CN108253939B - 可变视轴单目立体视觉测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可变视轴单目立体视觉测量方法，首先移除旋转双棱镜***，标定单目视觉测量***，得到并记录相机1的内参数；将旋转双棱镜***安装在单目视觉测量***前方，对单目视觉测量***和旋转双棱镜***整体进行标定，获得相机与旋转双棱镜***的相对位置关系，标定结束后，根据被测目标的理论几何特征划分成像视轴，对每个视轴指向角分别用迭代法在上位机中计算出旋转双棱镜对应的棱镜转角；旋转双棱镜***控制成像视轴依次转到对应的视轴指向角，相机依次采集相应的图像，实现被测目标几何特征的依次成像；将两次相邻视轴指向角所成两幅图像进行图像处理和特征匹配，以实现共同区域的三维特征重建；将所有三维特征重建的共同区域进行整合，即可得到被测目标的实际几何特征。

Description

可变视轴单目立体视觉测量方法
技术领域
本发明属于视觉测量领域，具体涉及一种可变视轴单目立体视觉测量方法。
背景技术
随着机器视觉理论的日趋成熟以及视觉传感器向着高速，高精度，高灵敏度方向的大步迈进，人们已经把机器视觉技术的快速性、高智能化应用于很多重要的工业、军事领域中，例如生物医学，环境科学，纺织，航天等。单目视觉测量技术的应用也越来越广泛，已成为航空航天及遥感测量，工业自动化，人工智能和产品检测等领域新的热点。旋转双棱镜作为一种典型的光束偏转和视轴切换装置，以其结构紧凑、准确性高、速度快、偏转角度大、动态性能好等优点，为大角度成像视轴调整提供了一种颇具潜力的新技术。
（1）以下在先技术中给出了机器视觉技术的应用。
在先技术（黄风山等专利，申请号：201310169289.5，申请日：2013年5月10日，“一种单目立体视觉测量方法”）提出一种单目立体视觉测量方法，把被测量工件放置在三坐标测量机的工作台上的测量位置，三坐标测量机上的摄像机沿X方向从位置A运动到位置B，分别拍摄两张照片，经过图像处理、特征提取和特征匹配，再结合各特征点在机器坐标系和零件CAD坐标系中的对应坐标，求解出被测量工件的位姿参数。
在先技术（刘华平等专利，申请号：201410016272.0，申请日：2014年1月14日，“基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法”）提出一种基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法，将单目摄像机安装在机械臂末端，可通过机械臂的运动对目标不同的特征部位进行测量。该方法是通过机械臂来改变相机位姿对目标进行测量，机械臂的运动精度对摄像机测量结果有较大影响。以上两种方法都是改变相机位置实现单摄像机立体视觉测量，其结构不够紧凑。
（2）以下在先技术中给出了旋转双棱镜***的应用。
在先技术（Anhu Li, etc.,“Inverse solutions for a Risley prism scannerwith iterative refinement by a forward solution”, Applied Optics, 2015, 54(33): 9981-9989）提出了一种将旋转双棱镜近似逆向解与迭代相结合的迭代逆向算法，为旋转双棱镜的逆向问题提供了一种精度高效率快的求解方法。
在先技术（William D. Fountain等专利，申请号：US 07/833,604，申请日：1992年2月11日，“System for scanning a surgical laser beam”）基于旋转双棱镜的视轴切换功能研制了的用于外科手术的成像扫描***，当两棱镜同步旋转时，扫描半径由棱镜间夹角决定，当两棱镜同速反向旋转时，可获得沿直径方向的扫描轨迹。
在先技术（Kim Keri, et al., “Wide FOV Wedge Prism Endoscope”, IEEEEngineering in Medicine and Biology, Conference IEEE, 2005:5758-5761）设计了一种新型的自动内诊镜，将旋转双棱镜***安装在探测管的前端实现大视场观察。
在先技术（Xiaodong Tao, etc., “Active optical system for variable viewimaging of micro objects with emphasis on kinematic analysis”, AppliedOptics, 2008, 47(22):4121-4132）在微操作台上使用旋转双棱镜改变操作者的观测角度，以实现微物体的顺利装配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变视轴单目立体视觉测量方法。通过旋转双棱镜***切换单目视觉的成像视轴，使相机的成像视轴偏转至指定的目标位置。相机以不同的成像视轴对物体进行拍照，将两次相邻视轴指向角所成两幅图像进行特征匹配，以实现共同区域的三维特征重建，即可得到被测物体的几何特征。此方法结合了旋转双棱镜***的光束偏转和视轴切换的特点和单目视觉无接触高精度测量的特点，保证了立体视觉测量的精度。该发明作为一种高精度测量方法，在工业测量等领域具有重要的应用价值。
