CN1786765A - 全向视觉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向视觉装置，它包括全向反射镜面和摄像机，全向反射镜面和摄像机安装于筒体内，全向反射镜面安装于筒体的顶部，摄像机通过摄像机安装座安装于筒体的底部，全向反射镜面的中心点位于摄像机的光轴线上，摄像机安装座设于水平调节机构上，该全向反射镜面由水平等比镜面和垂直等比镜面组合而成。本发明是一种能够实现所获取全景图像和现实场景中对应点的距离关系呈线性的，分辨率不变的，能够使所获取全景图像失真较小的全向视觉装置。

Description

全向视觉装置

技术领域

本发明主要涉及到计算机视觉装置领域，特指一种用于采集全景图像的全向视觉装置，它还可应用于移动机器人视觉导航、机器人足球赛、监视和监控、视频会议、场景恢复等技术领域。

背景技术

现有技术中，全向视觉系统由全向反射镜面和摄像机组成，全向反射镜面起着反射光线的作用，摄像机则通过镜头折射采集全向反射镜面反射的光线，获取全景图像。对于成像效果来说，还取决于全向反射镜面与摄像机之间的位置关系以及它们是否水平等因素，在不同的环境和状态下，都必须对全向反射镜面和摄像机进行几个方向上的精密调整才能获得较佳的取景成像效果，而上述现有的全向视觉系统均存在位置调整困难，精度不高的问题。

全向反射镜面的形状对采集到的全景图像的特性有着决定性的影响。现有的常用全向反射镜面有圆锥形镜面、球形镜面、椭球线镜面、抛物线镜面以及双曲线镜面等。这些镜面的共同特点是镜面形状简单，能够用数学解析式精确的描述，加工难度相对比较小，适合构建紧凑廉价的全向视觉系统。但通过这些镜面所获取的全景图像存在严重的桶形失真，图像中分辨率随着与全向视觉系统距离的增大而降低，全景图像和实际场景中的距离关系是非线性的。假设现有一个12×7米的足球场地，球场两端各有一个1米高的蓝色或者黄色球门。由双曲线镜面构成的全向视觉系统位于场地中心时，从获得的关于该场地的全景图像中可以明显看出场地边界直线成像为弧线；同时由于镜面加工的误差和镜面安装上的偏差，这个桶形失真很难校正，就移动机器人视觉导航应用来说，该失真造成的后果是很难通过全景图像来准确估计场地上目标点的位置，并给机器人的自定位带来了很大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现所获取全景图像和现实场景中对应点的距离关系里线性的，分辨率不变的，能够使所获取全景图像失真较小的全向视觉装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种全向视觉装置，它包括全向反射镜面和摄像机，其特征在于：所述全向反射镜面和摄像机安装于筒体内，全向反射镜面安装于筒体的顶部，摄像机通过摄像机安装座安装于筒体的底部，全向反射镜面的中心点位于摄像机的光轴线上，摄像机安装座设于水平调节机构上；所述全向反射镜面由水平等比镜面和垂直等比镜面组合而成。

所述全向反射镜面上的水平等比镜面和垂直等比镜面的剖面曲线于镜面剖面曲线上的点P(t_j，F_j)处连接，其中从镜面剖面曲线的中心点至P(t_j，F_j)处的一段满足水平等比镜面公式：

$F^{\′}=\frac{-1+\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}}{\mathrm{\α}},$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{tf}-\mathrm{df}+\mathrm{xF}}{\mathrm{tx}-\mathrm{dx}-\mathrm{fF}},$ d＝ax+b， $x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f},$ f表示摄像机焦距，d表示水平面上的物体到摄像机光轴的水平距离，x表示该物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，h表示摄像机CCD平面到水平面的高度，t表示镜面剖面曲线上的点到摄像机光轴的水平距离，F是一个关于t的函数，表示镜面剖面曲线上的点到水平面的高度，a和b均为需要调整的镜面设计参数；从P(t_j，F_j)至镜面剖面曲线的外端点满足垂直等比镜面公式；

$F^{\′}=-\mathrm{\α}+\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+1},$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{fz}-\mathrm{fF}+\mathrm{xt}-\mathrm{xC}}{\mathrm{xF}-\mathrm{xz}+\mathrm{ft}-\mathrm{fC}},$ z＝a(x-x₀)+b， $x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f},$ f表示摄像机焦距，C表示需要满足成像分辨率不变的垂直场景到摄像机光轴的水平距离，也是组合镜面中水平等比部分镜面所能看到的最远距离，x₀表示水平面上该最远距离处的物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，z表示该最远距离处水平面上方物体的高度，x表示该物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，h表示摄像机CCD平面到水平面的高度，t表示镜面剖面曲线上的点到摄像机光轴的水平距离，F是一个关于t的函数，表示镜面剖面曲线上的点到水平面的高度，a和b均为需要调整的镜面设计参数。

