基于反射镜的折转光路摄像测量装置及方法与流程

本发明涉及摄像测量技术领域，尤其涉及一种基于反射镜的折转光路摄像测量装置及方法。

背景技术：

随着摄像测量学的快速发展，以及摄像机、计算机、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、现场可编程门阵列(Programmable Gate Array，FPGA)等硬件性能的提高与成本的降低，摄像测量在许多领域中的应用越来越普及。

利用摄像单元对目标进行拍摄，从而获取目标的数字图像是摄像测量的基础而重要的环节，它直接影响目标的标定要求和成像质量，科学合理的设计摄像单元与目标之间的光路具有重要意义。在实际应用中，由于具体应用场景的限制，经常会遇到拍摄距离短而视场大的情况，这时一般采用以下方法来解决：(1)使用短焦广角镜头甚至鱼眼镜头来扩大摄像单元的视场角，但是广角镜头的像差很难控制，尤其是畸变通常较大，其成像质量较普通焦段的镜头要差，从而不仅对目标标定工作和测量算法提出了更高的要求，而且影响测量的精度。(2)使用多个摄像机从不同方位进行拍摄，每个摄像机经过标定后建立各自的模块坐标系，然后将多个模块坐标系统一到一个全局坐标系下。这种方法提高了摄像单元的复杂度和成本，增加了标定和测量算法的工作量，同时还会引入一些新的误差。

例如，在非接触四轮定位测量仪研制过程中，需要利用摄像单元拍摄被结构光照射的车轮的图像。如图1所示，如果采用普通焦段的镜头(最大视场角为2θ)，并让摄像单元C正对车轮侧面(直径W)拍摄，此时车轮与摄像单元C之间需要留有较长的空间距离d才能将整个车轮纳入镜头视场内。考虑到用户的车辆检测区等实际应用场景的空间一般较紧凑，汽车两侧空间有限，通常需要将测量设备与车轮侧方之间的距离控制在较短距离d'以内，此时车轮对d'处所张视场角为2θ'，比2θ要大许多，配有普通焦段镜头的摄像单元已无法拍摄车轮的完整图像。在这种情况下，传统解决方法的测量精度低、实施和操作的便易性不足、设备的成本高等已不能很好的满足需求。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于反射镜的折转光路摄像测量装置及方法，旨在解决在空间受限位置处对成像目标进行测量处理时，测量精度低、实施和操作的便易性不足、设备的成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于反射镜的折转光路摄像测量装置，所述装置包括：平面反射镜、摄像单元和处理单元；

所述平面反射镜，用于将成像目标的光路折转至所述摄像单元所处方向；

所述摄像单元，用于根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

所述处理单元，用于对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理。

优选地，所述光路的光轴与所述平面反射镜之间呈45度。

优选地，所述平面反射镜的长度不小于预设长度阈值。

优选地，所述预设长度阈值根据下式确定，

AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)

其中，AB为所述预设长度阈值，l＝d_opt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d为所述成像目标与预设矩形之间的最小距离；所述预设矩形的斜对角线为所述平面反光镜；d_opt为摄像单元对所述成像目标实现最优成像时，所述摄像单元与所述成像目标之间的距离；w为所述成像目标的宽度；θ为摄像单元的最大半视场角。

优选地，所述处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理时，将所述摄像单元拍摄的图像视为由虚拟摄像设备所拍摄，且所述虚拟摄像设备与所述摄像单元的摄像参数相同，所述虚拟摄像设备为所述摄像单元在所述平面反光镜所形成的虚像。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种基于反射镜的折转光路摄像测量方法，所述方法包括以下步骤：

平面反射镜将成像目标的光路折转至摄像单元所处方向；

所述摄像单元根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理。

优选地，所述光路的光轴与所述平面反射镜之间呈45度。

优选地，所述平面反射镜的长度不小于预设长度阈值。

优选地，所述预设长度阈值根据下式确定，

AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)

其中，AB为所述预设长度阈值，l＝d_opt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d为所述成像目标与预设矩形之间的最小距离；所述预设矩形的斜对角线为所述平面反光镜；d_opt为摄像单元对所述成像目标实现最优成像时，所述摄像单元与所述成像目标之间的距离；w为所述成像目标的宽度；θ为摄像单元的最大半视场角。

优选地，所述处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理时，将所述摄像单元拍摄的图像视为由虚拟摄像设备所拍摄，且所述虚拟摄像设备与所述摄像单元的摄像参数相同，所述虚拟摄像设备为所述摄像单元在所述平面反光镜所形成的虚像。

