CN107560554A - 一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法 - Google Patents
一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法，属于计算机视觉测量技术领域。在摄像机镜头前放置与光轴同轴并绕其旋转的斜切直圆柱体透镜。首先对摄像机采用张氏标定，得到内参数，然后将旋转透镜静止在两个极限时刻下的位置，根据物点和像点间光路通过透镜斜面的法向及厚度不同，由透镜参数以及单目相机内参数，构造出物点与像点三维坐标的关系模型。联立两极限时刻下得到的关系模型，即可解算出物点的空间三维坐标。本发明将传统的双目相机***精简为单目相机与旋转透镜的组合装置，大幅度降低了原有测量***的经济成本，加快测量速度，并提高了测量的精确度，解决了单目视觉测量三维信息不精确以及双目视觉测量成本高等问题。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于视觉的物体三维信息快速测量方法。
背景技术
三维非接触视觉测量技术在汽车、船舶、航空、航天、军工等各个领域都有着极为广泛的应用。尤其在航空、航天中典型复杂形状构件的加工、装配过程中都需要对其三维信息进行准确测量，从而保证加工与装配质量。除此之外，在机器人与人工智能领域，也需要对周围场景的三维信息进行快速测量与感知。因此，有着测量速度快、效率高、非接触式等优点的基于视觉的三维信息测量方法有着重要的意义。为提高三维信息获取的准确性，往往采用双目甚至多目相机，这样不仅大大增加了测量成本，而且由于现场实验条件的影响，容易出现多相机采集图像重复性差、匹配困难等问题。这些都对三维信息的测量设备及技术手段都提出了更高的要求。
刘巍、马鑫等人申请的发明专利CN105571518A，“基于折射图像偏差的三维信息视觉测量方法”提出一种只通过平行光学玻璃进行辅助的单目视觉测量方法，提高了测量效率并且降低了成本，实现了单目相机对于全视场内的快速测量。该方法采用单目相机先拍摄一张图像A1，然后将已知折射率的玻璃板以任意角度放入相机前，再拍摄一张图像A2，利用两张图像的偏差量，完成被测物体空间三维信息的测量。然而该方法需要人为摆放玻璃板，这样不仅引入人为误差，而且降低了测量效率。
宋振东等人在《光学学报》第32卷第5期发表的《单目多视点立体图像提取及应用》中设计并实现了一种基于广角相机和平面镜的单目多视点立体图像摄像***，给出了硬件装置的设计指标和优化方法；同时，在研究了硬件***的标定方法基础上，实现了其在三维测距方面的应用。但其硬件装置占空间较大，很难在狭窄空间使用，安装定位相对困难。
Lee和Kweon在《IEEE Transactions on Robotics and Automation》第16卷第5期发表的《A novel stereo camera system by a biprism》中提出了一个新颖实用的立体摄像***，将一双棱镜放置在单目相机前，通过双棱镜的两斜面发生的反射光路不同，在CCD上左右两侧同时成像，使用其相应的差距重建三维结构。该***有效的降低了测量成本并简化校准过程，但双棱镜反射角度难于控制。
Gao和Ahuja在《International Conference on Pattern Recognition》第4卷发表的《Single camera stereo using planar parallel plate》中利用可绕光轴中心旋转的平面板，以一定倾斜角度放置在单目相机前，并进行标定来确定板内参数以及它的外在姿态。旋转平面板，捕获板在不同位姿下物体的图像，应用不同图像中位置差值，计算物体深度信息。该装置及算法仅用作获取深度信息，不能用作物体的三维重构，且平行板安装、定位及旋转过程精度很难保证。
Shimizu和Okutomi在《The 2006 Canadian Conference on Computer&RobotVision》发表的《Reflection stereo-novel monocular stereo using a transparentplate》中根据光通过反射和折射性介质时光路的差异，提出了一种基于三角测量的物体深度测量方法。该方法的操作步骤在一定程度上得到了简化，测量效率较高，但由于反射和折射图像之间的相互干扰，使得该方法在测量精度上有待提高，而且标定相对困难。
