一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法，属于视觉测量技术领 域。
【背景技术】
[0002] 双目立体视觉技术是现今=维测量技术中最有发展前景的方法之一，其利用两个 摄像机从不同角度拍摄具有视差的目标物图像，从而获取目标物的空间信息。传统双目立 体视觉技术测量范围狭窄，在工程应用中，往往采用多传感器结构或单传感器结合移动机 械结构的测量模式对狭窄的视场范围进行补偿，然而W上测量模式操作繁琐，效率低节奏 慢，双摄像机图像采集同步困难，无法适用于对实时性要求较高的场合，尤其是高精度的动 态测量。
[0003] 单摄像机结合曲平面折反射镜构成的宽视场立体视觉系统W其安装灵活，实时同 步性良好，标定减半，传感器结构小型化等优势成为宽视场测量领域的重要组成部分。但曲 面镜成像存在诸多劣势，例如图像存在卷曲变形，目标特征不具备透视投影不变性，图像分 辨率差异大等，而单摄像机结合平面反射镜构成的宽视场立体视觉系统可W降低标定与特 征匹配难度。
[0004] 将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合可W实现更宽视场范 围下的实时S维立体测量。
【发明内容】
[0005] 本发明基于传统双目立体视觉技术，传感器采用创新结构，由一架高分辨率摄像 机和两个上下四棱锥反射镜组成，其同步实时性良好，拍摄图像具备透视投影不变性，且视 场范围满足水平360°的全向测量。
[0006] 本发明的技术解决方案是；一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法，其特 征在于：
[0007] 1、一种单像机全向立体视觉传感器，其特征在于；它包括外框架1、上四棱锥反射 镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4。
[000引 2、如权利要求1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于；上四棱锥反射 镜2与下四棱锥反射镜3上下正对、共轴摆放，上四棱锥反射镜2消去顶端，加盖一块矩形 平面镜，下四棱锥反射镜3中空无顶，中屯、处安装摄像机4 ;
[0009] 所述的上四棱锥反射镜2,其斜面与水平方向夹角为15° -17°，加盖的矩形平面 镜边长为46mm;
[0010] 所述的下四棱锥反射镜3,其斜面与水平方向夹角为31° -33°，顶端削去后边长 为40mm，与上四棱锥反射镜2间距128mm;
[0011] 所述的摄像机4,安装于下四棱锥反射镜3的中屯、位置，其光轴与上下平面垂直， 摄像机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10,经上四棱锥反射镜2平面成像 形成虚拟摄像机9,9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11，由10和11构 成传统双目立体视觉摄像机，从不同角度采集目标物图像。
[0012] 3、如权利要求书1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于；外框架1结构 灵活，高度可调，其包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等；
[0013] 所述的可调支架5为钢制材料，调整其长度可W改变上、下四棱锥反射镜2、3的间 距及测量空间；
[0014] 所述的摄像机安装槽7,其侧面采用缕空结构，方便手动旋转调整摄像机焦距；
[0015] 所述的线孔8,其设置在外框架1的底端，用于穿插各类数据线及电源线，W满足 各类摄像机的使用及图像数据传输。
[0016] 4、基于权利要求1所述的一种单像机全向立体视觉传感器的设计方法，具体步骤 如下：
[0017] 步骤一，根据待测目标物宽度及测量距离等选择镜头，计算所需焦距及视场角；
[0018] 步骤二，根据传感器结构模型及精度要求设定倾角及部分尺寸参数；
[0019] 步骤S，由传感器结构模型计算所需上下四棱锥反射镜的尺寸。
[0020] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0021] 一、采用单摄像机结合上下四棱锥反射镜的创新结构，极大程度上拓宽了视场范 围，实现了水平360°的全向立体视觉测量，可用于大型管道内表面等检测。
[0022] 二、将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，拍摄所得图像具 有透视投影不变性，方便后续标定匹配等工作。
[0023]=、摄像机经上下四棱锥反射镜多次反射成像，形成两个虚拟摄像机，其成像光路 紧密集中，有利于传感器尺寸小型化。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明传感器的外观组成示意图；
[0025] 图2为本发明传感器上下四棱锥反射镜成像原理示意图；
[0026] 图3为本发明传感器的结构模型示意图；
[0027] 图4为本发明传感器上四棱锥反射镜尺寸计算示意图；
[002引图5为本发明传感器下四棱锥反射镜尺寸计算示意图；
[0029]图6为本发明传感器精度分析模型示意图；
[0030]图7为使用本发明传感器采集到的图像。