本发明提出的可变视轴单目立体视觉测量方法，所述的可变视轴测量通过基于旋转双棱镜的单目视觉装置实现，所述单目视觉装置由单目视觉测量***和旋转双棱镜***组成，其中：单目视觉测量***由相机1组成；所述旋转双棱镜***包括第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3，第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3分别独立固定于支撑结构上，且第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3均与相机1同轴布置；第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3的布置间距和布置形式根据实际情况确定；第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3能够通过各自的驱动装置独立地进行旋转运动；
在相机标定和***标定之后的整个测量过程中，单目视觉测量***和旋转双棱镜***固定不动；具体步骤如下：
（1）首先移除旋转双棱镜***，采用合适的方法标定单目视觉测量***，所述合适的方法为直接线性变换方法、Tsai两步标定法、张正友平面标定法或神经网络标定方法等中的任意一种，得到并记录相机1的内参数；
（2）将旋转双棱镜***安装在单目视觉测量***前方，对单目视觉测量***和旋转双棱镜***整体进行标定，获得相机1与旋转双棱镜***的相对位置关系，标定结束后，整个装置固定不动；
（3）根据被测目标的理论几何特征划分成像视轴，将成像视轴按间隔分隔成若干个视轴指向角，对每个视轴指向角分别用迭代法在上位机中计算出旋转双棱镜对应的棱镜转角；
（4）旋转双棱镜***控制成像视轴依次转到对应的视轴指向角，相机1依次采集相应的图像，实现被测目标几何特征的依次成像；
（5）受旋转双棱镜***成像畸变影响，由于物方视场中的光线入射棱镜的角度不一致，故当旋转双棱镜***将成像视轴移动到一个给定的位置时，来自整个视场的光线不可能得到一致的偏转，最终产生成像畸变，可以利用逆光线追迹等方法实现准确的畸变校正；
（6）将两次相邻视轴指向角所成两幅图像进行图像处理和特征匹配，以实现共同区域的三维特征重建；
（7）最后将所有三维特征重建的共同区域进行整合，即可得到被测目标的实际几何特征。
本发明中，旋转双棱镜***的驱动装置可以采用力矩电机直驱、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构或同步带机构中任一种。旋转双棱镜***的布置形式包括四种：平面侧相对；斜面侧相对；第一旋转棱镜2斜面侧朝里，第二旋转棱镜3的平面侧朝里；第一旋转棱镜2的平面侧朝里，第二旋转棱镜3的斜面侧朝里。
本发明中，根据具体使用要求的不同，第一旋转棱镜2和第二旋转棱镜3可以采取完全相同的结构参数，或在部分结构参数上采用不同的参数配置，所述结构参数包括折射率、楔角等。
本发明中，单目视觉测量***与旋转双棱镜***可以不同轴，相关参数可以采用本发明提出方法进行标定。
本发明中，步骤（3）中划分原则有以下两点：一是目标三维特征越复杂，成像视轴的视轴指向角间隔越小，以提高复杂区域的测量精度；二是保证成像重叠区域覆盖整个被测区域。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的优势在于已知目标理论特征，通过指定目标理论特征特定区域对应的视轴指向角，采用逆向算法求解出旋转双棱镜旋转角，主动控制双棱镜视轴精确对准该区域特征。与手动切换单目相机的位姿改变成像视轴相比，该***具有较好的可控性和较高的指向精度。
2. 本发明利用旋转双棱镜***扩大了单目视觉的测量功能。旋转双棱镜***具备高准确度的光束偏转功能，能够实现动态成像视轴指向角度的切换，弥补了单目视觉不能够动态调整成像视轴实现三维特征测量的不足。因此本发明使单目视觉测量***通过改变成像视轴指向，依次获得目标特征的图像序列，通过特征匹配实现静态目标的三维特征重建。
3. 本发明主要由单目视觉测量***和旋转双棱镜***两部分组成，其控制过程相对简单。对于单目视觉测量***，仅需利用上位机控制相机采集并及时传输图像；对于旋转双棱镜***，只要求上位机控制旋转双棱镜分别旋转至指定的转角位置。因此本发明提出的测量方法具有可控性好和执行效率高的特点。