本发明可在空间受限位置处利用反射镜将光路折转至其它方向，使得摄像单元能够在相应位置处采用最佳成像角度和距离来拍摄成像目标的完整图像，并将图像送入处理单元进行测量处理，摄像单元不需要配备特殊的广角镜头，采用普通焦段镜头即可满足要求，也不需要采用多个摄像单元对同一目标进行多方位拍摄，单个摄像单元即可摄入目标的完整图像，因此，在实际使用中，测量设备的精度高，易于实施，可操作性更好。

另外，本发明的数字化与自动化程度高，能以摄像单元和处理单元为核心硬件设备，可以方便地利用处理单元控制摄像单元，并对所述摄像单元获取的图像数据进行存储、复制、传输和自动化处理。

附图说明

图1为现有技术中短距离大视场摄像测量方式的示意图；

图2为本发明基于反射镜的折转光路摄像测量装置第一实施例的结构框图；

图3为本发明一种实施例中基于反射镜的折转光路摄像测量方式的原理示意图；

图4为本发明一种实施例中反射镜尺寸与拍摄距离的关系；

图5为本发明基于反射镜的折转光路摄像测量方法第一实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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。

参照图2，本发明第一实施例提供一种基于反射镜的折转光路摄像测量装置，所述装置包括：平面反射镜、摄像单元和处理单元；

所述平面反射镜，用于将成像目标的光路折转至所述摄像单元所处方向；

可理解的是，所述成像目标即为需要进行摄像测量的对象，所述成像目标的光路即为所述成像目标发出光的传播路径。

所述摄像单元，用于根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

在具体实现中，所述摄像单元的镜头朝向所述平面反射镜，从而能够根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

当然，所述摄像单元可为摄像机，当然，也可为图像传感器，本实施例对此不加以限制。

所述处理单元，用于对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理。

需要说明的是，所述处理单元即为具有图像测量处理功能的设备，例如：上位机或服务器等，本实施例对此不加以限制。

本发明可在空间受限位置处利用反射镜将光路折转至其它方向，使得摄像单元能够在相应位置处采用最佳成像角度和距离来拍摄成像目标的完整图像，并将图像送入处理单元进行测量处理，摄像单元不需要配备特殊的广角镜头，采用普通焦段镜头即可满足要求，也不需要采用多个摄像单元对同一目标进行多方位拍摄，单个摄像单元即可摄入目标的完整图像，因此，在实际使用中，测量设备的精度高，易于实施，可操作性更好。

另外，本发明的数字化与自动化程度高，能以摄像单元和处理单元为核心硬件设备，可以方便地利用处理单元控制摄像单元，并对所述摄像单元获取的图像数据进行存储、复制、传输和自动化处理。

为便于获取所述图像，参照图3，所述光路的光轴(即对应图3中的“光轴2”)与所述平面反射镜之间呈45度，当然，还可为其他角度，本实施例对此不加以限制。

为防止所述平面反光镜的长度过小，从而导致所述图像不完整，本实施例中，所述平面反射镜的长度不小于预设长度阈值。

为便于确定所述预设长度阈值，本实施例中，所述预设长度阈值根据下式确定，

AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)

其中，AB为所述预设长度阈值，l＝d_opt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d为所述成像目标与预设矩形之间的最小距离；所述预设矩形的斜对角线为所述平面反光镜；d_opt为摄像单元对所述成像目标实现最优成像时，所述摄像单元与所述成像目标之间的距离；w为所述成像目标的宽度；θ为摄像单元的最大半视场角。

可理解的是，所述预设长度阈值的计算公式的推导过程如下：

参照图3，其中，W为成像目标，M为平面反射镜，C为摄像单元，C′为摄像单元C经平面反射镜M所成的虚像，光轴1为C直接正对W拍摄时的光轴，光轴2为C经过M对W拍摄时的光轴。

假设在应用场景中，摄像单元C需要放置在距离成像目标W为d_opt的位置时才能实现最优成像(即将C置于图3中C′处)，但是由于实际空间条件的限制，使得摄像单元C正对成像目标W的距离不能超过d_max。为了能够继续采用配有普通焦段镜头的摄像单元C，可以将一面与光轴1呈45度夹角且中心O位于光轴1上的平面反射镜M插入光路中，并使摄像单元C绕O点逆时针旋转到上方，且光轴2与M成45度夹角，这就使得成像目标W向右发出的光线被平面反射镜M反射至图3上方，最后在摄像单元C的新位置处聚焦成像，从而解决了成像目标W右侧空间不足的问题。依据平面反射镜的光学成像特性，此时摄像单元C经平面反射镜M所成的虚像C′恰好位于d_opt处，从而实现了与直接将C置于d_opt处拍摄成像目标W时相同的效果，为了分析的方便，可以将C′视为与C具有相同摄像参数的虚拟摄像设备，因此，所述处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理时，可将所述摄像单元拍摄的图像视为由虚拟摄像设备所拍摄，且所述虚拟摄像设备与所述摄像单元的摄像参数相同，所述虚拟摄像设备为所述摄像单元在所述平面反光镜所形成的虚像。