【具体实施方式】
[0031] 下面对本发明做进一步的说明。本发明为一种单像机全向立体视觉传感器及其设 计方法，将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，有效改进了传统技术 的诸多不足，可用于实时条件下水平一周的全向立体视觉测量。
[0032] 本发明传感器的外观组成如图1所示，它由外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥 反射镜3和摄像机4组成，其中外框架1由可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线 孔8等组成。本发明传感器基于传统双目立体视觉技术，摄像机4经反射镜成像形成两个 虚拟摄像机1〇、11，从不同角度采集具有视差的目标物图像。上下四棱锥反射镜成像原理如 图2所示，摄像机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10,经上四棱锥反射镜2 平面成像形成虚拟摄像机9,9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11。由于 四棱锥反射镜在水平四个方向上完全对称，可构成四对虚拟摄像机，从而覆盖水平一周的 测量范围。
[0033] 本发明传感器结构模型如图3所示，摄像机安装在原点0处，W光轴为y轴建立如 图所示的直角坐标系。丫为两个虚拟摄像机A、C的光轴交角。摄像机焦距为f，视场角为 2 0，设上下四棱锥斜面倾角分别为a，P。图中反射光线为完整成像的临界情况，由平面镜 反射原理可得几何关系：
[0034] 丫 = 180。-2 a -2 0 (1)
[0035] 摄像机视场角为：
[0036] 0 =arctan(Wccn/Sf) (2)
[0037]其中WccD为电荷禪合元件烟large-coupleddevice,CCD)祀面宽度。
[003引图4所示为上四棱锥反射镜尺寸计算示意图，假设上四棱锥底面宽为2a，下四棱 锥底面宽为2c(镜头口径），上下棱锥间距为b，参数假设由实际测量需求初步估计，并可依 据计算出的传感器尺寸、视场范围、基线距等做适当调整。通过坐标运算可得上四棱镜斜面 的最小尺寸Wi为；
[0039]
【主权项】
1. 一种单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：它包括外框架1、上四棱锥反射镜2、 下四棱锥反射镜3和摄像机4。
2. 如权利要求1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：上四棱锥反射镜2 与下四棱锥反射镜3上下正对、共轴摆放，上四棱锥反射镜2消去顶端，加盖一块矩形平面 镜，下四棱锥反射镜3中空无顶，中心处安装摄像机4 ; 所述的上四棱锥反射镜2,其斜面与水平方向夹角为15°-17°，加盖的矩形平面镜边长 为 46mm ； 所述的下四棱锥反射镜3,其斜面与水平方向夹角为31°-33°，顶端削去后边长为40mm， 与上四棱锥反射镜2间距128mm ; 所述的摄像机4,安装于下四棱锥反射镜3的中心位置，其光轴与上下平面垂直，摄像 机4经上四棱锥反射镜2斜面成像形成虚拟摄像机10,经上四棱锥反射镜2平面成像形成 虚拟摄像机9,9经下四棱锥反射镜3斜面二次成像形成虚拟摄像机11，由10和11构成传 统双目立体视觉摄像机，从不同角度采集目标物图像。
3. 如权利要求书1所述的单像机全向立体视觉传感器，其特征在于：外框架1结构灵 活，高度可调，其包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等； 所述的可调支架5为钢制材料，调整其长度可以改变上、下四棱锥反射镜2、3的间距及 测量空间； 所述的摄像机安装槽7,其侧面采用镂空结构，方便手动旋转调整摄像机焦距； 所述的线孔8,其设置在外框架1的底端，用于穿插各类数据线及电源线，以满足各类 摄像机的使用及图像数据传输。
4. 基于权利要求1所述的一种单像机全向立体视觉传感器的设计方法，具体步骤如 下： 步骤一，根据待测目标物宽度及测量距离等选择镜头，计算所需焦距及视场角； 步骤二，根据传感器结构模型及精度要求设定倾角及部分尺寸参数； 步骤三，由传感器结构模型计算所需上下四棱锥反射镜的尺寸。
【专利摘要】本发明属于视觉测量技术领域，公开了一种单像机全向立体视觉传感器及其设计方法。本发明传感器由外框架1、上四棱锥反射镜2、下四棱锥反射镜3和摄像机4组成，其中外框架1包括可调支架5、反射镜托板6、摄像机安装槽7和线孔8等。本发明传感器基于双目立体视觉技术，摄像机4经上、下四棱锥反射镜2、3成像形成不同方向的四对虚拟摄像机，可拍摄目标物图像并传输至计算机进行处理，相当于在传统双目立体视觉技术中，从不同角度获取目标物的特征。本发明传感器采用单摄像机结合上下四棱锥反射镜的创新结构，极大程度上拓宽了视场范围，将传统双目立体视觉技术与宽视场无卷曲成像技术相结合，实现水平360°的全向立体视觉测量。
【IPC分类】G01C11-36
【公开号】CN104864855
【申请号】CN201510304860
【发明人】周富强, 宋丫, 柴兴华
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月8日