4. 本发明借助迭代法来解决旋转双棱镜的棱镜转角。基于成像视轴指向角度的划分，能够在较短时间内获得双棱镜的对应转角，从而精确调整视轴指向，提高了视觉测量定向精度和成像效率，具有计算量小和鲁棒性好等优点。
5. 本发明采用的旋转双棱镜***是一种典型的光束偏转装置，在各个领域得到了广泛的应用，具有结构紧凑、准确性高、速度快、偏转角度大、动态性能好、环境适应性好等优点。
附图说明
图1为本发明所述可变视轴单目立体视觉测量方法的结构原理图。
图2为棱镜的结构图。（a）为主视图，（b）为左视图。
图3为本发明旋转双棱镜***的四种不同布置形式。其中：（a）为平面侧相对；（b）为斜面侧相对；（c）第一旋转棱镜2斜面侧朝里，第二旋转棱镜3的平面侧朝里；（d）为第一旋转棱镜2的平面侧朝里，第二旋转棱镜3的斜面侧朝里。
图4为相机成像模型。
图5为：单目立体视觉切换视轴成像示意图。其中M i 和M i+1分别为第i个和第i+1个成像视轴的指向点，A i 和A i+1分别为其成像区域，A i,i+1为它们的共同区域。
图6为可变视轴单目立体视觉测量方法流程图。
图中标号：1为相机，2为第一旋转棱镜，3为第二旋转棱镜。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明所述的可变视轴单目立体视觉测量方法进行详细说明，但是本发明专利保护范围不限于此。
实施例1：以测量某物体一条棱的几何特征为例：
参见图1，左侧为该可变视轴单目立体视觉***，包括单目视觉测量***和旋转双棱镜***；右侧为被测物体，被测量为该物体一条棱的实际几何特征。根据本发明提供的可变视轴单目立体视觉测量方法和这条棱已知的理论几何特征，测量其实际的几何特征。
参见图2和图3，为该旋转双棱镜***采用的楔形棱镜结构和布置形式。在本实例中，棱镜采用图3（b）所示的布置形式。
参见图4，其中O C X C Y C Z C 为相机坐标系，O W X W Y W Z W 为世界坐标系，u-v为像素坐标系，x-y为图像坐标系。O C 为相机光心点，OO C 为相机焦距。根据相机的成像几何关系，可以得到世界坐标系表示的P点坐标(X W , Y W , Z W )与其投影点p的坐标(u, v)的关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：dx和dy为每个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸；(u 0, v 0)为摄相机光轴与相机拍摄图像平面交点的像素坐标；f为相机焦距；矩阵M 1完全由相机相对于世界坐标系方位的旋转矩阵R和偏移向量T决定，称为相机外部参数；矩阵M 2完全由dx、dy、u 0、v 0和f决定，这些参数只与相机内部结构有关，称为相机内部参数。
在本实施例中，这条棱已知的理论几何特征用世界坐标表示为：
Figure 517620DEST_PATH_IMAGE002
该实施例主要通过以下过程来实现：首先进行相机标定和***标定，把这条棱被测目标的理论几何特征划分成像视轴的指向角间隔，然后通过旋转双棱镜***切换单目视觉测量***的成像视轴，让相机1以不同的成像视轴对物体进行拍照，将共同区域进行特征匹配和三维特征重建，即可得到被测物体的几何特征。
参见图5和图6，可变视轴单目立体视觉测量方法应用于该物体三维特征测量的详细步骤如下：
步骤1：进行相机标定。移除旋转双棱镜***，将相机1置于被测物体前方，并保证在结合旋转双棱镜切换成像视轴的情况下相机能够拍到被测目标的任意位置。采用张正友棋盘格标定法标定单目视觉测量***，得到并记录相机1的内参数，包括相机的内参数矩阵M 2、相机的径向畸变参数k 1和k 2以及切向畸变参数k 3和k 4。
步骤2：进行***标定。将旋转双棱镜***安装在单目视觉测量***前方，按规律依次旋转第一旋转棱镜1和第二旋转棱镜2，对单目视觉测量***和旋转双棱镜***整体进行标定。经过推导计算，获得单目视觉测量***轴线和旋转双棱镜***轴线之间的位置关系，以及相机1相对于世界坐标系之间的位移变换矩阵T和旋转变换矩阵R与第一旋转棱镜的棱镜转角θ 1和第二旋转棱镜的棱镜转角θ 2的关系。标定结束后，整个***固定不动。
步骤3：划分成像视轴的视轴指向角间隔。根据被测目标的理论几何特征划分成像视轴的视轴指向角间隔，划分原则有以下两点：一是目标三维特征越复杂，成像视轴的视轴指向角间隔越小，以提高复杂区域的测量精度；二是保证成像重叠区域覆盖整个被测区域。根据这两个原则，本实施例成像视轴划分结果如图5圆点所示。
步骤4：将划分的视轴指向角分别用迭代法在上位机中计算出旋转双棱镜对应的棱镜转角，用矩阵θ表示：θ 2×n =[θ 1, θ 2] T 。