设摄像单元的最大视场角为2θ，成像目标W处的视场宽度为w，这样尺寸小于等于w的所有目标均可被该摄像单元摄入完整图像。

下面说明本实施例中拍摄光路和测量装置的几何参数及其计算。

1、平面反射镜M的中心O与摄像单元C的距离l。

以M的中心O为中心，视场宽度w为边长画一个正方形(即所述“预设矩形”)，其边长分别平行于光轴1和光轴2。如上所述，M与两光轴的夹角均为45度，这样M便位于正方形的对角线上。设d为目标W与正方形左边长的距离，则l＝d_opt–d–(w/2)。

2、平面反射镜M的最小尺寸AB。

由虚拟摄像设备C′与目标W之间的光路图可知，摄像单元的最大半视场角θ＝arctan[(w/2)/d_opt]＝arctan{(w/2)/[d+(w/2)+l]}。

设平面反射镜M与摄像单元C的最大视场角边线的夹角分别为α与β，由于∠COB＝α+θ＝π/4，则α＝(π/4)–θ，又由三角形COB内角关系可知β＝(3π/4)–θ。

由三角形正弦定理可得，AO/sinθ＝l/sinα，OB/sinθ＝l/sinβ，于是AB＝AO+OB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)。

3、平面反射镜M两端点A、B距离目标M的距离d_min和d_max。

设WO为平面反射镜M的中心到目标W的距离，则有

d_min＝WO–AO*cos(π/4)＝d+(w/2)–l*(sinθ/sinα)*cos(π/4)

d_max＝WO+OB*cos(π/4)＝d+(w/2)+l*(sinθ/sinβ)*cos(π/4)

4、测量设备的尺寸与拍摄距离的关系。

假设w＝700，d＝250，l的变化区间为[350,1550]，则根据以上推算出的各几何参数之间的关系可得出平面反射镜尺寸AB及其两端距离被摄目标W的距离d_min、d_max与拍摄距离之间的关系，参见图4。这样就可根据实际应用场景的条件合理设置各参数的大小。

在具体实施过程中，可按照以下流程来实现：

1、根据成像目标处所需视场宽度大小、摄像单元的视场角等参数来确定合理的拍摄距离d_opt。

2、根据实际场景的空间限制条件来计算所需平面反射镜的长度AB及其两端距离被摄目标W的长度d_min、d_max。

3、放置平面反射镜和摄像单元，此时测量系统距离被摄目标W的最大横向距离为d_max，从而利用折转光路的方式有效解决了短距离大视场的成像问题。

4、标定摄像单元与平面反射镜之间的姿态关系以使摄像机所拍摄的图像能恢复为正对目标拍摄时的正常图像。

5、将所得数据送入处理单元进行测量处理，得出所需信息。

参照图5，本发明第一实施例提供一种基于反射镜的折转光路摄像测量方法，所述方法包括以下步骤：

S10：平面反射镜将成像目标的光路折转至摄像单元所处方向；

可理解的是，所述成像目标即为需要进行摄像测量的对象，所述成像目标的光路即为所述成像目标发出光的传播路径。

S20：所述摄像单元根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

在具体实现中，所述摄像单元的镜头朝向所述平面反射镜，从而能够根据所述平面反射镜折转的光路拍摄所述成像目标的图像；

当然，所述摄像单元可为摄像机，当然，也可为图像传感器，本实施例对此不加以限制。

S30：处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理。

需要说明的是，所述处理单元即为具有图像测量处理功能的设备，例如：上位机或服务器等，本实施例对此不加以限制。

本发明可在空间受限位置处利用反射镜将光路折转至其它方向，使得摄像单元能够在相应位置处采用最佳成像角度和距离来拍摄成像目标的完整图像，并将图像送入处理单元进行测量处理，摄像单元不需要配备特殊的广角镜头，采用普通焦段镜头即可满足要求，也不需要采用多个摄像单元对同一目标进行多方位拍摄，单个摄像单元即可摄入目标的完整图像，因此，在实际使用中，测量设备的精度高，易于实施，可操作性更好。

另外，本发明的数字化与自动化程度高，能以摄像单元和处理单元为核心硬件设备，可以方便地利用处理单元控制摄像单元，并对所述摄像单元获取的图像数据进行存储、复制、传输和自动化处理。

为便于获取所述图像，参照图3，所述光路的光轴(即对应图3中的“光轴2”)与所述平面反射镜之间呈45度，当然，还可为其他角度，本实施例对此不加以限制。

为防止所述平面反光镜的长度过小，从而导致所述图像不完整，本实施例中，所述平面反射镜的长度不小于预设长度阈值。

为便于确定所述预设长度阈值，本实施例中，所述预设长度阈值根据下式确定，

AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)

