CN109084959B - 一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，包括以下步骤：首先将待校正双路光学***固定于调整台架上；然后采集特征目标在双路光学***中的左、右视场图像；之后调节调整台架使得光学***的两个光轴水平共面；之后再次采集特征目标在双路光学***中的左、右视场图像；然后利用双目测距算法获取特征目标的实际水平视差；再对特征目标进行测距，并利用双目测距算法求取特征目标的理想水平视差；最后比较上述两种视差，若两者不等，对光学***的光轴进行调整，直至两种视差一致，完成光学***光轴平行度校正。本发明的方法对光学***光轴平行度校正效果好，精度高，能有效提高多轴光学***的光轴平行度，且提高光轴校准的便捷性。

Description

一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法

技术领域

本发明涉及光电成像领域，特别涉及一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法。

背景技术

双目望远镜***及图像融合***被广泛应用于军用侦查中，能够对复杂场景下的目标进行搜索、探测、瞄准、跟踪等。为了保证光学***获取目标信息的准确性，提高观瞄效果及图像融合质量，最大限度的发挥其***优势，必须对光学***的光轴进行调校。除此之外，随着裸眼3D、仿生平行、增强现实、三维重建技术的发展，大量科技产品开始普遍双光轴、多光轴光学***，如多款智能手机采用双摄像头提高成像质量与用户体验。光学***的光轴平行度直接影响上述科技产品的功能效果，因此，保证光学***光轴平行度在一定范围内至关重要。

传统的光轴平行度校准方法包括投影靶法、小口径光管法和大口径平行光管法等。其中，投影靶法利用镜像关系进行光轴校正，原理简单，但需依赖人的主观判识，精度可靠性较低；平行光管法虽然测量精度相对较高，但操作困难、误差环节多、制作成本高。上述光轴校正方法多用于固定场合，移动性差、条件要求高，尤其针对***使用过程中出现的光轴偏差，具有很弱的环境适用性。

而针对宽基线光学***，尤其是图像融合***，由于其双路成像原理及响应波段不同，采用传统的光轴校正方法进行调校具有很大困难。因此，研发一种方法简单、校正精度高、且能很好的校正宽基线光学***光轴平行度的光轴校正方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，包括以下步骤：

步骤1、将待校正双路光学***的两个光路分别固定于调整台架上；

步骤2、对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像A、右视图像B；

步骤3、根据左视图像A、右视图像B对所述调整台架进行调节，使得所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面；

步骤4、利用步骤3调整后的待校正双路光学***对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像C、右视图像D；

步骤5、利用双目测距算法对左视图像C、右视图像D进行处理，获得特征目标I在左视图像C、右视图像D中的实际水平视差Δx₁；

步骤6、对特征目标I进行测距，获得特征目标I的实际距离L；利用双目测距算法求取特征目标I在所述待校正双路光学***两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx；

步骤7、判断步骤5获得的实际水平视差Δx₁与步骤6获得的理想水平视差Δx是否存在偏差，若存在偏差，则执行步骤8；否则结束待校正双路光学***光轴平行度校正；

步骤8、对所述待校正双路光学***中两个光路的光轴进行调整，直至实际水平视差Δx₁与理想水平视差Δx一致，完成待校正双路光学***光轴平行度校正。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的方法避免了采用平行光管，成本低；(2)本发明的方法中利用双目测距算法进行调校，能将视场配准精度控制在像素级别内，精度高；(3)本发明的方法对宽基线的多光轴光学***的光轴平行度校正效果好；(4)本发明方法利用双目测距算法并根据双目图像匹配进行光轴校正，通过对图像匹配算法进行优化后，同样可适用于多源图像融合型光学***，如红外探测器与可见光/微光探测器之间的光轴校正等。

附图说明

图1为本发明基于双目测距算法的光轴平行度校正方法的流程图。

图2为本发明中双目测距算法原理图。

图3为本发明采用的调整台架装置示意图，图中编号所代表的含义为：1-光学平台、2-角度调节旋钮、3-光学镜架、4-垂直调节螺杆、5-五维调节台、6-水平调节螺杆、7-精密升降细杆。

图4为本发明实施例光轴调校前采集的目标图像，其中图(a)为左视图像，图(b)为右视图像。

图5为本发明实施例中所选取的特征目标I的模板图。

图6为本发明实施例光轴调至水平共面后采集的目标图像，其中图(a)为左视图像，图(b)为右视图像。

图7为本发明实施例光轴调校完成后采集的目标图像，其中图(a)为左视图像，图(b)为右视图像。

具体实施方式

结合图1，本发明的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法包括以下步骤：

步骤1、将待校正双路光学***的两个光路分别固定于调整台架上。其中调整台架包括光学平台1、角度调节旋钮2、光学镜架3、垂直调节螺杆4、五维调节台5、水平调节螺杆6、精密升降细杆7；光学平台1的上方并排设置两个五维调节台5，每个五维调节台上均设置光学镜架3，每个光学镜架上均设置对应的光学***；其中每个五维调节台上还装有角度调节旋钮2、垂直调节螺杆4和水平调节螺杆6；光学平台1的下方设置用于调节其高度的精密升降细杆7。

