CN1707293A - 全向图像反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全向图像反射镜，全向图像反射镜是一种以较小的镜面映射出较大视野的图像反射镜，并获取近距离内无畸变的图像信息。全向图像反射镜利用边缘处的平面镜，可以使全场映射图像无盲区。该反射镜的垂直镜面轴心的切面为同心圆，通过镜面轴心的截面曲线为等比曲线、等斜率直线和斜率为零的水平直线所组成，等比映射镜截面曲线与等斜率镜面截面曲线的交接点为无拐点连接，等斜率镜面截面曲线与平面镜截面直线为光滑连接。本发明与现有的反射镜相比，具有所映射的物体形状无畸变，且视觉范围大、无盲区等优点，主要应用于机器人视觉导航、视频会议、监视、监控和场景恢复，特别在移动机器人视觉导航的应用中，能够对目标物体进行快速准确地跟踪和定位。

Description

全向图像反射镜

技术领域

本发明涉及一种新型的全向图像反射镜，这种反射镜主要应用在机器人视觉导航、视频会议、监视、监控和场景恢复等领域，特别是在移动机器人的视觉导航中的应用，能快速准确的对目标物体跟踪与定位。

背景技术

根据成像原理，获取全向信息图像的方法大致分为如下三种：旋转成像或多摄像机成像；鱼眼镜头成像或标准曲面的全向反射镜成像。

旋转成像是用普通摄像机绕通过其光心的垂直轴旋转，在旋转中获取不同角度的多幅图像，将这些图像拼接或者重新采样来获得全向图像信息。由于摄像机光学中心的物理位置不能确定，旋转轴的位置可能不经过摄像机光心，导致成像不满足单一约束。而多摄像机成像受像机物理特性和安装精度的限制，也很难解决单一视点约束问题，成像后数据处理算法复杂，相对响应速度低。

鱼眼镜头具有很短的焦距(f＜3mm)，这使摄像机能够观察到接近半球面内的物体，视场角接近180°，可以获取大视场图像。但这种成像存在较大的图像畸变；无法从所获取的图像中映射出无畸变的透视投影图像；同时视场角越大，其光学系统越复杂，造价越昂贵。

而目前在机器人应用领域中较普遍使用的是标准曲面全向反射镜，如：圆锥面镜、球面镜、抛物面镜及双曲面镜等，用这种方法虽然解决了单一视点问题，但无法解决映射图像中图像畸变的问题，因此图像处理算法复杂。

发明内容

本发明为了解决上述成像镜中存在的问题，提供一种全向图像反射镜，该发明以高的成像性能和及其低的造价成本，很容易的解决上述成像镜中存在的问题，即获取图像的单一视点约束问题和映射透视投影图像的畸变问题。

本发明解决其技术问题及所采用的技术方案是：全向图像反射镜由三部分组成，第一部分：为解决在获取映射图像中无畸变的透视投影图像问题，将全向图像反射镜的中心部分设计成等比映射镜面，即被测物体离光轴的距离与映射到像平面内物体所成像的像素到光轴的距离对应成比例，且保持这个比例恒定，由此可以保证映射图像无畸变；第二部分：解决在获取远距离平面目标物体图像和具有一定高度目标物体图像问题，这就意味全向信息反射镜能感知宽的视野，当被测目标距离机器人较远时，允许获取的图像有畸变，只要方位对就可以驱动机器人接近被测目标，因此将全向图像反射镜第二部分设计成等斜率镜面，即全向图像反射镜的第二部分通过轴心的截面为圆台型；第三部分：由于机器人本体尺寸的存在和光线的直线传播，使得离机器人非常近的区域里存在盲区，因此将全向图像反射镜边缘部分设计成平面镜，以感知这部分盲区，由此达到无盲区地获取全场图像的目的。

全向图像反射镜等比映射镜面部分(见图1)，应满足以下关系式：

$\frac{d\left(x_1\right)}{x_1}=\frac{d\left(x_2\right)}{x_2}=\frac{d\left(x_3\right)}{x_3}=......=\frac{d\left(x_n\right)}{x_n}=k---\left(1\right)$

式中：d(x_i)；表示场地上被检测到的物体距反射镜光轴的水平距离；x_i；表示场地内距光轴距离为d(x_i)的物体在像平面内所成像的像素距光轴的距离；k为比例因子。

如果镜面映射物体的成像满足式(1)，说明场地的信息就是按照一定的比例映射到了像平面内，且物体在镜中所映射的图像无畸变。通过解方程式(1)可以发现，如果以上的等式要是成立的话，那么该微分方程为奇异方程。要使方程为非奇异方程可设：

d(x_i)＝kx_i+b    (2)

式中：b是一个偏移常数，在计算时将使它趋近于无穷小。根据图1以及光学的一些基础知识，Y(t(x))表示关于t(x)镜面曲线方程，可以求得等比镜面的曲线的微分方程为：

$Y^{\′}=\frac{-n\±\sqrt{m^2+n^2}}{m}$

式中：

m＝kf(Y-H)t+(Y-H)²(b-t)-Y(Y-H)t；n＝Y(Y-H)²+kft²+t(b-t)(Y-H)；f表示相机的焦距；h表示像平面离地的高度；H＝h+f；t(x)是关于x的方程并把t(x)简写成t；x表示像平面中所成像的像素到光轴的距离。

