CN113804104A - 一种基于双cmos相机的光点空间位置探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统及方法，所述系统包括：探测成像单元、传感探测单元、中央计算单元、远程操作单元，所述探测成像单元与中央计算单元连接，所述中央计算单元与远程操作单元连接，所述传感探测单元与所述探测成像单元连接；所述探测成像单元为两个CMOS相机。本系统可以通过修改传感探测单元信号采集电路的相关电学参数和CMOS相机的曝光时间以完成相应的瞬间光信号光点空间位置的精确探测。本发明通过使用光信号触发相机的方式，大大减少了所需处理的数据量，简化了程序设计的复杂度，使探测系统简单小型化，并且容易操作。

Description

一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统及方法

技术领域

本发明涉及高速运动光点空间位置探测的技术领域，尤其涉及一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统及方法。

背景技术

高速运动光点空间位置探测在航天、军事、工业等领域有重要的地位。目前国内外对于光点空间位置坐标的获取主要是通过声学探测法和相机测量法。声学探测法是一种采用声传感器探测产生瞬间光信号时在空中发出的自然声波来实现定位的测量方法，虽然具有可测量范围大、目标与声波传感器保持一定安全距离的优点，但是声波在空气中的传播速度慢，所以该方法不适用于高速目标的位置测量场合。传统的基于视觉方式的测量方法多采用多个高速摄像机以一定的位置关系放置，对光点进行高速成像，并通过相关图像处理算法并结合相机的相对位置关系就可以解算出光点的空间三维位置坐标。但由于高速摄像机的成像频率难以与随机光点产生的频率相匹配，因此需要通过后续的算法对采集的大量图像数据进行处理，以得到所需的光点图像，增加了程序设计的复杂度。此外，由于高速摄像机的造价较高，导致这种方案的成本较高。

发明内容

为了克服现有高速运动的光点空间位置测量方法存在的响应速度慢、精度低、软件设计复杂、造价成本高等缺陷和不足，本发明的目的是提供一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统及方法，从而能够实现利用光信号触发高分辨率全局快门CMOS相机测量高速运动光点空间三维位置。本方案由于利用了光点发出的光信号本身进行相机的触发成像，获得的数字图像均是包含光点信息的有效图像，大大简化了程序设计的复杂度，在一定程度上有效地提升光点空间位置的探测效率。此外，CMOS图像传感器的空间分辨率日益提高，可以满足高精度光点空间位置测量的要求。

为实现本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：所述系统包括：探测成像单元、传感探测单元、中央计算单元、远程操作单元，所述探测成像单元与中央计算单元连接，所述中央计算单元与远程操作单元连接，所述传感探测单元与所述探测成像单元连接；所述探测成像单元为两个CMOS相机；

所述传感探测单元的探测敏感面接收光点闪光时的光点光能量，并将闪光点的光信号转化为电信号，并输出触发信号接入两个CMOS相机进行拍摄，所述中央计算单元在两图像中求取光点重心二维坐标并进行双目立体视觉算法解算，得到闪光点的空间三维位置坐标。

其中，还包括标定测试单元，所述标定测试单元包括三脚架以及设置在三脚架上的闪光控制器，所述闪光控制器顶端设置有气泡水平器，所述闪光控制器朝向探测成像单元的侧面上沿同一圆周间隔均匀设置有四根折叠支杆，每个所述折叠支杆端部均设置一个LED，4个LED在一个平面内。

其中，所述闪光控制器朝向探测成像单元的侧面上四个LED的中心安装一个高强度激光器用于指示4个LED的中心。

其中，还包括主三角架，所述主三脚架上端设置有横向设置的固定臂，且与所述固定臂的中间部位连接，两个CMOS相机分别安装在固定臂的两端，传感探测单元为光电触发器，所述光电触发器和激光测距仪依次设置在固定臂中间部位上方。

其中，所述主三脚架和固定臂之间设置有方位角旋转台和俯仰角偏转台，所述俯仰角偏转台上方通过固定架与固定臂连接。

相应地，本发明还提供了一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测方法，包括如下步骤：

步骤1：在传感探测单元的探测表面前端放置光学镜头，用于汇聚闪光瞬间产生的光能量；

步骤2：传感探测单元将捕获得到的光信号转换为微弱的电信号，再经过后续的运算放大器进行放大滤波，最后通过电压比较器和单稳态触发器将模拟信号转为数字触发信号；

步骤3：数字触发信号送入两CMOS相机控制其成像频率，使其可在光信号持续时间内对光点进行成像，得到光点的左右数字图像；

步骤4：中央计算单元在上述数字图像中搜索光点特征，计算得到左右光点二维重心坐标，并结合已知的相机内外参数按照双目视觉原理进行解算得到光点的空间位置坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本方法对于不同类型造成的瞬间光信号所产生的光点位置测量都有一定的适用范围，其中区别瞬间光信号不同类型的因素主要包括瞬间光信号的光能量强弱以及持续时间长短，具体可以通过修改传感探测单元信号采集电路的相关电学参数和CMOS相机的曝光时间以完成相应的瞬间光信号光点空间位置的精确探测。