步骤2、对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像A、右视图像B。

步骤3、根据左视图像A、右视图像B对所述调整台架进行调节，使得所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面。具体为：

步骤3-1、利用匹配算法求取左视图像A、右视图像B匹配点的坐标值分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)；其中匹配算法具体采用的是基于灰度互相关的匹配算法；具体为：

步骤3-1-1、在左视图像A中选取匹配目标模板T(m,n)，记录匹配目标模板的左上角坐标并将其作为左视图像A中匹配点的坐标值(x₁,y₁)；其中，m,n分别为所选匹配目标模板的边长尺寸；

步骤3-1-2、将步骤3-1-1中的匹配目标模板在右视图像B中移动，每一次移动时匹配目标模板覆盖右视图像B的区域子图为S^i,j(m,n)；其中，i,j分别为区域子图左上角像素点的横、纵坐标；

步骤3-1-3、求取步骤3-1-1中匹配目标模板T(m,n)与步骤3-1-2中区域子图S^i,j(m,n)的相似度；相似度的求取具体利用的是归一化的互相关函数：

式中，T(m,n)为匹配目标模板，S^i,j(m,n)为模板覆盖的区域子图，m,n分别为所选匹配目标模板的边长尺寸，i,j分别为区域子图左上角像素点的横、纵坐标，M,N分别表示探测器采集的左、右视图像的尺寸大小；

步骤3-1-4、将步骤3-1-3相似度极大值对应的匹配目标模板的中心坐标作为右视图像B中匹配点的坐标值(x₂,y₂)；

步骤3-2、根据y₁、y₂的相对偏差调节调整台架直至满足y₁＝y₂，从而使所述双路光学***的两个光轴水平共面。

步骤4、利用步骤3调整后的待校正双路光学***对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像C、右视图像D。

步骤5、利用双目测距算法对左视图像C、右视图像D进行处理，获得特征目标I在左视图像C、右视图像D中的实际水平视差Δx₁。具体为：

步骤5-1、利用基于灰度互相关的匹配算法获取特征目标I在左视图像C、右视图像D中匹配点的坐标值分别为Q₁(X_left,Y_left),Q₂(X_right,Y_right)；

步骤5-2、根据步骤5-1中的坐标Q₁(X_left,Y_left),Q₂(X_right,Y_right)求取实际水平视差为Δx₁为：

Δx₁＝(X_left-X_right)×pixel

式中，pixel为探测器像元尺寸。

步骤6、对特征目标I进行测距，获得特征目标I的实际距离L，具体为：

步骤6-1、采用激光测距方法对特征目标I进行n'次测距，获得n'个测距数值，记L_i为第i次测距数值；

步骤6-2、对步骤6-1的n'个测距数值求平均获得特征目标I的实际距离L：

利用双目测距算法求取特征目标I在所述待校正双路光学***两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx；具体为：

特征目标I的实际距离L与在所述待校正双路光学***中两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx之间的关系为：

式中，b为所述待校正双路光学***的基线长度，f为所述待校正双路光学***的焦距；

根据特征目标I的实际距离L反向求解出理想水平视差Δx为：

步骤7、判断步骤5获得的实际水平视差Δx₁与步骤6获得的理想水平视差Δx是否存在偏差，若存在偏差，则执行步骤8；否则结束待校正双路光学***光轴平行度校正；

步骤8、对所述待校正双路光学***中两个光路的光轴进行调整，直至实际水平视差Δx₁与理想水平视差Δx一致，完成待校正双路光学***光轴平行度校正。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例

针对一个双轴光学***作为研究对象，对本发明光轴平行度校正方法进行验证。待校正双路光学***具体参数为：双路光学***的焦距f为75mm，光学***基线b为200mm，图像采集所选用的探测器像元尺寸pixel为2.75μm。

结合图1，本发明基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，包括以下步骤：

步骤1、将待校正双路光学***的两个光路分别固定于调整台架上。结合图3，所述调整台架包括光学平台1、角度调节旋钮2、光学镜架3、垂直调节螺杆4、五维调节台5、水平调节螺杆6、精密升降细杆7。以光学平台1作为光学底座，光学平台1的上部布满安装孔。通过安装孔将两台五维调节台5并排固定在光学平台1上，每个五维调节台上均固定光学镜架3，便于将待校正双路光学***固定。