所述水平调整机构包括底板、三根或四根关节轴承连接杆、关节轴承和连接杆，三根或四根关节轴承连接杆均布并穿设于底板的通孔上，通过螺母固定限位；三根或四根关节轴承连接杆通过关节轴承与连接杆相连，所述连接杆与摄像机安装座相连。

所述全向视觉装置进一步包括垂直调节机构，它包括第一摄像机位置调节接圈、第二摄像机位置调节接圈以及两个或两个以上的第一限位螺钉和第二限位螺钉；所述第一摄像机位置调节接圈和第二摄像机位置调节接圈均与筒体同轴，并位于筒体的下方，摄像机安装座与第二摄像机位置调节接圈为螺纹配合连接；第二摄像机位置调节接圈安装于第一摄像机位置调节接圈之上，通过均布安装于第一摄像机位置调节接圈上的第一限位螺钉限位，第二限位螺钉均布安装于第一摄像机位置调节接圈上，该第二限位螺钉的头部与开设于摄像机安装座外周上的导向槽配合连接。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的全向反射镜面由水平等比镜面和垂直等比镜面组合而成，结合了二者的优点在一个反射镜面上实现，极大的改善了全向视觉系统的成像特性，克服了由已有的圆锥形镜面、球形镜面、椭球线镜面、抛物线镜面以及双曲线镜面等常规镜面构成的全向视觉系统存在的如下缺陷：全景图像存在极大的桶形失真，图像中分辨率随着与全向视觉系统距离的增大而降低，全景图像和实际场景中的距离关系是非线性的等。本发明的全向反射镜面能够使在一定距离内的水平场景以及一定距离处的垂直场景的成像分辨率均不变；这种全向反射镜面使距全向视觉系统较近的范围内的水平场景的成像分辨率不变，能够保持原始形状，该范围内的全景图像没有发生畸变，无需校正，物体之间在图像上的距离乘以一个固定参数就能得到其在现实场景中的实际距离，较远处的场景成像高度上畸变较小，例如，对移动机器人视觉导航应用来说，即能够利用近处场景的成像实现精确的目标识别和机器人自定位，利用远处场景的成像实现准确的目标识别；

2、本发明的全向视觉装置结构简单、拆装方便，可以方便地实现镜面与摄像机之间距离的粗、微调节，以及系统整体的水平调节，其中水平调节装置具有三自由度姿态调节功能，它可以方便的实现水平调整以及有限的垂直位置调整，垂直调节装置可以在保持摄像机姿态角不变的情况下实现摄像机与全向反射镜面之间距离的调节。该安装装置可以实现全向视觉系统的精密安装和调节，使全向视觉系统能够获得极佳的取景成像效果。该安装装置的工作原理还可以广泛应用于其它光学系统的安装调节，水平调节装置的调节原理还可应用于其它各种要求进行水平调节的场合。

