全部点云图,完成数据融合后计算出待测物体的三维立体信息,并将结果输出,得到待测物体的完整三维立体信息。
优选的,所述步骤S3中,所述根据双目原理计算左右对应点的三维坐标,双目原理计算公式为:Z=f*T/disparity(1),其中f和T均为相机标定参数。
优选的,所述步骤S4中,所述根据三维位姿信息计算得到二维图像对应点的像素值彩色信息,3维到2维映射的计算式:u=(X/Z)*f+u0,(2)
v=(Y/Z)*f+v0(3),其中u,v为所述特征点的二维坐标,X,Y,Z为物点的三维坐标,f,u0和v0均为相机标定参数。
优选的,所述步骤S2中,对所述立体视觉阵列单元每台相机摄取的图像进行立体校正,调整所述立体视觉阵列单元的相机间的角度和距离,输出校正图像。
在本实施例中,实施操作前,对双目相机的左摄像头和有摄像头进行立体标定,得到所述双目相机的内参矩阵A、左摄像头和右摄像头之间的旋转矩阵R与平移向量T。在进行实际检测时根据上述数据进行误差、畸变计算。
优选的,所述步骤S2中,对所述立体视觉阵列单元每台摄取的图像进行立体校正,调整所述立体视觉阵列单元的相机间的角度和距离,输出校正图像。
在本实施例中,对图像进行立体校正包括:
将所述旋转矩阵R分解为两个旋转矩阵r1和rr,其中r1和rr通过假设将所述左摄像头和所述右摄像头各旋转一半使所述左摄像头和所述右摄像头的光轴平行而得到;
对图像进行行对准通过下式实现:
其中,Rrect为使行对准的旋转矩阵:
旋转矩阵Rrect由极点e1方向开始,以所述左轮廓图像的原点为主,所述左摄像头至所述右摄像头的平移向量的方向为主点方向:
e1与e2正交,将e1归一化到单位向量:
其中,Tx为平移向量T在双目相机所处平面内水平方向的分量,Ty为平移向量T在双目相机所处平面内竖直方向的分量;
e3与e1和e2正交,e3通过如下公式计算得到:
e3=e2×e1
根据上述旋转矩阵物理意义有:
其中,α表示为使行对准,所述左摄像头和所述右摄像头在其所处平面内需要旋转的角度,0≤α≤180°;对于所述左摄像头,使其绕e3方向旋转α',对于右相机,使其绕e3方向旋转α”。
有益效果
本发明中通过多台彩色成像相机和灰度相机阵列排列安装,完成对红外线、线激光和彩色域的图像采集,同时结合激光线补光,对待测物体进行图像信息的深度信息和彩色信息的立体匹配,精度高,速度快,可以根据实际需求更改配置,保证了物体三维检测的高效、实时性与准确性。
以上公开的本说明书优选实施例只是用于帮助阐述本说明书,可选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本说明书的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本说明书。本说明书仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种多相机阵列三维检测方法,其特征在于,基于多相机阵列三维检测系统,所述系统包括:立体视觉阵列单元,数据采集单元,数据处理单元以及线激光发射器,所述立体视觉阵列单元包括阵列组合的彩色成像相机和灰度相机,所述彩色成像相机和灰度相机与数据采集单元和数据处理单元通过通信信号连接;所述数据处理单元包括立体匹配模块、校正模块、三维重建模块,所述数据处理单元将立体视觉阵列单元摄取到的图像信息处理生成深度信息和彩色纹理信息,并进行三维重建生成点云图;所述立体视觉阵列单元中的彩色成像相机和灰度相机同步触发,通过触发信号连接的方式,使彩色成像相机和灰度相机实现同步触发;
所述立体视觉阵列单元的相机数量为4台,在同一平面阵列排列,所述彩色成像相机和灰度相机各两台,任意两台彩色成像相机和灰度相机完成三维检测中的距离计算;其中,所述彩色成像相机为a1和a2,所述灰度相机为b1和b2,a1和b1、a1和b2、a2和b1、a2和b2两两组合分别同时工作,工作模式为:所述彩色成像相机a1采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b1采集摄取图像的深度信息;或,所述彩色成像相机a2采集摄取图像的彩色信息,所述灰度相机b2采集摄取图像的深度信息;
或者,所述立体视觉阵列单元的相机数量还包括4台以上;
所述多相机阵列三维检测方法包括以下步骤:
S1:确立工作面的空间位置和角度,根据工作面架设所述立体视觉阵列单元的相机和线激光发射器,将所述立体视觉阵列单元和线激光发射器分别架设于工作面上,控制线激光发射器发出的线激光投射到待测物体上,所述立体视觉阵列单元摄取到激光线,超出其投射范围时所述立体视觉阵列单元与线激光发射器同时调整位置;
S2:对所述立体视觉阵列单元每台相机摄取的图像进行立体校正,对校正后的图像进行立体匹配得到视图视差,并根据视图视差计算得到待测物体的深度信息;
S3:所述立体视觉阵列单元的灰度相机拍摄图像后,采集处理激光线的图像,计算激光线图像的中心点,根据双目原理计算左右两侧对应物点的三维坐标,完成激光线图像信息的立体匹配,取特征点,生成基于特征点约束的点云图;
所述立体视觉阵列单元的彩色成像相机完成图像彩色纹理信息的采集获取;
S4:根据所述立体视觉阵列单元的灰度相机和彩色成像相机的三维位姿信息获得物点在空间坐标系的三维位姿信息,根据三维位姿信息计算映射得到二维图像对应点的像素值的彩色信息,结合物点的三维坐标和对应的彩色信息获得立体彩色信息数据;
S5:对所述立体视觉阵列单元的灰度相机和彩色成像相机摄取到的图像信息通过数据处理单元,根据摄取到的激光线和彩色纹理信息的位姿关系进行三维重建,将深度信息与彩色图像信息匹配,生成待测物体的全部点云图,完成数据融合后计算出待测物体的三维立体信息,并将结果输出,得到待测物体的完整三维立体信息。
2.根据权利要求1所述的一种多相机阵列三维检测方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述根据双目原理计算左右对应点的三维坐标,双目原理计算公式为:Z=f*T/disparity(1),其中f和T均为相机标定参数,Z为深度值,disparity为视差。
3.根据权利要求2所述的一种多相机阵列三维检测方法,其特征在于,所述步骤S4中,所述根据三维位姿信息计算得到二维图像对应点的像素值彩色信息,3维到2维映射的计算式:u=(X/Z)*f+u0,(2)
v=(Y/Z)*f+v0(3),其中u,v为所述特征点的二维坐标,X,Y,Z为物点的三维坐标,f,u0和v0均为相机标定参数。
4.根据权利要求1所述的一种多相机阵列三维检测方法,其特征在于,所述步骤S2中,对所述立体视觉阵列单元每台相机摄取的图像进行立体校正,调整所述立体视觉阵列单元的相机间的角度和距离,输出校正图像。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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