步骤2、对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像A如图4(a)所示、右视图像B如图4(b)所示。

步骤3、根据左视图像A、右视图像B对所述调整台架进行调节，使得所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面。本实施例该步骤具体为：

步骤3-1、利用基于灰度互相关的匹配算法求取左视图像A、右视图像B匹配点的坐标值；具体为：

步骤3-1-1、在左视图像A中选取匹配目标模板T(m,n)＝T(24,82)，匹配目标模板如图5所示，记录匹配目标模板左上角的坐标并将其作为左视图像A中匹配点的坐标值(x₁,y₁)＝(1235,409)；

步骤3-1-2、将步骤3-1-1中的匹配目标模板在右视图像B中移动，每一次移动时匹配目标模板覆盖右视图像B的区域子图为S^i,j(m,n)＝S^i,j(24,82)；其中，i,j分别为区域子图左上角像素点的横、纵坐标；

步骤3-1-3、利用归一化的互相关函数求取步骤3-1-1中匹配目标模板T(24,82)与步骤3-1-2中区域子图S^i,j(24,82)的相似度；

步骤3-1-4、将步骤3-1-3相似度极大值对应的匹配目标模板的中心坐标作为右视图像B中匹配点的坐标值(x₂,y₂)＝(125,649)。

步骤3-2、根据y₁、y₂的相对偏差调节调整台架直至满足y₁＝y₂，从而使所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面。

步骤4、利用步骤3调整后的待校正双路光学***对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像C如图6(a)所示、右视图像D如图6(b)所示。

步骤5、利用双目测距算法对左视图像C、右视图像D进行处理，获得特征目标I在左视图像C、右视图像D中的实际水平视差为Δx₁。本实施例中该步骤具体为：

步骤5-1、利用基于灰度互相关的匹配算法获取特征目标I在左视图像C、右视图像D中匹配点的坐标值分别为：Q₁(X_left,Y_left)＝(1235,409)，Q₂(X_right,Y_right)＝(137,409)；

步骤5-2、根据步骤5-1中的坐标Q₁(X_left,Y_left),Q₂(X_right,Y_right)求取实际水平视差Δx₁为：

Δx₁＝(X_left-X_right)×pixel＝1098×2.75×10^-6＝3.0195×10^-3。

步骤6、对特征目标I进行测距，获得特征目标I的实际距离L；利用双目测距算法求取特征目标I在所述待校正双路光学***两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差为Δx。本实施例中获取特征目标I的实际距离L，具体为：

步骤6-1、采用激光测距方法对特征目标I进行9次测距，获得9个测距数值如下表1所示，记L_i为第i次测距数值；

组数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										测距结果	107	107	106	107	106	107	107	107	106

步骤6-2、对步骤6-1的9个测距数值求平均获得特征目标I的实际距离L：

本实施例中利用双目测距算法求取特征目标I在所述双路光学***中两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx；具体为：

特征目标I的实际距离L与在所述双路光学***中两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx之间的关系为：

式中，b为所述双路光学***的基线长度，f为所述双路光学***的焦距；

根据特征目标I的实际距离L反向求解出理想水平视差Δx为：

Δx＝140.19×10^-6

Δx＝(X_left-X_right)×pixel

步骤7、判断步骤5获得的实际水平视差Δx₁与步骤6获得的理想水平视差Δx是否存在偏差，本实施例Δx₁与Δx存在偏差，因此执行步骤8。

步骤8、对所述待校正双路光学***中两个光路的光轴进行调整，使实际水平视差Δx₁与理想水平视差Δx一致，完成待校正双路光学***光轴平行度校正。

双路光学***光轴平行度校正完成后的目标左、右视图像如图7(a)、7(b)所示，左、右视图像匹配点的坐标值分别为Q₁(X_left,Y_left)＝(403,431)，Q₂(X_right,Y_right)＝(352,431)，因此校正后的实际水平视差为：X_left-X_right＝51，与理想水平视差一致，表明光轴完全平行，由此验证本发明的方法对光学***光轴平行度校正效果良好。

本发明的方法对光学***光轴平行度校正效果好，精度高，有效的提高了多轴光学***的光轴平行度，提高了光轴校准的便捷性。

Claims (8)

1.一种基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待校正双路光学***的两个光路分别固定于调整台架上；

步骤2、对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像A、右视图像B；

步骤3、根据左视图像A、右视图像B对所述调整台架进行调节，使得所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面；