Atsushi Yamashita等人在《The 2010 IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems》发表的《Monocular Underwater Stereo-3DMeasurement Using Difference of Appearance Depending on Optical Paths》中提出了一种水下三维信息测量的新方法。该方法基于单目视觉原理，在镜头前放置两片呈一定角度的折射面，阻隔水和空气。光在两折射面折射后光路不同，并同时在相机中成像。通过优化两折射面角度，实现水下物体三维信息的测量。但其优化过程较为复杂，且精度不易于保证。
Teoh和张在《IEEE International Conference on Robotics and Automation》发表的《An inexpensive stereoscopic vision system for robots》中提出一种用单目相机代替双目相机的测量方法。该方法在相机两侧的前方放置两片与光轴成45°角的平面镜，两平面镜夹角开口与光轴同方向，并在镜头前方放置第三片平面镜。当第三片平面镜分别与其他两片平行时，采集物体图像，达到与双目相机相同的效果，有效降低成本。但该装置较为复杂，且镜片较多，其定位精准度直接影响测量精度。
Kim和Lin在《International Journal of Control Automation&Systems》第3卷第4期发表的《Distance Measurement Using a Single Camera with a RotatingMirror》中提出了一种新的深度测量方法。该方法使用一个单目相机和一个旋转平面反射镜。平面发射镜在旋转过程中，单目相机采集到一系列的反射图像，从该图像中提取距离信息，计算得出物体的深度信息。该方法简化了标定过程，测量效率较高，但测量精度有待提高。
上述发明主要研究三维信息的非接触快速测量方法，并取得了很多重要成果，但测量方法效率与鲁棒性无法保证。本发明提出一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法，不仅提高了单相机三维信息测量方法的精度，并且提高了测量效率。
发明内容
本发明克服现有技术的缺陷，提供一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法。
本发明的技术方案：
一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法，其特征在于，所述的三维信息视觉测量方法基于旋转透镜的三维信息视觉测量装置，包括单目相机和旋转透镜，所述的旋转透镜采用透光度80％以上的玻璃材质斜切直圆柱体，将其置于单目相机镜头前，使其轴心与光轴重合，平行表面与镜头相对；
在测量时使旋转透镜旋转，在不同时刻下，物点和像点间光路通过旋转透镜斜面的法向及厚度不同，由两个时刻下的透镜参数以及单目相机内参数，即构造出物点与像点三维坐标的关系模型，将双目视觉对物体三维信息的测量转化为单目相机、旋转透镜不同时刻下物体三维信息的测量；
步骤如下：
(1)以精密加工的靶标板标定相机
基于2D平面靶标的相机标定方法对相机进行内参数的标定，得到像素坐标系下坐标(u,v)T和像面坐标系下坐标(x,y)T的转换关系如下：
式中：(dx,dy)为每一像素在x轴、y轴上对应的物理尺寸，(u0,v0)为像面坐标系原点在像素坐标系下的坐标；
(2)任取T1和T2两个时刻建立物点和像点光路关系
1)建立T1时刻的物点和像点光路关系
旋转透镜的斜面为面3，旋转透镜的平面为面4；T1时刻为透镜旋转的任意时刻，在T1时刻，旋转透镜处于静止状态，[n1,n2]分别为面4和面3的法向量；[v1,v2,v3]分别为光心到面4、面4到面3、面3到物点P的光路方向向量；[q1,q2]分别为光路在面4和面3上的反射点；[d1,d2,d3]分别为光心到面4、面4到面3、面3到物点P的各段光路在Z轴正方向上的投影距离；(X,Y,Z)T为物点P的空间三维坐标；
由斯涅尔定律得：μi sinθi＝μi+1 sinθi+1 (2)
式中：μi和μi+1分别是两种介质的折射率；令vi和vi+1分别为入射和出射光路向量，则有θ1是v1和n1的夹角，θ2是v2和n1的夹角，θ3是v2和n2的夹角，θ4是v3和n2的夹角；将式(2)写成向量的形式，有
vi+1＝aivi+bini (3)
式中：初始相机光线v1由标定获得，由式(3)推得各段光路的方向向量；
因此，物点P看作是由相机原点O经过各段光路的方向向量偏移得到，分段计算偏移向量；计算得，各段光路的偏移向量为ez为Z轴方向向量，则O点到P点的累积偏移为由此得出P点坐标：
式中：d3＝Z-d1-d2，Z为P点Z轴方向坐标值；则，式(4)记为：
2)建立T2时刻的物点和像点光路关系
T2时刻是透镜旋转过程中不同于T1时刻的任意时刻，根据上述原理，同样得出各段光路的方向向量如下：
v′i+1＝aiv′i+bin′i (6)