综上所述，本发明设计的全向视觉装置由于其优异的成像特性和便捷的调节性能，能够广泛的应用于移动机器人视觉导航、机器人足球赛、监视和监控、视频会议、场景恢复等领域。

附图说明

图1是本发明全向视觉装置的结构示意图；

图2是本发明全向视觉装置的主视结构示意图；

图3是本发明全向视觉装置的俯视结构示意图；

图4是图3中A-A线的剖面示意图；

图5是本发明中水平调节机构的结构示意图；

图6是本发明中全向反射镜面的示意图；

图7是水平等比镜面的原理示意图；

图8是垂直等比镜面的原理示意图；

图9是本发明具体实施例中全向反射镜面的剖面曲线示意图；

图例说明

1、全向反射镜面                 11、全向反射镜面安装座

2、摄像机

3、筒体                         4、摄像机安装座

41、导向槽

51、底板                        52、关节轴承连接杆

53、关节轴承                    54、连接轴

55、螺母                        61、第一摄像机位置调节接圈

62、第二摄像机位置调节接圈      63、第一限位螺钉

64、第二限位螺钉

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的全向视觉装置，它包括全向反射镜面1和摄像机2，全向反射镜面1和摄像机2安装于筒体3内，筒体3为透明材料制成，全向反射镜面1通过全向反射镜面安装座11安装于筒体3的顶部，摄像机2通过摄像机安装座4安装于筒体3的底部，全向反射镜面1的中心点位于摄像机2的光轴线上，摄像机安装座4设于水平调节机构上。参见图5，该水平调节机构包括底板51、三根或四根关节轴承连接杆52、关节轴承53和连接轴54，三根或四根关节轴承连接杆52均布并穿设于底板51的通孔上并用螺母55固定限位，三根或四根关节轴承连接杆52通过关节轴承53与连接轴54相连，该连接轴54与关节轴承连接杆52的方向垂直，关节轴承连接杆52与摄像机安装座4相连。使用时，当需要调整摄像机2的水平位置时，只需要拧松一根或多根固定关节轴承连接杆52的限位螺母55，调整关节轴承连接杆52在垂直方向上的位置，这样的话，就能使固定于连接杆52上的摄像机安装座4可以在水平范围上进行调整。在较佳实施例中，本发明还可以进一步包括垂直调节机构，该垂直调节机构包括第一摄像机位置调节接圈61、第二摄像机位置调节接圈62以及两个或两个以上的第一限位螺钉63和第二限位螺钉64。第一摄像机位置调节接圈61和第二摄像机位置调节接圈62均设置于筒体3内，摄像机安装座4与第二摄像机位置调节接圈62为螺纹配合。第二摄像机位置调节接圈62安装于第一摄像机位置调节接圈61之上，通过均布安装于第一摄像机位置调节接圈61上的第一限位螺钉63将第二摄像机位置调节接圈62限制为只能在第一摄像机位置接圈61上作转动。第二限位螺钉62均布安装于第一摄像机位置调节接圈61上，其螺钉头部与开设于摄像机安装座4外周上的导向槽41配合，限制摄像机安装座4的水平转动。使用该垂直调节机构时，转动筒体3，就会带动第二摄像机调节接圈62作旋转运动，这时由于摄像机安装座4与第二摄像机调节接圈62的螺纹配合，以及第二限位螺钉64的限制，摄像机安装座4就会作单纯的上或下运动，从而实现摄像机2与全向反射镜面1之间的距离调节。

如图6所示本发明全向视觉装置的全向反射镜面1，该全向反射镜面1由水平等比镜面和垂直等比镜面组合而成，水平等比部分镜面和垂直等比部分镜面的剖面曲线于镜面剖面曲线上的点P(t_j，F_j)处连接，其中全向反射镜面1的剖面曲线从镜面剖面曲线的中心点至P(t_j，F_j)处的一段满足水平等比镜面公式，从P(t_j，F_j)处至镜面剖面曲线的外端点满足垂直等比镜面公式。

水平等比镜面(isomeric horizontal mirror)可以用于构建一种水平场景无畸变的全景成像系统，该镜面能使水平场景的成像分辨率不变。水平等比镜面是指水平面和所成图像中的对应点之间的距离关系是线性的，镜面成像示意图如图7所示。F(t)为镜面剖面曲线的函数，水平面上的点P(d，0)成像于摄像机CCD上距离光轴x处。

根据光线反射时入射角等于出射角，＝φ+θ，所以tg(+θ)＝tg(φ+2θ)，又因为tgθ＝F′(t)， $\mathrm{tg\φ}=\frac{x}{f},$ 所以

$\frac{d-t}{F}=(\frac{x}{f}+\frac{2F^{\′}}{1-F^{\′2}})/(1-\frac{x}{f}\frac{{2F}^{\′}}{1-F^{\′2}})\·\·\·\left(1\right)$

因为水平距离等比，所以可以设

d＝ax+b，a＞＞b(2)

由(1)式可得aF′²+2F′-α＝0，因为镜面为凸形镜面，故取其正根

$F^{\′}=\frac{1+\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}}{\mathrm{\α}}\·\·\·\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{tf}-\mathrm{df}+\mathrm{xF}}{\mathrm{tx}-\mathrm{dx}-\mathrm{fF}}\·\·\·\left(4\right)$

$x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f}\·\·\·\left(5\right)$

将(2)、(4)、(5)式代入(3)式后所得的微分方程即描述了水平等比镜面的剖面曲线。该方程没有解析解，只有数值解。

垂直等比镜面(isomeric vertical mirror)可以用于构建一种柱面场景无畸变的全景成像系统，该镜面能使垂直柱面场景的成像分辨率不变。垂直等比镜面是指到摄像机光轴一定距离的垂直面和所成图像中的对应点之间的距离关系是线性的，镜面成像示意图如图8所示。F(t)为镜面剖面的函数，水平面上的点P(r，0)成像于CCD上距离光轴x0处，该点上方高度z处的点P(r,z)成像于CCD上距离光轴x处。