步骤4、利用步骤3调整后的待校正双路光学***对特征目标I进行图像采集，获得特征目标I在左、右视场中的图像分别为左视图像C、右视图像D；

步骤5、利用双目测距算法对左视图像C、右视图像D进行处理，获得特征目标I在左视图像C、右视图像D中的实际水平视差Δx₁；

步骤6、对特征目标I进行测距，获得特征目标I的实际距离L；利用双目测距算法求取特征目标I在所述待校正双路光学***两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx；

步骤7、判断步骤5获得的实际水平视差Δx₁与步骤6获得的理想水平视差Δx是否存在偏差，若存在偏差，则执行步骤8；否则结束待校正双路光学***光轴平行度校正；

步骤8、对所述待校正双路光学***中两个光路的光轴进行调整，直至实际水平视差Δx₁与理想水平视差Δx一致，完成待校正双路光学***光轴平行度校正。

2.根据权利要求1所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤1中所述调整台架包括光学平台(1)、角度调节旋钮(2)、光学镜架(3)、垂直调节螺杆(4)、五维调节台(5)、水平调节螺杆(6)、精密升降细杆(7)；

所述光学平台(1)的上方并排设置两个五维调节台(5)，每个五维调节台上均设置光学镜架(3)，每个光学镜架上均设置对应的光学***；其中每个五维调节台上还装有角度调节旋钮(2)、垂直调节螺杆(4)和水平调节螺杆(6)；光学平台(1)的下方设置用于调节其高度的精密升降细杆(7)。

3.根据权利要求1所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤3所述根据左视图像A、右视图像B对所述调整台架进行调节，使得所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面，具体为：

步骤3-1、利用匹配算法求取左视图像A、右视图像B匹配点的坐标值分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)；其中匹配算法具体采用的是基于灰度互相关的匹配算法；

步骤3-2、根据y₁、y₂的相对偏差调节调整台架直至满足y₁＝y₂，从而使所述待校正双路光学***的两个光轴水平共面。

4.根据权利要求3所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤3-1具体为：

步骤3-1-1、在左视图像A中选取匹配目标模板T(m,n)，记录匹配目标模板左上角的坐标并将其作为左视图像A中匹配点的坐标值(x₁,y₁)；其中，m,n分别为所选匹配目标模板的边长尺寸；

步骤3-1-2、将步骤3-1-1中的匹配目标模板在右视图像B中移动，每一次移动时匹配目标模板覆盖右视图像B的区域子图为S^i,j(m,n)；其中，i,j分别为区域子图左上角像素点的横、纵坐标；

步骤3-1-3、求取步骤3-1-1中匹配目标模板T(m,n)与步骤3-1-2中区域子图S^i,j(m,n)的相似度；

步骤3-1-4、将步骤3-1-3相似度极大值对应的匹配目标模板的中心坐标作为右视图像B中匹配点的坐标值(x₂,y₂)。

5.根据权利要求4所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤3-1-3中相似度的求取具体利用的是归一化的互相关函数：

式中，T(m,n)为匹配目标模板，S^i,j(m,n)为模板覆盖的区域子图，m,n分别为所选匹配目标模板的边长尺寸，i,j分别为区域子图左上角像素点的横、纵坐标，M,N分别为探测器采集的左、右视图像的尺寸大小。

6.根据权利要求1所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤5所述利用双目测距算法对左视图像C、右视图像D进行处理，获得特征目标I在左视图像C、右视图像D中的实际水平视差Δx₁，具体为：

步骤5-1、利用基于灰度互相关的匹配算法获取特征目标I在左视图像C、右视图像D中匹配点的坐标值分别为Q₁(X_left,Y_left),Q₂(X_right,Y_right)；

步骤5-2、根据步骤5-1中的坐标Q₁(X_left,Y_left),Q₂(X_right,Y_right)求取实际水平视差Δx₁为：

Δx₁＝(X_left-X_right)×pixel

式中，pixel为探测器像元尺寸。

7.根据权利要求1所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤6中对所述特征目标I进行测距，获得特征目标I的实际距离L，具体为：

步骤6-1、采用激光测距方法对特征目标I进行n'次测距，获得n'个测距数值，记L_i为第i次测距数值；

步骤6-2、对步骤6-1的n'个测距数值求平均获得特征目标I的实际距离L：

8.根据权利要求1所述的基于双目测距算法的光轴平行度校正方法，其特征在于，步骤6中所述利用双目测距算法求取特征目标I在所述待校正双路光学***两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx，具体为：

特征目标I的实际距离L与在所述待校正双路光学***中两个光轴完全平行时左视图像E、右视图像F中的理想水平视差Δx之间的关系为：

式中，b为所述待校正双路光学***的基线长度，f为所述待校正双路光学***的焦距；

根据特征目标I的实际距离L反向求解出理想水平视差Δx为：

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