步骤5：对于第i个成像视轴指向，上位机将计算出的棱镜转角(θ 1i , θ 2i )传给下位机控制旋转双棱镜旋转到相应的角度，控制成像视轴转到对应的第i个视轴指向角，使视轴指向的M i 点位于图像中心，然后相机1采集当前图像并传给上位机储存为A i 。
步骤6：由于视轴偏离***光轴角度越大，旋转双棱镜导致的成像畸变越显著，最终可导致成像目标不可识别，因此在特征匹配之前利用逆向光线追迹法对获得的图像A i 进行畸变校正。
步骤7：将第i次与第i+1次视轴指向角所成两幅图像A i 和A i +1进行图像处理和特征匹配，以实现共同区域的三维特征重建，记为A i,i+1。
步骤8：将所有三维特征重建的共同区域A i,i+1进行整合，即可得到被测目标的实际几何特征。
其中，步骤3和步骤4划分完成像指向角间隔并计算出对应的棱镜转角后，依次通过步骤5和步骤6采集每个成像视轴指向对应的图像并进行畸变校正，全部采集完后通过步骤7和步骤8进行共同区域特征匹配和三维重建得到被测目标几何特征。
以上所述仅为本发明在扫描中应用的一个实例，对于本技术领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于所述的可变视轴测量通过基于旋转双棱镜的单目视觉装置实现，所述单目视觉装置由单目视觉测量***和旋转双棱镜***组成，其中：单目视觉测量***由相机组成；所述旋转双棱镜***包括第一旋转棱镜和第二旋转棱镜，第一旋转棱镜和第二旋转棱镜分别独立固定于支撑结构上，且第一旋转棱镜和第二旋转棱镜均与相机同轴布置；第一旋转棱镜和第二旋转棱镜的布置间距和布置形式根据实际情况确定；第一旋转棱镜和第二旋转棱镜能够通过各自的驱动装置独立地进行旋转运动；
在相机标定和***标定之后的整个测量过程中，单目视觉测量***和旋转双棱镜***固定不动；具体步骤如下：
（1）首先移除旋转双棱镜***，采用合适的方法标定单目视觉测量***，所述合适的方法为直接线性变换方法、Tsai两步标定法、张正友平面标定法或神经网络标定方法中的任意一种，得到并记录相机的内参数；
（2）将旋转双棱镜***安装在单目视觉测量***前方，对单目视觉测量***和旋转双棱镜***整体进行标定，获得相机与旋转双棱镜***的相对位置关系，标定结束后，整个装置固定不动；
（3）根据被测目标的理论几何特征划分成像视轴，将成像视轴按间隔分隔成若干个视轴指向角，对每个视轴指向角分别用迭代法在上位机中计算出旋转双棱镜对应的棱镜转角；
（4）旋转双棱镜***控制成像视轴依次转到对应的视轴指向角，相机依次采集相应的图像，实现被测目标几何特征的依次成像；
（5）受旋转双棱镜***成像畸变影响，由于物方视场中的光线入射棱镜的角度不一致，故当旋转双棱镜***将成像视轴移动到一个给定的位置时，来自整个视场的光线不可能得到一致的偏转，最终产生成像畸变，利用逆光线追迹方法实现准确的畸变校正；
（6）将两次相邻视轴指向角所成两幅图像进行图像处理和特征匹配，以实现共同区域的三维特征重建；
（7）最后将所有三维特征重建的共同区域进行整合，即可得到被测目标的实际几何特征。
2.根据权利要求1所述的可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于所述的旋转双棱镜***的驱动装置采用力矩电机直驱、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构或同步带机构中任一种。
3.根据权利要求1所述的可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于旋转双棱镜***的布置形式包括四种：平面侧相对；斜面侧相对；第一旋转棱镜斜面侧朝里，第二旋转棱镜的平面侧朝里；第一旋转棱镜的平面侧朝里，第二旋转棱镜的斜面侧朝里。
4.根据权利要求1所述的可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于根据具体使用要求的不同，第一旋转棱镜和第二旋转棱镜采取完全相同的结构参数，或在部分结构参数上采用不同的参数配置，所述结构参数包括折射率、楔角。
5.根据权利要求1所述的可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于单目视觉测量***与旋转双棱镜***不同轴，相关参数采用权利要求1所述方法进行标定。
6.根据权利要求1所述的可变视轴单目立体视觉测量方法，其特征在于步骤（３）中划分原则有以下两点：一是目标三维特征越复杂，成像视轴的视轴指向角间隔越小，以提高复杂区域的测量精度；二是保证成像重叠区域覆盖整个被测区域。
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