其中，AB为所述预设长度阈值，l＝d_opt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d为所述成像目标与预设矩形之间的最小距离；所述预设矩形的斜对角线为所述平面反光镜；d_opt为摄像单元对所述成像目标实现最优成像时，所述摄像单元与所述成像目标之间的距离；w为所述成像目标的宽度；θ为摄像单元的最大半视场角。

可理解的是，所述预设长度阈值的计算公式的推导过程如下：

参照图3，其中，W为成像目标，M为平面反射镜，C为摄像单元，C′为摄像单元C经平面反射镜M所成的虚像，光轴1为C直接正对W拍摄时的光轴，光轴2为C经过M对W拍摄时的光轴。

假设在应用场景中，摄像单元C需要放置在距离成像目标W为d_opt的位置时才能实现最优成像(即将C置于图3中C′处)，但是由于实际空间条件的限制，使得摄像单元C正对成像目标W的距离不能超过d_max。为了能够继续采用配有普通焦段镜头的摄像单元C，可以将一面与光轴1呈45度夹角且中心O位于光轴1上的平面反射镜M插入光路中，并使摄像单元C绕O点逆时针旋转到上方，且光轴2与M成45度夹角，这就使得成像目标W向右发出的光线被平面反射镜M反射至图3上方，最后在摄像单元C的新位置处聚焦成像，从而解决了成像目标W右侧空间不足的问题。依据平面反射镜的光学成像特性，此时摄像单元C经平面反射镜M所成的虚像C′恰好位于d_opt处，从而实现了与直接将C置于d_opt处拍摄成像目标W时相同的效果，为了分析的方便，可以将C′视为与C具有相同摄像参数的虚拟摄像设备，因此，步骤S30中，所述处理单元对所述摄像单元拍摄的图像进行测量处理时，可将所述摄像单元拍摄的图像视为由虚拟摄像设备所拍摄，且所述虚拟摄像设备与所述摄像单元的摄像参数相同，所述虚拟摄像设备为所述摄像单元在所述平面反光镜所形成的虚像。

设摄像单元的最大视场角为2θ，成像目标W处的视场宽度为w，这样尺寸小于等于w的所有目标均可被该摄像单元摄入完整图像。

下面说明本实施例中拍摄光路和测量装置的几何参数及其计算。

1、平面反射镜M的中心O与摄像单元C的距离l。

以M的中心O为中心，视场宽度w为边长画一个正方形(即所述“预设矩形”)，其边长分别平行于光轴1和光轴2。如上所述，M与两光轴的夹角均为45度，这样M便位于正方形的对角线上。设d为目标W与正方形左边长的距离，则l＝d_opt–d–(w/2)。

2、平面反射镜M的最小尺寸AB。

由虚拟摄像设备C′与目标W之间的光路图可知，摄像单元的最大半视场角θ＝arctan[(w/2)/d_opt]＝arctan{(w/2)/[d+(w/2)+l]}。

设平面反射镜M与摄像单元C的最大视场角边线的夹角分别为α与β，由于∠COB＝α+θ＝π/4，则α＝(π/4)–θ，又由三角形COB内角关系可知β＝(3π/4)–θ。

由三角形正弦定理可得，AO/sinθ＝l/sinα，OB/sinθ＝l/sinβ，于是AB＝AO+OB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)。

3、平面反射镜M两端点A、B距离目标M的距离d_min和d_max。

设WO为平面反射镜M的中心到目标W的距离，则有

d_min＝WO–AO*cos(π/4)＝d+(w/2)–l*(sinθ/sinα)*cos(π/4)

d_max＝WO+OB*cos(π/4)＝d+(w/2)+l*(sinθ/sinβ)*cos(π/4)

4、测量设备的尺寸与拍摄距离的关系。

假设w＝700，d＝250，l的变化区间为[350,1550]，则根据以上推算出的各几何参数之间的关系可得出平面反射镜尺寸AB及其两端距离被摄目标W的距离d_min、d_max与拍摄距离之间的关系，参见图4。这样就可根据实际应用场景的条件合理设置各参数的大小。

在具体实施过程中，可按照以下流程来实现：

1、根据成像目标处所需视场宽度大小、摄像单元的视场角等参数来确定合理的拍摄距离d_opt。

2、根据实际场景的空间限制条件来计算所需平面反射镜的长度AB及其两端距离被摄目标W的长度d_min、d_max。

3、放置平面反射镜和摄像单元，此时测量系统距离被摄目标W的最大横向距离为d_max，从而利用折转光路的方式有效解决了短距离大视场的成像问题。

4、标定摄像单元与平面反射镜之间的姿态关系以使摄像机所拍摄的图像能恢复为正对目标拍摄时的正常图像。

5、将所得数据送入处理单元进行测量处理，得出所需信息。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。