双目相机的制作方法

本发明总体地涉及立体相机装置，具体地涉及一种双目相机。

背景技术：

双目相机是一种日益受关注的能够提供立体视觉的设备。基于双目相机获得的图像，通过双目视差原理，能够计算出双目相机所拍摄到的物体相对于相机的三维空间位置。

双目相机中，两个成像镜头通常具有相互平行的光轴，且镜头之间以及两个图像传感器有一定的距离。由于对于同一被成像物体，两个镜头具有不同的视角，所以在图像传感器上获得不同的成像。不同成像之间的差异就可以用于计算物体与传感器的距离。

图像传感器的感测表面通常小于成像镜头在传感器所在平面上的成像区域。如图1所示，在现有的双目相机中，图像传感器布置为使得相应的成像镜头1a、2a各自的光轴o1、o2经过对应的图像传感器1b、2b的感测表面的中心c1、c2。存在的一个问题是，双目相机的两个镜头的视场在与镜头在光轴方向上相距一定距离d之后才相互叠加，双目相机仅在该视场叠加区域中能够利用双目视差远离探测物体的三维空间位置，所以在上述距离d以内的区域是双目相机的立体视觉探测盲区。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双目相机，其能够至少部分地解决现有技术中的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种双目相机，其包括：第一成像镜头和第二成像镜头，其并排布置并分别具有第一光轴和第二光轴；以及第一图像传感器和第二图像传感器，分别用于感测所述第一成像镜头和第二成像镜头成像得到的图像，其中，所述第一图像传感器的感测表面的中心相对于第一成像镜头的第一光轴存在一偏移量；所述第二图像传感器的感测表面的中心相对于第二成像镜头的第二光轴存在一偏移量。

优选，所述的偏移量是所述感测表面的中心相对所述第一和第二光轴向所述双目相机的外侧偏移。更有选，所述偏移量是在所述第一和第二图像传感器的感测表面的中心连线方向上。

优选，所述第一和第二光轴可以相互平行。

优选，所述第一图像传感器和第二图像传感器的感测表面是矩形的,并且所述感测表面的长边方向与所述感测表面的中心连线平行。

根据本发明另一个方面，提供一种双目相机，其包括：第一成像镜头和第二成像镜头，其并排布置并分别具有第一光轴和第二光轴；第一图像传感器和第二图像传感器，分别用于感测所述第一成像镜头和第二成像镜头成像得到的图像；以及驱动装置，用于驱动所述第一图像传感器和第二图像传感器在第一位置和第二位置之间移动，其中，所述第一位置是指所述第一和第二图像传感器各自的感测表面分别相对于所述第一光轴和第二光轴对中，所述第二位置是指所述第一和第二图像传感器各自的感测表面的中心分别相对于所述第一光轴和第二光轴存在一偏移量。

优选，所述的偏移量是所述感测表面的中心相对所述第一和第二光轴向所述双目相机的外侧偏移。更优选，所述偏移量是在所述第一和第二图像传感器的感测表面的中心连线方向上。

优选，所述第一和第二光轴相互平行。

优选，所述感测表面是矩形，并且所述感测表面的长边方向与所述感测表面的中心连线平行。

根据本发明实施例的双目相机，通过将图像传感器的感测表面相对于成像镜头的光轴进行偏移，使得能够根据不同的需要来调整两个成像镜头的视场重叠区域。

特别是，当所述第一和第二图像传感器的感测表面相对于光轴在感测表面的中心连线方向上向外侧偏移一偏移量时，有助于减小镜头的视场重叠区域在近距离处的盲区距离。此外，还可以有助于增大两个成像镜头的视场重叠区域在近距离处的视场角，从而增大重叠区域。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1为现有的双目相机中成像镜头和图像传感器布置的示意图；

图2为根据本发明实施例的双目相机的成像镜头和图像传感器布置的示意图，示意性示出了视场重叠区域在近距离处的视场角；

图3示意性示出了根据本发明实施例的双目相机在远距离处的视场叠加区域；

图4示意性地示出了根据本发明实施例的双目相机的视场重叠区域相比于现有双目相机的视场重叠区域的增大部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