式中：ai＝μi/μi+1，初始相机光线v′1由标定获得，由式(6)推得各段光路的方向向量；进一步得到物点和像点的关系模型，即：
式中：d′3＝Z-d′1-d′2，Z为P点Z轴方向坐标值。则，式(7)记为：
(3)求解三维信息
式(5)式(8)联立，得像点像素坐标与相机坐标下物点三维坐标关系如下：
解算物点P空间三维坐标，完成了空间物点三维信息的测量。
本发明的有益效果，采用基于旋转透镜对物体三维信息进行测量，选择两个不同时刻下的透镜位置，对物点三维信息进行单目相机测量，分别建立两时刻物点与像点的关系模型，并联立解算物点三维信息。这种设计将传统的双目相机***精简为单目相机与旋转透镜的组合装置，大幅度降低了原有测量***的经济成本，加快测量速度，并提高了测量的精确度，解决了单目视觉测量三维信息不精确以及双目视觉测量成本高等问题。
附图说明
图1所示为基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法装置模型图。
图2基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法的流程图，通过透镜旋转至T1和T2两时刻，物点与像点间光路的不同，解算物点空间三维坐标。
图3是T1时刻，物点与像点间光路图与几何参数。
图4是T2时刻，物点与像点间光路图。
图中：1高速相机；
2斜切直圆柱体透镜，可绕光轴中心旋转，几何参数及光学参数已知；
3斜切直圆柱体透镜斜折射面；4斜切直圆柱体透镜平行折射面；
5T1时刻光路；6T2时刻光路。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
图1为基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法装置模型图。通过相机前置的旋转透镜位置变换，建立T1时刻和T2时刻，旋转透镜位置下的物点与像点的光路关系模型。
图2为基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法的流程图，测量方法主要步骤为建立T1、T2时刻下，物点像点间的关系，然后联立求解出物点的三维坐标。
(1)以精密加工的靶标板标定相机
本发明采用相机相对固定的方式，以精密加工的靶标板对相机进行标定的方法。仿真拍摄条件：相机CCD面积为2cm×2cm，图片像素为1280×1024，镜头焦距为20mm。以张正友等人提出的基于2D平面靶标的相机标定方法对相机进行内参数的标定，得到内参数如下：
(2)任取T1和T2两个时刻建立物点和像点光路关系
设置斜切直圆柱体式透镜形状参数如下：直径50mm，最低处高10mm，最高处高40mm。
1)建立T1时刻的物点和像点光路关系
根据平面几何原理，建立物点与像点间光路的数学模型。
设空气和旋转透镜的折射率分别为μ1＝1，μ2＝1.6，在T1时刻，旋转透镜平行折射面和斜折射面的法向量分别为n1＝[0,0,-1]T，n2＝[0,-0.5145,-0.8575]T。[v1,v2,v3]分别为光心到平行折射面、平行折射面到斜折射面、斜折射面到物点P的光路方向向量，其中v1＝[0,0.0082,1]T；[d1,d2,d3]分别为光心到平行折射面、平行折射面到斜折射面、斜折射面到物点P的各段光路在Z轴正方向上的投影距离，其中d1＝150mm；(X,Y,Z)T为物点P的空间三维坐标。
物点P可以看作是由相机原点O经过各段光路的方向向量偏移得到，分段计算偏移向量即可。由于v1已知，则可根据公式(3)，计算得到v2＝[0,0.0051,1]T，v3＝[0,-0.4026,0.9154]T。进一步求得，光路在平行折射面4和斜折射面3上反射点分别为q1＝[0mm,1.2274mm,150mm]T，q2＝[0mm,1.3511mm,174.1893mm]T，q1、q2在Z轴正方向上的投影距离d2＝24.1m8，m9d3＝Z-d1-d2＝Z-174.1893(mm)。则，由公式(4)可得出P点坐标：
P＝[0,77.9566-0.4398Z,Z]T (11)
2)建立T2时刻的物点和像点光路关系
T2时刻的旋转透镜位置，根据上述原理，参数如下：空气和旋转透镜的折射率分别为μ1＝1，μ2＝1.6；旋转透镜平行折射面和斜折射面的法向量分别为n′1＝[0,0,-1]T，n′2＝[0,0.5145,-0.8575]T；光心到平行折射面、平行折射面到斜折射面、斜折射面到物点P的光路方向向量分别为v′1＝[0,-0.1232,0.9924]T，v′2＝[0,-0.0770,0.9970]T，v′3＝[0,0.2536,0.9673]T；光路在平行折射面4和斜折射面3上的反射点分别为q′1＝[0mm,-18.6218mm,150mm]T，q′2＝[0mm,-19.6424mm,163.2146mm]T；光心到平行折射面、平行折射面到斜折射面、斜折射面到物点P的各段光路在Z轴正方向上的投影距离分别为d′1＝150，d′2＝13.2146mm，d′3＝Z-d′1-d′2＝Z-163.2146(mm)；物点P的空间三维坐标为(X,Y,Z)T。
