一种深度信息探测的三维仿生眼球装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型涉及一种深度信息探测的三维仿生眼球装置。
【背景技术】
[0002] 随着摄像机技术和计算机技术的发展，具有视觉功能的智能机器人开始被人类制 造，并逐步形成了机器视觉学科和产业。机器视觉是与人眼类似的机器仿生系统，从广义上 来讲，凡是通过光学装置获取真实物体的信息以及相关信息的处理与执行都是机器视觉， 这就包括了可见视觉和非可见视觉，甚至包括人类视觉不能直接观察到的、物体内部信息 的获取与处理等。
[0003] 对于移动机器人而言，三维仿生眼球装置相当于人眼，是机器人感知外界局部环 境的重要"器官"，同时其获取的信息是对其运动的重要导航依据。人类80%的信息都来源 于视觉。因此，赋予机器人以视觉功能，就能像人一样有通过视频处理而从外部环境获取信 息的能力，机器人获取的信息的准确性、实时性是机器人运动时能否正确行走、精确进行目 标跟踪的重要判据，对机器人的发展是极其重要的，机器视觉的发展不仅可以大大推动智 能系统的发展，也将扩展计算机与智能机器的研究范围和应用领域。近几十年里，国内外学 者在机器视觉方面开展了卓有成效的工作 :Trahanias利用视觉探测陆标完成机器人导航； E. Smith在其基于视觉的机器人抓取物体试验研究中，总结了基于视觉的机器人物体抓取 研究中的相关方法等。
[0004] 现实世界是三维的，而投射到视网膜(或摄像机镜头)上的图像是二维的，视觉处 理的目的就是要从感知到的二维图像中提取有关的三维世界的信息。根据Mars视觉理论， 三维的世界信息主要是指二维图像所反映的场景中的三维物体的形状和空间位置的定量 信息。而在现有成果中存在着，获取的三维信息的精度较差，获得的信息也不够准确。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种能够高效、精确地重建处被测物体 三维数据的深度信息探测的三维仿生眼球装置。
[0006] 本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种深度信息探测的三维仿生眼球装 置，包括投影仪、摄像机、图像采集控制器、图像处理模块、存储器、显示模块和机器人，所述 投影仪、摄像机分别安装在机器人的左、右眼中，所述投影仪、摄像机的信号输出端分别与 图像处理模块相连，图像处理模块分别与图像采集控制器、存储器、显示模块相连，图像采 集控制器分别与投影仪、摄像机相连。
[0007] 上述深度信息探测的三维仿生眼球装置中，所述图像处理模块包括主控制器、相 位计算模块、参数标定模块和三维重构模块，主控制器分别与投影仪、摄像机、图像采集控 制器、相位计算模块、参数标定模块、三维重构模块相连。
[0008] 上述深度信息探测的三维仿生眼球装置中，所述摄影仪投射的区域范围大于或等 于摄像机拍摄的区域范围。
[0009] 本实用新型的有益效果在于:机器人刚启动时发出标定指令，投影仪处于未工作 状态，摄像机拍摄的数据传送给图像处理模块，图像处理模块对其进行标定处理，标定出摄 像头和投影仪的内外部参数;机器人开始运动时，投影仪工作投射光栅，摄像机采集的光栅 调制图形传入图像处理模块，图像处理模块调用相位计算模块，从每帧图像中提取出绝对 相位，结合提取出来的相位以及摄像头和投影仪的内外部参数，计算出被测物体的三维坐 标，即得到被测物体的点云数据，最后通过对点云数据进行预处理、三角剖分、纹理映射处 理后，高效、精准地重建出被测物体的三维数据，以此提供给机器人作为避障和导航的依 据。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型的结构框图。
[0011] 图2为本实用新型投影仪和摄像机的安装位置分布图。
[0012] 图3为本实用新型的光路示意图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0014] 如图1所示，本实用新型包括投影仪1、摄像机2、图像采集控制器、图像处理模块1、 存储器、显示模块和机器人，所述投影仪1、摄像机2分别安装在机器人的左、右眼中，所述摄 影仪投射的区域范围大于或等于摄像机2拍摄的区域范围，所述投影仪1、摄像机2的信号输 出端分别与图像处理模块1相连，图像处理模块1分别与图像采集控制器、存储器、显示模块 相连，图像采集控制器分别与投影仪1、摄像机2相连。
[0015] 所述图像处理模块6包括主控制器、相位计算模块、参数标定模块和三维重构模 块，主控制器分别与投影仪1、摄像机2、图像采集控制器、相位计算模块、参数标定模块、三 维重构模块相连。
[0016] 参照图3,所述的本实用新型的光路示意图，投影仪1的光轴11垂直于参考面16,摄 像机2的光轴12与投影仪1的光轴11、参考平面16相交于点〇,投影仪1的投射光线13和摄像 机2的入射光线14分别于被测物体的表面相交，投影仪1和摄像机2的连线15与参考平面16 相交。