(2)相比于采用高速摄像机高速采集图像的方式，本发明通过使用光信号触发相机的方式，大大减少了所需处理的数据量，简化了程序设计的复杂度，使探测系统简单小型化，并且容易操作。

(3)通过修改传感探测单元信号采集电路的相关滤波放大电学参数可以消除复杂的背景光和其他干扰，并提升了系统的稳定性。

(4)在数字图像处理过程中采用图像差分方法可消除强烈背景光和其他干扰的影响，提高了探测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的标定测试单元的结构示意图；

图3为本发明的传感探测单元以及探测成像单元的安装结构示意图；

图4为本发明的方法流程示意图；

图中：101、CMOS相机单元，103、主三脚架，104、中央计算单元，105、远程操作单元，106、标定测试单元，201、气泡水平器，202、闪光控制器，203、折叠支杆，204、LED，205、三脚架；301、固定臂，302、光电触发器，303、CMOS相机，304、激光测距仪，305、固定架，306、俯仰角偏转台，307、方位角旋转台。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

应该理解，当本申请文件中称部件被“连接”到另一部件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间部件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，包括：探测成像单元101、传感探测单元、中央计算单元104、远程操作单元105，所述探测成像单元101与中央计算单元104连接，所述中央计算单元104与远程操作单元105连接，所述传感探测单元与所述探测成像单元101连接；所述探测成像单元101为两个CMOS相机；所述传感探测单元为光电触发器302；

所述传感探测单元的探测敏感面接收光点闪光时的光点光能量，并将闪光点的光信号转化为电信号，并输出触发信号接入两个CMOS相机进行拍摄，所述中央计算单元104在两图像中求取光点重心二维坐标并进行双目立体视觉算法解算，得到闪光点的空间三维位置坐标。

需要说明的是，本发明中的中央计算单元104和远程操作单元105均可使用具有相应功能的计算机。

在优选的实施例中，还包括标定测试单元106，所述标定测试单元106包括三脚架205以及设置在三脚架205上的闪光控制器202，所述闪光控制器202顶端设置有气泡水平器201，所述闪光控制器202朝向探测成像单元101的一侧的侧面上沿同一圆周间隔均匀设置有四根折叠支杆204，每个所述折叠支杆204端部均设置一个LED，4个LED在一个平面内。所述闪光控制器202朝向探测成像单元101的一侧的侧面上四个LED的中心安装一个高强度激光器用于指示4个LED的中心，用高精度仪器量取4个LED的位置关系，因为这是精密的标定装置，这样提高测量结果的可靠性。

在优选的实施例中，还包括主三角架103，所述主三脚架103上端设置有横向设置的固定臂301，且与所述固定臂301的中间部位连接，两个CMOS相机分别安装在固定臂301的两端，所述光电触发器302和激光测距仪304依次设置在固定臂301中间部位上方。

在优选的实施例中，所述主三脚架和固定臂之间设置有方位角旋转台307和俯仰角偏转台306，所述俯仰角偏转台306上方通过固定架305与固定臂连接。

为根据左右光点二维重心坐标解算出光点的空间位置坐标，需要得到左右两CMOS相机的内外参数条件，该条件需要通过标定单元完成。

需要说明的是，本申请将已经标定好的传感探测单元安装在距离闪光点的一个固定位置，并将固定传感探测单元的固定臂与光点的运动方向平行，通过上位机设置合适的工作参数，即可启动探测。光点在一个已知中心点附近产生瞬间光信号，传感探测单元中的光电触发器接收光信号并通过后级电路将其滤波放大整形为数字触发信号同时输入两CMOS相机对光点进行拍摄，中央计算单元根据数字图像和已知的相机内外参数结合双目视觉算法进行解算，即可得到目标光点的空间三维位置坐标。