通过龙格一库塔方法对以上的常微分方程进行求解，用Matlab画出其曲线，可根据曲线的形状来确定镜面的外形。根据Matlab计算可以得到 $Y^{\′}=\frac{-n+\sqrt{m^2+n^2}}{m}$ 所生成的曲线为所求的镜面截面。

全向图像反射镜等斜率镜面部分，为了保证图像信息的连续性，等斜率镜面与等比映射镜的交接点为无拐点连接，数学关系式为：

Y＝Y(t₀)+Y′(t₀)t    (t≥t0)

其中：t₀为在全向信息反射镜通过镜面轴心的截面曲线中等比映射镜面与等斜率镜面的交点，在t坐标轴上的坐标(见图2)。

全向图像反射镜的平面镜部分，由于机器人本体尺寸的存在和光线的直线传播，使得离机器人非常近的区域存在盲区，因此将全向图像反射镜的边缘部分设计成平面镜。

该部分镜面的数学表述为：

Y＝Y(t₁)    (t≥t₁)

其中：t₁为在全向图像反射镜通过镜面轴心的截面曲线中等斜率镜与平面镜的交点，在t坐标轴上的坐标(见图2)。

本发明的有益效果是：全向图像反射镜的优点是在水平面内具有360°的视觉范围，即不仅在水平方向获取有效视觉范围内的图像为无畸变图像；而在垂直方向也具有一定高度的视觉范围，同时还解决了近距离内由于光线的直线传播所造成的视觉盲区问题。

附图说明

图1全向图像反射镜第一部分等比映射镜面成像原理图；

图2全向图像反射镜通过轴心的截面曲线图；

图3镜面不同部分的图像采集区域。

在图1中，1.光轴，2.CCD传感器，3.反射镜面，4.反射镜面法线，5.光线，6.观测物水平面。在图2中，a.等比映射区，b.圆台映射区，c.水平映射区。在图3中，i.传感器，ii.机器人本体，iii.消除盲区的近距离反射区，iv.无畸变反射区，v.远景和具有一定高度的物体反射区。

具体实施方式

下面以一个具体的全向图像反射镜为例，说明全向图像反射镜的制作过程：该反射镜的尺寸是：反射镜半径为60cm，总高度为25cm。测试目标物体的范围高度为85cm，无畸变图像的测试目标物体的范围是以光轴为圆心半径为3200cm的区域，总目标物体的测试范围是以光轴为圆心半径为9300cm的区域。

第一部分等比曲面镜的方程为： $Y^{\′}=\frac{-n\±\sqrt{m^2+n^2}}{m}$

在 $Y^{\′}=\frac{-n+\sqrt{m^2+n^2}}{m}$ 中各个参数的值分别为：k＝2000；b＝0.00001；f＝3.5；h＝450；Y₀＝500；t＝0～30。

可以求得t＝30时Y＝515.09，把这些值代入 $Y^{\′}=\frac{-n+\sqrt{m^2+n^2}}{m}$ 中就可以求得该点切线的斜率Y′(30)＝0.5328。

第二部分等斜率镜面的方程为：

Y＝Y(t₀)+Y′(t₀)t        (42.44≥t≥30)

Y＝515.09+0.5328t

第三部分平面镜方程为：

Y＝Y(t₁)                 (70≥t≥42.44)

Y＝521.75

全向图像反射镜制造材料为不锈钢，根据CCD传感器的焦距f和需要测试的目标物体范围的要求，按以上理论推导公式，通过Matlab系统软件进行理论计算，并按此理论计算结果在数控加工中心设备上进行轮廓加工。轮廓加工完成后，进行表明抛光处理之后，将其安装在机器人本体上。在移动机器人视觉导航的应用中，本发明能够对目标物体进行快速准确地跟踪和定位。与现有的反射镜相比，具有所映射的物体形状无畸变、视觉范围大、无盲区等优点。

Claims (1)

1、一种全向信息反射镜，其特征是：全向信息反射镜的垂直镜面轴心的切面为同心圆，通过镜面轴心的截面曲线为等比曲线、等斜率直线和斜率为零的水平直线组成，等比映射镜截面曲线与等斜率镜面截面曲线的交接点为无拐点连接，等斜率镜面截面曲线与平面镜截面直线为光滑连接；

其中：

等比曲线的数学方程为： $Y^{\′}=\frac{-n\±\sqrt{m^2+n^2}}{m}$

式中：

m＝kf(Y-H)t+(Y-H)²(b-t)-Y(Y-H)t；n＝Y(Y-H)²+kft²+t(b-t)(Y-H)；

f表示相机的焦距；h表示像平面离地的高度；H＝h+f；t(x)是关于x的方程并把t(x)简写成t；x表示像平面中所成像的像素到光轴的距离；

等斜率直线的数学方程为：Y＝Y(t₀)+Y′(t₀)t             (t≥t₀)

其中：t₀为在全向信息反射镜通过镜面轴心的截面曲线中等比映射镜面与等斜率镜面的交点，在t坐标轴上的坐标；

水平直线的数学方程为：Y＝Y(t₁)                        (t≥t₁)

其中：t₀为在全向信息反射镜通过镜面轴心的截面曲线中等比映射镜面与等斜率镜面的交点，在t坐标轴上的坐标。

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