首先，参照图2说明根据本发明实施例的双目相机的成像镜头和图像传感器的布置。该双目相机包括并排布置的第一成像镜头11和第二成像镜头21以及分别用于感测第一和第二成像镜头11、21成像得到的图像的第一图像传感器12和第二图像传感器22。根据本发明实施例，第一图像传感器和第二图像传感器12、22各自的感测表面的中心c1、c2分别相对于第一和第二成像镜头11、21的第一光轴o1和第二光轴o2在所述中心c1、c2的连线方向上向外侧偏移一偏移量δo。

相比较于图像传感器的感测表面相对于成像镜头的光轴对中布置的现有双目相机，根据本发明实施例的具有偏心布置的双目相机中，每个成像镜头与图像传感器的组合所获得的视场角发生以下变化：即由图像传感器的内侧(靠近另一图像传感器的一侧)所限制形成的视场角减小，而由图像传感器的外侧(远离另一图像传感器的一侧)所限制形成的视场角增大。其中后者的增大，使得两个成像镜头的视场在距离双目相机更加近的位置处发生叠加，并且近距离处的视场角度变大，从而重叠区域变大。

为了更加清楚地说明，以下结合图1至图3对比根据本发明实施例的双目相机与现有双目相机所获得视场叠加区域及其视场角。

在图1所示双目相机的情况下，第一和第二成像镜头1a、2a的视场的重叠区域的视场角α满足以下关系式：

即：

其中，l为图像传感器的感测表面在其中心c1、c2的连线方向上的长度，v为图像传感器与对应的成像镜头之间沿光轴方向的距离。通常，双目相机成像时的物距远大于像距，因此v等于或者近似等于成像镜头的焦距。

此时，视场的重叠区域距离图像传感器的沿光轴方向的最近距离(以下也简称为“盲区距离”)d1满足以下关系式：

即：

其中，l为图像传感器的感测表面在其中心c1、c2的连线方向上的长度，v为图像传感器与对应的成像镜头之间沿光轴方向的距离，δd为第一和第二成像镜头的第一光轴o1和第二光轴o2之间的间距。

在根据本发明实施例的双目相机的情况下，如图2所示，第一和第二成像镜头11、21的视场的重叠区域在近距离处，其视场角β为由图像传感器的外侧(远离另一图像传感器的一侧)所限制形成，并且满足以下关系式：

即：

其中，δo为图像传感器感测表面的中心c1、c2分别相对于光轴o1、o2在中心c1、c2的连线方向上向外侧偏移的偏移量。

因为y＝tan^-1(x)是单调上升函数，x越大y就越大，因此可知是根据本发明实施例的双目相机在近距离处的视场角β大于现有双目相机的视场角α。这使得根据本发明实施例的双目相机在近距离处的视场角度变大，从而重叠区域变大，即双目相机的立体视觉区域变大。

此时，视场的重叠区域的盲区距离d2满足以下关系式：

即：

显然，根据本发明实施例的双目相机中，两个镜头的视场重叠区域的盲区距离d2小于具有居中布置的图像传感器的现有双目相机的盲区距离d1，也就是说，缩短了双目相机在近距离处的立体视觉盲区。

图2还示出了由图像传感器的内侧(靠近另一图像传感器的一侧)所限制形成的视场角γ。视场角γ满足以下关系式：

即：

由于函数y＝tan^-1(x)的单调上升特性，显然视场角β>α>γ。

图3更加清楚地图示了根据本发明实施例的双目相机在远距离处的视场叠加区域。如图3所示，根据本发明实施例的双目相机在远距离处视场叠加区域的视场角为由图像传感器的内侧所限制形成的视场角，即视场角γ，其相对于现有双目相机的视场角α而言变小了。

