CN116295278A - 一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统 - Google Patents

一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统 Download PDF

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于鲲
段慧仙
刘盼
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Abstract

本发明公开了一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，涉及视觉成像技术领域，其技术方案要点是：包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18°；所述相机与相机之间的基线长度为1.3m‑13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m‑7.5m；双目相机采用汇聚式的摆放方式。引入的第三台相机所带来的相互约束条件，使得特征点在每幅图像上具有唯一的几何位置，有效提高了图像特征点匹配的正确率。动态调整相机基线长度，扩大了测量系统的探测距离，提高了双目视觉相机的使用场景，提升了空间目标测量的精度和鲁棒性。

Description

一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统
技术领域
本发明涉及视觉成像技术领域，更具体地说，它涉及一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统。
背景技术
随着航天技术快速发展、国际形势变化，太空已成为国家级竞争和战略对抗的关键领域。在空间攻防体系中，掌握空间目标自主智能感知识别技术是应对空间威胁、确保空间安全的重要基石。空间目标自主智能感知识别要解决的核心问题是针对空间未知目标(空间碎片、故障卫星以及敌方卫星等非合作目标)的自主识别与测量。由于非合作目标的光学特性、运动特性、几何特性以及局部特征不确定，难以可靠识别与测量。
根据双目视觉立体视差原理，其测量精度依赖于目标的距离及基线长度：基线越长，距离越近，精度越高。而实际应用中，基线距离长度受双目相机安装位置的制约，限制了双目视觉相机的作用距离。为解决双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题，本申请提出一种基于动态基线调整的双目视觉相机测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，为解决双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题，满足超近程距离段的精确三维位置测量。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18°；所述相机与相机之间的基线长度为1.3m-13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m-7.5m；双目相机采用汇聚式的摆放方式，有效测试视场区域表示为：
Figure BDA0003989363930000021
其中，R表示有效测量区域的半径，L表示待测点景深，B表示两相机光心之间的基线长度距离，ξ表示相机视场角，β表示光轴倾角；有效测量区域半径R大于1.0m。
本发明进一步设置为：相机与相机之间的基线长度为1.3m、5.3m、9.3m和13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m、3.06m、5.37m、7.5m。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.引入的第三台相机所带来的相互约束条件，利用三目立体视觉进行同名特征点匹配方法，使得特征点在每幅图像上具有唯一的几何位置，有效提高了图像特征点匹配的正确率、精确度、可靠性和适用性；
2.利用动态基线调整的双目视觉相机模型，扩大了测量系统的探测距离，为双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题提供了一种解决方案，提高了双目视觉相机的使用场景，提升了空间目标测量的精度和鲁棒性；
3.相较于单一的双目测量系统，第三台相机的引入使得三目视觉测量系统包含了3组结构参数一致的双目视觉测量系统，可根据实际应用需要与三目相机成像质量调整三目模型的判断策略，使应用场景更加丰富；
4.三台相机起到了互为备份、互为冗余的作用。当系统中某一台相机因被遮挡或出现故障而失去作用时，另外两台相机可组成双目视觉测量系统，利用双目视觉算法继续完成对非合作航天器相对测量的任务，增加了测量系统的安全可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中双目立体成像原理图；
图2是本发明实施例中三目立体视觉测量系统结构示意图；
图3是本发明实施例中双目测量系统精度分析模型图；
图4是本发明实施例中基线1.3m时测量误差随测量距离的关系图；
图5是本发明实施例中双目立体视觉相机位置及各相机坐标系关系图；
图6是本发明实施例中最小待测景深Lmin与基线距离B的关系图；
图7是本发明实施例中基线为1.3m双目系统测量纵向距离结果图；
图8是本发明实施例中基线为1.3m双目系统测量横向距离结果图；
图9是本发明实施例中基线为1.3m时60m-13m距离段三轴位置误差图；
图10是本发明实施例中基线为13m双目系统测量纵向距离结果图；
图11是本发明实施例中基线为13m双目系统测量横向距离结果图；
图12是本发明实施例中基线为13m时60m-13m距离段三轴位置误差图。
具体实施方式
以下结合附图1-12对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，如图1-12所示。
双目立体视觉三维测量是基于视差原理，如图1所示为简单的平视双目立体成像原理图，两相机的投影中心的连线的距离，即基线距为b。相机坐标系的原点在相机镜头的光心处，坐标系如图所示。事实上相机的成像平面在镜头的光心后，图示中将左右成像平面绘制在镜头的光心前f处，这个虚拟的图像平面坐标系O1-uv的u轴和v轴与和相机坐标系的x轴和y轴方向一致，这样可以简化计算过程。左右图像坐标系的原点在相机光轴与平面的交点O1和O2。空间中某点P在左图像和右图像中相应的坐标分别为p1＝(u1,v1)和p2＝(u2,v2)。假定两相机的图像在同一个平面上，则点P图像坐标的Y坐标相同，即v1＝v2。由三角几何关系得到：
Figure BDA0003989363930000051
式中xc,yc,zc为点P在左相机坐标系中的坐标，b为基线距，f为两个相机的焦距，(u1,v1)和(u2,v2)分别为点P在左图像和右图像中的坐标。
视差定义为某一点在两幅图像中相应点的位置差，