相应地，本发明还提供一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测方法，光点闪光瞬间的光能量经由光学镜头作用于传感探测单元的探测表面，经过信号采集放大滤波整形电路得到数字触发信号送入双CMOS相机进行成像，结合两个相机之间已知的相对位置关系以及双目视觉算法就可以解算出光点闪光瞬间的空间三维位置坐标。具体流程为：(1)在传感探测单元的探测表面前端放置光学镜头，用于汇聚闪光瞬间产生的光能量；(2)传感探测单元将捕获得到的光信号转换为微弱的电信号，再经过后续的运算放大器进行放大滤波，最后通过电压比较器和单稳态触发器将模拟信号转为数字触发信号；(3)上述数字触发信号送入两CMOS相机控制其成像频率，使其可在光信号持续时间内对光点进行成像，得到光点的左右数字图像；(4)中央计算单元在上述数字图像中搜索光点特征，计算得到左右光点二维重心坐标，并结合已知的相机内外参数按照双目视觉原理进行解算得到光点的空间位置坐标。

为根据左右光点二维重心坐标解算出光点的空间位置坐标，需要得到左右两CMOS相机的内外参数条件，该条件需要通过标定单元完成。

如图4所示，当闪光信号发生时，光电触发器前端的聚光透镜汇聚光信号作用于光电二极管的探测面，光电二极管产生微弱的光电流信号，经过后级的电流、电压转换电路转换为电压信号，再由多级运算放大器进行滤波和放大处理，得到质量较好的模拟电压信号，之后通过整流二极管将交流信号转换为直流信号，并送入电压比较器。电压比较器将模拟电压信号与上位机通过DAC给出的参考电压相比较，得到脉冲信号。单稳态触发器将可能存在的间距极短的多个脉冲信号转换为一个稳定的数字触发信号，最后同时送入两CMOS相机进行触发拍摄。

本发明使用基于光信号触发的双CMOS相机的高速运动光点空间位置探测方法具有探测速度快、精度高、信号处理电路简单、程序设计简易、成本较低以及对被测环境背景与光学系统要求较低的显著优势，并且在不同外界环境下都具有良好的适用范围。

需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：所述系统包括：探测成像单元(101)、传感探测单元、中央计算单元(104)、远程操作单元(105)，所述探测成像单元(101)与中央计算单元(104)连接，所述中央计算单元(104)与远程操作单元(105)连接，所述传感探测单元与所述探测成像单元(101)连接；所述探测成像单元(101)为两个CMOS相机；

所述传感探测单元的探测敏感面接收光点闪光时的光点光能量，并将闪光点的光信号转化为电信号，并输出触发信号接入两个CMOS相机进行拍摄，所述中央计算单元(104)在两图像中求取光点重心二维坐标并进行双目立体视觉算法解算，得到闪光点的空间三维位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：还包括标定测试单元(106)，所述标定测试单元(106)包括三脚架(205)以及设置在三脚架(205)上的闪光控制器(202)，所述闪光控制器(202)顶端设置有气泡水平器(201)，所述闪光控制器(202)朝向探测成像单元(101)的侧面上沿同一圆周间隔均匀设置有四根折叠支杆(204)，每个所述折叠支杆(204)端部均设置一个LED，4个LED在一个平面内。

3.根据权利要求2所述的基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：所述闪光控制器(202)朝向探测成像单元(101)的侧面上四个LED的中心安装一个高强度激光器用于指示4个LED的中心。

4.根据权利要求1所述的基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：还包括主三角架(103)，所述主三脚架(103)上端设置有横向设置的固定臂(301)，且与所述固定臂(301)的中间部位连接，两个CMOS相机分别安装在固定臂(301)的两端，传感探测单元为光电触发器(302)，所述光电触发器(302)和激光测距仪(304)依次设置在固定臂(301)中间部位上方。

5.根据权利要求4所述的基于双CMOS相机的光点空间位置探测系统，其特征在于：所述主三脚架和固定臂之间设置有方位角旋转台(307)和俯仰角偏转台(306)，所述俯仰角偏转台(306)上方通过固定架(305)与固定臂连接。

6.一种基于双CMOS相机的光点空间位置探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在传感探测单元的探测表面前端放置光学镜头，用于汇聚闪光瞬间产生的光能量；

步骤2：传感探测单元将捕获得到的光信号转换为微弱的电信号，再经过后续的运算放大器进行放大滤波，最后通过电压比较器和单稳态触发器将模拟信号转为数字触发信号；

步骤3：数字触发信号送入两CMOS相机控制其成像频率，使其可在光信号持续时间内对光点进行成像，得到光点的左右数字图像；

步骤4：中央计算单元在上述数字图像中搜索光点特征，计算得到左右光点二维重心坐标，并结合已知的相机内外参数按照双目视觉原理进行解算得到光点的空间位置坐标。

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