根据光线反射时入射角等于出射角，＝φ＋2θ，所以tg＝tg(φ+2θ)，又因为tgθ＝F′(t)， $\mathrm{tg\φ}=\frac{x}{f},$

所以 $-\frac{r-t}{z-F}=(\frac{x}{f}+\frac{2F^{\′}}{1-F^{\′2}})/(1-\frac{x}{f}\frac{2F^{\′}}{1-F^{\′2}})\·\·\·\left(6\right)$

因为垂直距离等比，所以可以设r＝C时

z＝a(x-x₀)+b，a＞＞b    (7)

由(6)式可得F′²+ 2αF′-1＝0，因为镜面为凸形镜面，故取其正根

$F^{\′}=-\mathrm{\α}+\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+1}\·\·\·\left(8\right)$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{fz}-\mathrm{fF}+\mathrm{xt}-\mathrm{xC}}{\mathrm{xF}-\mathrm{xz}+\mathrm{ft}-\mathrm{fC}}\·\·\·\left(9\right)$

$x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f}\·\·\·\left(10\right)$

将(7)、(9)、(10)式代入(8)式后所得的微分方程即描述了垂直等比镜面的剖面曲线。同水平等比镜面情况一样，该方程只有数值解。

本发明全向反射镜面1根据全向视觉装置不同的应用场合和应用要求，可以分别设置图6中水平等比镜面所能观察到的水平面的最远距离值R_max和垂直等比镜面在该距离所能观察到的最大高度值Z_max，以及摄像机的焦距f、摄像机CCD到水平地面的距离h、全向反射镜面到水平地面的距离h₀等，并调整镜面设计参数a、b，使用MATLAB工具可以求解出新设计镜面剖面曲线的数值解。具体的求解过程如下所示：

①、将公式(2)、(4)、(5)代入公式(3)后得到描述水平等比镜面剖面曲线的以t、F为变量的微分方程，以(t，F)＝(0，h₀)为初始值，使用MATLAB中的ode23函数求解出水平等比部分镜面的剖面曲线的一系列数值解(t，F)，使该部分镜面能看到的水平面上的最远距离为R_max，得到该距离上的点在CCD上的成像点到光轴的距离x₀，同时得到该部分镜面剖面曲线最外部的数值解(t_j，F_j)；

②、将公式(7)、(9)、(10)代入公式(8)后得到描述垂直等比镜面剖面曲线的以t、F为变量的微分方程，以(t，F)＝(t_j，F_j)为初始值，同样使用MATLAB中的ode23函数求解出垂直等比部分镜面的剖面曲线的一系列数值解(t，F)，使水平等比部分镜面和垂直等比部分镜面的剖面曲线的斜率在结合点P(t_j，F_j)处连续，并使垂直等比部分镜面在水平距离为R_max处能看到高度为Z_max的物体。

③、两部分镜面的剖面曲线的数值解即可构成本发明所设计全向反射镜面的剖面曲线完整的数值解。

以本发明全向视觉装置作为移动机器人视觉导航装置为具体实例，设定摄像机2的CCD到水平地面的距离h为50cm，全向反射镜面1到水平地面的距离h₀为62cm，摄像机2的焦距f为6mm。通过调整镜面设计参数，水平等比镜面和垂直等比镜面的剖面曲线的数学描述推导过程中的参数a分别为6000和3000，b均取为0.01，使水平等比部分镜面能看到6.5米远的距离，而垂直等比部分镜面在6.5米远处能看到1米高度的物体，使用MATLAB工具按照前面描述的具体求解过程求解出镜面剖面曲线的数值解。所设计的全向反射镜面的剖面曲线如图9所示。全向视觉装置的全向反射镜面1可使距全向视觉系统6.5米范围内的水平场地的成像保持原始形状，直线仍然成像成直线，90度的直角也保持不变，该范围内的图像无需校正，物体之间在图像上的距离乘以一个固定参数就能得到其在场地上的实际距离，6.5米外处的物体成像高度上变形较小，对移动机器人视觉导航来说，能够利用近处场景的成像实现精确的目标识别和机器人自定位，利用远处场景的成像实现准确的目标识别。

Claims (5)

1、一种全向视觉装置，它包括全向反射镜面(1)和摄像机(2)，其特征在于：所述全向反射镜面(1)和摄像机(2)安装于筒体(3)内，全向反射镜面(1)安装于筒体(3)的顶部，摄像机(2)通过摄像机安装座(4)安装于筒体(3)的底部，全向反射镜面(1)的中心点位于摄像机(2)的光轴线上，摄像机安装座(4)设于水平调节机构上；所述全向反射镜面(1)由水平等比镜面和垂直等比镜面组合而成。