Figure BDA0003989363930000052
由此可计算出空间中某点P在左相机坐标系中的坐标为：
Figure BDA0003989363930000053
因此，只要能够找到空间中某点在左右两个相机像面上的相应点，并且通过相机标定获得相机的内外参数，就可以确定这个点的三维坐标。
同时，双目视觉相机系统引入了第三台相机来提高算法的覆盖性和对复杂的目标测量环境的适应能力。三台相机呈Y型结构汇聚式排列，每台相机光轴均与测量坐标系X轴保持18°的夹角，如图2所示。
对于理想的双目测量模型(平行光轴，两相机参数一致)，立体视觉测量的精度依赖目标的测量距离、基线长度(两相机光心的距离)以及投影矩阵的精度等。而对于适用于工作距离较长的非平行双目测量模型，还需要考虑测量模型的系统结构对精度的影响，主要包括：基线B、相机光轴与基线的夹角al和ar、焦距fl和fr，以及测量距离z等。
根据本申请的双目视觉相机布局，建立双目测量系统精度分析模型。如图3所示，两相机平行放置，成像平面所在的图像坐标系为ol-xlyl和or-xryr，ol和or表示两相机的光轴中心，则Olol和Oror为两相机的光轴。这里的测量模型的坐标系原点建立在左相机的光心，x轴为两相机光心的连线，由左相机光心指向右相机光心，y轴竖直向下，通过右手准则得到z轴。对于空间点P(X,Y,Z)，在左右相机成像平面的坐标用pl(xl,yl)和pr(xr,yr)表示。P点对垂直平面的投影角度分别为
Figure BDA0003989363930000061
和/>
Figure BDA0003989363930000062
p点对水平面的投影角度分别为wl和wr。
P’表示点p在水平面上的投影点，根据双目测量系统的几何位置关系，在
Figure BDA0003989363930000063
中有：
Figure BDA0003989363930000064
在Δpp’oi中可得：
Figure BDA0003989363930000071
根据上式，可得P点的三维坐标可表示为：
Figure BDA0003989363930000072
其中，
Figure BDA0003989363930000073
Figure BDA0003989363930000074
本申请的双目视觉相机布局中，左右相机参数默认为一致，相机光轴与基线的夹角αl＝αr＝α＝72°，B＝1300mm。为简化模型，假设P点处于左右光轴与基线形成的平面上，
Figure BDA0003989363930000075
则Y＝0。三轴方向上的误差仅由坐标提取误差xl、xr、yl和yl产生，假定左右相机坐标提取误差相等，则x轴和z轴的误差可以表示为：
Figure BDA0003989363930000076
Figure BDA0003989363930000077
设左右相机的坐标提取产生的误差为δl＝δr＝δ，则点P在x轴方向上的测量误差为：
Figure BDA0003989363930000081
Figure BDA0003989363930000082
Figure BDA0003989363930000083
双目视觉相机的焦距为10mm，令系统坐标提取误差δ＝5.5μm，则测量误差与测量距离之间的关系如图4所示。
通过以上公式和图4可以看出，当前双目测量系统下，目标距相机10m处时测量误差为56.7mm，但到60m处时测量误差上升为1962.3mm，并且相同距离下，测量误差与基线长度呈反比。因此在系统坐标提取误差和相机公共视场满足测量条件的情况下，基线越长，双目视觉相机的测量结果越精确。
由于双目视觉相机基线长度的制约，系统测量范围只能局限于最终的逼近距离段(13m以内)。本申请提出一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，如图5所示，双目系统初始基线长度为1.3m，三台相机分别固定在“Y”形支架的末端，呈等边三角形布置，每条边初始长度为75cm(可根据不同观测距离动态调节)，两条边之间的夹角为120°，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18°。双目相机采用汇聚式的摆放方式，双目测量系统的有效测试视场区域可以表示为：
Figure BDA0003989363930000091
其中，R表示有效测量区域的半径，L表示待测点景深，B表示两相机光心之间的基线距离，ξ表示相机视场角，β表示光轴倾角。为保证在最近距离内非合作目标表面对接环和关键特征在三目测量模型有效视场内，有效测量区域半径R大于1.0m。三台可见光相机的视场角均为30°，三目相机的光轴倾角为18°。当有效测量区域半径R为1.0m时，最小待测点景深Lmin和相机基线B的关系如图6所示。在双目视觉相机工作的60m-1m距离段，构建4档动态基线可调的双目视觉相机模型，如下表1所示。
表1 4档动态基线可调的双目视觉相机模型(单位：m)
基线长度B Y支架长度 探测距离段
1.3 0.75 >1.0
5.3 3.06 >3.2
9.3 5.37 >5.0
13 7.5 >6.7
为了对比不同相机基线长度对双目测量系统测量误差的影响，通过模型仿真生成非合作目标超近距离段(60m-13m)的三目图像数据，分别设置基线长度为1.3m和13m。图7-12为两种不同基线条件下的双目视觉位置测量结果以及与仿真真值的误差结果。可以看出，基线长度为1.3m时(图7-图8)，距离非合作目标60m处双目视觉系统的测量误差为1.064m(图9)；而当基线长度增大到13m时(图10-图12)，相同距离下双目视觉系统的测量误差仅为0.210m(图12)，精度提升了5倍，与上节双目视觉相机测量精度分析的结论一致，从而体现了基于动态基线调整的双目视觉相机模型方案的优势，将双目视觉测量的最大距离提升到了60m，提高了双目视觉相机的适用场景，提升空间目标相对测量的精度和鲁棒性。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，其特征是：包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18°；所述相机与相机之间的基线长度为1.3m-13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m-7.5m；双目相机采用汇聚式的摆放方式，有效测试视场区域表示为：
Figure FDA0003989363920000011
其中，R表示有效测量区域的半径，L表示待测点景深，B表示两相机光心之间的基线长度距离，ξ表示相机视场角，β表示光轴倾角；有效测量区域半径R大于1.0m。
2.根据权利要求1所述的一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，其特征是：相机与相机之间的基线长度为1.3m、5.3m、9.3m和13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m、3.06m、5.37m、7.5m。
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