假设根据本发明实施例的双目相机的视场重叠区域的视场角由β变为γ的点与图像传感器的距离为d，则d满足以下关系：

可以得到：

即：

在本申请的上下文中，讨论视场重叠区域时所提及的“近距离”和“远距离”确切地是以上述距离d为分界。

接下来，考察根据本发明实施例的双目相机在远距离处视场重叠区域的宽度。

在大于上述距离d的距离d3处，对于如图1所示的现有双目相机而言，视场重叠区域的宽度w1满足以下关系式：

在同样的距离d3处，对于如图2和3所示的根据本发明实施例的双目相机而言，视场重叠区域的宽度w2满足以下关系：

即：

可以得到：

因为：

d3≥d

所以：

从上式可知，当d3＝d时：w2-w1＝δd；

当w2＝w1时：

在双目相机设计中，δd越大可分辨视差的距离越远，比如要观察100m距离，δd通常是20cm-30cm量级；此时，如果传感器δo则为10um量级，而v通常为mm量级，那么使得w2＝w1的d3可以达到200m以上。

图4更加直观示出了根据本发明实施例的双目相机的视场重叠区域相对于现有双目相机的视场重叠区域的增大情况(需要注意的是，图4仅为示意图，并不是按照比例绘制的，而仅反映了视场角、与图像传感器的距离以及视场重叠区域宽度这些关键参数的大小关系)。图4中由两侧的折线包围的是根据本发明实施例的双目相机的视场重叠区域，而由两侧的单条直线包围的是现有双目相机的视场重叠区域，阴影部分是前者相对于后者增大的部分。

可以看到，尽管对于根据本发明实施例双目相机，视场重叠区域在远距离处的视场角γ相对于现有双目相机的视场角变小了，但是通过双目相机参数选择，可以控制重叠区域宽度在一定距离范围内(例如从盲区距离到近200米的范围内)相对于现有双目相机的视场重叠区域的宽度而言仍然是扩大的。也就是说，根据本发明实施例的双目相机在在远距离处尽管视场角变小，但是立体视觉视场(视场重叠区域)本身是更大了。

第一和第二图像传感器12、22可以具有矩形的感测表面。在根据本发明实施例的双目相机中，为了使相机获得的视场角尽可能地大，优选将第一和第二图像传感器12、22的感测表面的长边方向布置为沿着两个感测表面的中心连线方向。

尽管没有示出，根据本发明的其它实施例可以提供一种双目相机，其包括：第一成像镜头和第二成像镜头，其并排布置并分别具有第一光轴和第二光轴；以及第一图像传感器和第二图像传感器，分别用于感测所述第一成像镜头和第二成像镜头成像得到的图像，其中，所述双目相机还包括驱动装置，用于驱动所述第一图像传感器和第二图像传感器在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，第一和第二图像传感器各自的感测表面分别相对于所述第一光轴和第二光轴对中，在所述第二位置，第一和第二图像传感器各自的感测表面的中心在所述中心的连线方向上向外侧偏移一偏移量。

其中，驱动装置可以为例如步进电机或其他机械或机电机构。根据这些实施例的双目相机可以在不同应用场合下，根据所感兴趣的立体视觉范围(视场重叠区域)来控制图像传感器在相对于对应光轴居中的位置和相对于光轴向外侧偏置的位置之间移动。

尽管以上参照其中图像传感器的感测表面中心相对于成像镜头的光轴沿一定方向偏移的实施例介绍了本发明，但是本发明并不限于此。本发明通过将图像传感器的感测表面相对于成像镜头的光轴进行偏移，使得能够灵活地根据需要调节镜头的视场，特别是两个镜头的重叠视场，这种技术效果并不依赖于特定的偏移方式，因此根据本发明实施例的双目相机中可以采用不同的偏移方式或其组合。

另外，尽管在上述详细描述的本发明实施例中，双目相机的两个镜头的光轴是相互平行的，但是应该注意，本发明并不限于此平行关系。例如，在根据本发明其它实施例的双目相机中，两个镜头的光轴也可以是不平行的，特别是在一些应用情形下，可以布置为两个光轴在成像镜头的前方(与图像传感器相反方向)处会聚。成像镜头的光轴在前方会聚本身会增大两个镜头的视场重叠区域，结合本发明所提出的图像传感器向外侧偏置的布置能够获得更好的视场效果。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。