2、根据权利要求1所述的全向视觉装置，其特征在于：所述全向反射镜面(1)上的水平等比镜面和垂直等比镜面的剖面曲线于镜面剖面曲线上的点P(t_j，F_j)处连接，其中从镜面剖面曲线的中心点至P(t_j，F_j)处的一段满足水平等比镜面公式：

$F^{\′}=\frac{-1+\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}}{\mathrm{\α}},$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{tf}-\mathrm{df}+\mathrm{xF}}{\mathrm{tx}-\mathrm{dx}-\mathrm{fF}},$ d＝ax+b， $x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f},$ f表示摄像机焦距，d表示水平面上的物体到摄像机光轴的水平距离，x表示该物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，h表示摄像机CCD平面到水平面的高度，t表示镜面剖面曲线上的点到摄像机光轴的水平距离，F是一个关于t的函数，表示镜面剖面曲线上的点到水平面的高度，a和b均为需要调整的镜面设计参数；从P(t_j，F_j)至镜面剖面曲线的外端点满足垂直等比镜面公式：

$F^{\′}=-\mathrm{\α}+\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+1},$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{fz}-\mathrm{fF}+\mathrm{xt}-\mathrm{xC}}{\mathrm{xF}-\mathrm{xz}+\mathrm{ft}-\mathrm{fC}},$ z＝a(x-x₀)+b， $x=\frac{\mathrm{tf}}{F-h-f},$ f表示摄像机焦距，C表示需要满足成像分辨率不变的垂直场景到摄像机光轴的水平距离，也是组合镜面中水平等比部分镜面所能看到的最远距离，x₀表示水平面上该最远距离处的物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，z表示该最远距离处水平面上方物体的高度，x表示该物体在摄像机CCD上的成像位置到摄像机光轴的距离，h表示摄像机CCD平面到水平面的高度，t表示镜面剖面曲线上的点到摄像机光轴的水平距离，F是一个关于t的函数，表示镜面剖面曲线上的点到水平面的高度，a和b均为需要调整的镜面设计参数。

3、根据权利要求1或2所述的全向视觉装置，其特征在于：所述水平调节机构包括底板(51)、三根或四根关节轴承连接杆(52)、关节轴承(53)和连接杆(54)，三根或四根关节轴承连接杆(52)均布并穿设于底板(51)的孔中，通过螺母(55)固定限位；三根或四根关节轴承连接杆(52)通过关节轴承(53)与连接杆(54)相连，所述连接杆(54)与摄像机安装座(4)相连。

4、根据权利要求1或2所述的全向视觉装置，其特征在于：所述全向视觉装置进一步包括垂直调节机构，它包括第一摄像机位置调节接圈(61)、第二摄像机位置调节接圈(62)以及两个或两个以上的第一限位螺钉(63)和第二限位螺钉(64)；所述第一摄像机位置调节接圈(61)和第二摄像机位置调节接圈(62)均与筒体(3)同轴，并位于筒体(3)的下方，摄像机安装座(4)与第二摄像机位置调节接圈(62)为螺纹配合连接；第二摄像机位置调节接圈(62)安装于第一摄像机位置调节接圈(61)之上，通过均布安装于第一摄像机位置调节接圈(61)上的第一限位螺钉(63)限位，第二限位螺钉(62)均布安装于第一摄像机位置调节接圈(61)上，该第二限位螺钉(62)的头部与开设于摄像机安装座(4)外周上的导向槽(41)配合连接。

5、根据权利要求3所述的全向视觉装置，其特征在于：所述全向视觉装置进一步包括垂直调节机构，它包括第一摄像机位置调节接圈(61)、第二摄像机位置调节接圈(62)以及两个或两个以上的第一限位螺钉(63)和第二限位螺钉(64)；所述第一摄像机位置调节接圈(61)和第二摄像机位置调节接圈(62)均与筒体(3)同轴，并位于筒体(3)的下方，摄像机安装座(4)与第二摄像机位置调节接圈(62)为螺纹配合连接；第二摄像机位置调节接圈(62)安装于第一摄像机位置调节接圈(61)之上，通过均布安装于第一摄像机位置调节接圈(61)上的第一限位螺钉(63)限位，第二限位螺钉(62)均布安装于第一摄像机位置调节接圈(61)上，该第二限位螺钉(62)的头部与开设于摄像机安装座(4)外周上的导向槽(41)配合连接。

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