则由公式(7)可得出P点坐标：P＝[0,0.2621Z-62.4249,Z]T (12)
(3)求解三维信息
式(11)(12)两组方程联立，可得
解算物点P空间三维坐标，完成了空间物点三维信息的测量。求得的物点空间三维坐标为：P＝[0mm,-10.0043mm,200.0021mm]。
Claims (1)
1.一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法，其特征在于，所述的三维信息视觉测量方法基于旋转透镜的三维信息视觉测量装置，包括单目相机和旋转透镜，所述的旋转透镜采用透光度80％以上的玻璃材质斜切直圆柱体，将其置于单目相机镜头前，使其轴心与光轴重合，平行表面与镜头相对；
在测量时使旋转透镜旋转，在不同时刻下，物点和像点间光路通过旋转透镜斜面的法向及厚度不同，由两个时刻下的透镜参数以及单目相机内参数，即构造出物点与像点三维坐标的关系模型，将双目视觉对物体三维信息的测量转化为单目相机、旋转透镜不同时刻下物体三维信息的测量；
步骤如下：
(1)以精密加工的靶标板标定相机
基于2D平面靶标的相机标定方法对相机进行内参数的标定，得到像素坐标系下坐标(u,v)T和像面坐标系下坐标(x,y)T的转换关系如下：
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(2)任取T1和T2两个时刻建立物点和像点光路关系
1)建立T1时刻的物点和像点光路关系
旋转透镜的斜面为面3，旋转透镜的平面为面4；T1时刻为透镜旋转的任意时刻，在T1时刻，旋转透镜处于静止状态，[n1,n2]分别为面4和面3的法向量；[v1,v2,v3]分别为光心到面4、面4到面3、面3到物点P的光路方向向量；[q1,q2]分别为光路在面4和面3上的反射点；[d1,d2,d3]分别为光心到面4、面4到面3、面3到物点P的各段光路在Z轴正方向上的投影距离；(X,Y,Z)T为物点P的空间三维坐标；
由斯涅尔定律得：μisinθi＝μi+1sinθi+1 (2)
式中：μi和μi+1分别是两种介质的折射率；令vi和vi+1分别为入射和出射光路向量，则有θ1是v1和n1的夹角，θ2是v2和n1的夹角，θ3是v2和n2的夹角，θ4是v3和n2的夹角；将式(2)写成向量的形式，有
vi+1＝aivi+bini (3)
式中：ai＝μi/μi+1，初始相机光线v1由标定获得，由式(3)推得各段光路的方向向量；
因此，物点P看作是由相机原点O经过各段光路的方向向量偏移得到，分段计算偏移向量；计算得，各段光路的偏移向量为ez为Z轴方向向量，则O点到P点的累积偏移为由此得出P点坐标：
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2)建立T2时刻的物点和像点光路关系
T2时刻是透镜旋转过程中不同于T1时刻的任意时刻，根据上述原理，同样得出各段光路的方向向量如下：
v′i+1＝aiv′i+bin′i (6)
式中：ai＝μi/μi+1，初始相机光线v′1由标定获得，由式(6)推得各段光路的方向向量；进一步得到物点和像点的关系模型，即：
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</mrow>
(3)求解三维信息
式(5)式(8)联立，得像点像素坐标与相机坐标下物点三维坐标关系如下：
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<mfenced open = "{" close = "">
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解算物点P空间三维坐标，完成了空间物点三维信息的测量。
Priority Applications (1)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710784507.4A CN107560554A (zh) | 2017-09-04 | 2017-09-04 | 一种基于旋转透镜的三维信息视觉测量方法 |
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Cited By (6)
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