[0017] 结合提取出来的相位以及标定出的摄像头和投影仪1的内外部参数，计算出被测 物体的三维坐标，即得到被测物体的点云数据。最后通过对点云数据进行预处理、三角剖 分、纹理映射等处理后得到三维面型。
[0018] 本实用新型的工作原理为：
[0019] S1，机器人17刚启动时，投影仪1处于未工作状态，图像处理模块6根据采集的棋盘 格图标定出摄像头的内外参数，根据DMD图标定出投影仪1的内外参数，并存入存储器中。标 定内外参数的具体步90骤为：
[0020]将棋盘格图形和DMD图变换8种方向，图像采集控制器控制摄像机2分别对此进行 拍摄，并将数据传送给图像处理模块6,图像处理模块6中的参数标定模块将对采集的棋盘 格图像和DMD图像分别进行处理，计算出投影仪1和摄像机2的内外参数矩阵，其依据为如下 的公式(1)和(2)。
[0021 ]设被测物体上的空间点a，其世界坐标为(Xw，Yw，Zw)，摄像机2图像中的坐标为(Uc， V。），对应于投影仪1中的坐标为(UP，VP)。空间点a在世界坐标系和相机坐标系所对应的坐标 关系为：
[0023]而它的世界坐标系和投影仪1坐标系所对应的坐标关系为：
[0025] 其中，SC，SP分别是摄像机2和投影仪1的比例因子，
分别为摄像机2的内、外部参数矩阵，
分别为投影仪1 的内、外部参数矩阵。acx、ac^v别为摄像机2的水平方向和垂直方向的镜头焦距，UdKV。。为摄 像机2在水平方向和垂直方向的主点位置，R。、!1。分别为摄像机2的旋转因子和平移因子。 apx、a py分别为投影仪1的水平方向和垂直方向的镜头焦距，upQ、vpQ为投影仪1在水平方向和 垂直方向的主点位置。R P、TP分别为投影仪1的旋转因子和平移因子。
[0026] S2,机器人17开始运动时，投影仪1和摄像机2-起工作，图像采集控制器控制投影 仪1投射光栅，光栅因为受投射面中的被测物体的三维面型的调制而变形，此时，摄像机2对 变形的光栅不断拍摄，形成视频流，并不断传入图像处理模块6中，图像处理模块6调用相位 计算模块，从每帧图像中提取出绝对相位。接收光栅调制图形，每组调制光栅的灰度为：
[0027] Ii(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[ Φ (x,y)+0] (3)其中，Ii(x，y)、a(x，y)、b(x，y)、 Φ (x，y)为点(x，y)的灰度值、背景光强、幅度、相位。
[0028] 通过FTP变换法计算出相位主值，利用三频外插法计算出绝对相位。
[0029] S3,结合提取的相位和标定的参数，计算出三维坐标值，即得点云数据；
[0030]被测物体的相位、投影仪1和摄像机2的内外参数与被测物体的三维坐标三者之间 的关系可由（1)、（2)以及下式表达：
[0032]其中，Φ (Uc，Vc)为提取的绝对相位，N为条纹周期，Wu为分辨率，。
[0033]由上面的公式（1)、（2)、（3)、（4)可计算出被测物体的三维坐标，即得被测物体的 点云数据。
[0034] S4,对点云数据进行三维重构，得出三维面型并显示。
[0035]读入三维点云数据，对离散点进行一系列的预处理后，采用通过三角网格化的具 体计算，构造三角网格后，通过纹理映射功能，将二维同步图像的图案完整映射到三维。
【主权项】
1. 一种深度信息探测的三维仿生眼球装置，其特征在于:包括投影仪、摄像机、图像采 集控制器、图像处理模块、存储器、显示模块和机器人，所述投影仪、摄像机分别安装在机器 人的左、右眼中，所述投影仪、摄像机的信号输出端分别与图像处理模块相连，图像处理模 块分别与图像采集控制器、存储器、显示模块相连，图像采集控制器分别与投影仪、摄像机 相连。2. 根据权利要求1所述的深度信息探测的三维仿生眼球装置，其特征在于:所述图像处 理模块包括主控制器、相位计算模块、参数标定模块和三维重构模块，主控制器分别与投影 仪、摄像机、图像采集控制器、相位计算模块、参数标定模块、三维重构模块相连。3. 根据权利要求1所述的深度信息探测的三维仿生眼球装置，其特征在于:所述摄影仪 投射的区域范围大于或等于摄像机拍摄的区域范围。
【专利摘要】本实用新型公开了一种深度信息探测的三维仿生眼球装置，包括投影仪、摄像机、图像采集控制器、图像处理模块、存储器、显示模块和机器人，所述投影仪、摄像机分别安装在机器人的左、右眼中，所述投影仪、摄像机的信号输出端分别与图像处理模块相连，图像处理模块分别与图像采集控制器、存储器、显示模块相连，图像采集控制器分别与投影仪、摄像机相连。图像采集控制器启动摄像机对图形进行拍摄，并根据指令决定是否启动投影仪进行光栅投射，图像处理模块根据投影仪是否工作来确定对数据的处理方式，最终计算出被测物体的三维面型，本实用新型可以高效、精准地重建出被测物体的三维数据，以此提供给机器人避障和导航的依据。
【IPC分类】G06T17/00, G05D1/02, G06T7/00, G06T15/00
【公开号】CN205210958
【申请号】CN201521063692
【发明人】金湘亮, 段芬, 刘喜增
【申请人】湘潭大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月17日