CN111397511A - 一种利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置，通过传输带匀速移动被测物体，并在物体处于不同位置下拍摄图像，再通过特征点匹配确定测量点在两幅图像上的像差，利用像差、运动距离及空间位置的几何关系确定被测点的空间位置，从而实现被测物体三维测量。本发明不需要结构光进行投影，单目三维测量装置结构简单，其通过相机直接成像，图像清晰，可实现不影响物体移动的情况下，实现移动物体的连续实时三维测量。本发明的利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置具有重要的实用价值。

Description

一种利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置
技术领域
本发明属于三维测量领域，涉及一种利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置。
背景技术
目前，单目立体测量方法主要有两类：
1、利用相机移动在不同位置拍摄图像，或采用镜面反射的方法构成双目立体视觉***，利用双目立体视觉的方法进行立体测量。采用该方法时，对于相机移动的要求较高(如移动距离的测量)，而采用镜面则会降低图像的分辨率。此外，该两种方式均要求被测物体保持不动，难以实现物体的连续三维测量需求。
2、采用结构光投影到被测物体上，利用结构光的形变，测量立体信息。采用该方法需要额外的光学***，导致测量***结构复杂。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置。
本发明所采用的技术方案为：
一种利用物体平移进行单目三维测量的方法，包括：
以单目相机的像平面中心为原点O，垂直于像平面方向为Z轴，像平面为XOY平面，建立O-XYZ三维坐标系；t1时刻，单目相机拍下第一张图像，物点P在像平面上形成像点P1；接着，物点P以匀速V平行于像平面作直线移动，在t2时刻到达位置P'，单目相机拍下第二张图像，物点P'在像平面上形成像点P2；
计算物点P的空间三维坐标(xp,yp,zp)：
Figure BDA0002436978080000011
公式(1)中，b＝V·Δt，Δt＝t2-t1；d为像点P1和P2之间的像差，通过特征点匹配算法计算得到；f为单目相机的焦距，(xC,yC)为物点P对应的像点P1在像平面上的坐标。
进一步地，确定像差d的具体过程为：
第一、第二张图像中，与原点O对应的中心点坐标均为(0.5L,0.5W)，其中，L为图像的横向分辨率，W为图像的纵向分辨率；
第一张图像中，像点P1对应的像素点坐标为(i1,j1)；
第二张图像中，像点P2对应的像素点坐标为(i2,j2)；
计算像点P1距离第一张图像中心点的距离d'1，计算像点P2距离第二张图像中心点的距离d'2，计算公式为：
Figure BDA0002436978080000021
公式(2)中，px为单目相机的每个像元的宽度，py为单目相机的每个像元的高度；
当像点P1和P2位于原点O同侧时，像差d＝|d'1-d'2|；
当像点P1和P2位于原点O不同侧时，像差d＝|d'1+d'2|。
进一步地，T·V≤px，T为单目相机快门速度。
一种利用物体平移进行单目三维测量的装置，包括门型框架和设置在所述门型框架下方、用于载着物体匀速移动的水平传输带，所述门型框架顶部固定设置单目相机，所述单目相机向下对着所述传输带。
进一步地，上述利用物体平移进行单目三维测量的装置还包括滑块和相机云台，所述门型框架包括横梁和两立柱，所述横梁两端分别与所述两立柱顶端固定连接；所述滑块与所述横梁相匹配，并可滑动地固定在所述横梁上；所述相机云台固定在所述滑块底部，所述单目相机固定在所述相机云台上。
进一步地，所述两立柱底部各固定有一底座。
本发明的有益效果在于：
本发明通过传输带匀速移动被测物体，并在物体处于不同位置下拍摄图像，再通过特征点匹配确定测量点在两幅图像上的像差，利用像差、运动距离及空间位置的几何关系确定被测点的空间位置，从而实现被测物体三维测量。本发明不需要结构光进行投影，单目三维测量装置结构简单，其通过相机直接成像，图像清晰，可实现不影响物体移动的情况下，实现移动物体的连续实时三维测量。本发明的利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置具有重要的实用价值，尤其是应用于工厂流水线生产上，如在三维成像后，可配合其他图像处理手段进行产品的诊断、评估。
附图说明
图1为本发明的单目三维测量方法原理图；
图2为本发明的单目三维测量装置的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为滑块与横梁间的配合结构示意图；
附图标记：1-立柱，2-横梁，3-滑块，4-相机云台，5-底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的利用物体平移进行单目三维测量的方法及装置作进一步地详细说明。
如图1所示，一种利用物体平移进行单目三维测量的方法，包括：
以单目相机的像平面中心为原点O，垂直于像平面方向为Z轴，像平面为XOY平面，建立O-XYZ三维坐标系；O‘为单目相机的光心；由小孔成像和光直线传播原理，物点反射光在经过光心后投影到像平面上会形成一个倒立的像点。
t1时刻，单目相机拍下第一张图像，物点P在像平面上形成像点P1；接着，物点P以匀速V平行于像平面作直线移动，在t2时刻到达位置P'，单目相机拍下第二张图像，物点P'(即运动到位置P'的物点P)在像平面上形成像点P2(t1、t2时刻均需要保证物点在单目相机的拍摄范围内)；
计算物点P的空间三维坐标(xp,yp,zp)：
Figure BDA0002436978080000031
公式(1)中，b＝V·Δt，Δt＝t2-t1；d为像点P1和P2之间的像差，通过特征点匹配算法计算得到；f为单目相机的焦距，(xC,yC)为物点P对应的像点P1在像平面上的坐标。
确定像差d的具体过程为：
第一、第二张图像中，与原点O对应的中心点坐标均为(0.5L,0.5W)，其中，L为图像的横向分辨率，W为图像的纵向分辨率；
第一张图像中，像点P1对应的像素点坐标为(i1,j1)；
第二张图像中，像点P2对应的像素点坐标为(i2,j2)；
计算像点P1距离第一张图像中心点的距离d'1，计算像点P2距离第二张图像中心点的距离d'2，计算公式为：
Figure BDA0002436978080000041
公式(2)中，px为单目相机的每个像元的宽度，py为单目相机的每个像元的高度；
当像点P1和P2位于原点O同侧时，像差d＝|d'1-d'2|；
当像点P1和P2位于原点O不同侧时，像差d＝|d'1+d'2|。
由于本方法是在运动过程中进行拍摄，运动速度V和单目相机的拍摄速度会对测量结果产生影响，因而需满足以下条件：T·V≤px，T为单目相机快门速度。
一般情况下，px为10um，运动速度V为1m/s时，单目相机快门速度为10us，即需要采用高速相机。如果采用普通相机，快门速度设置在1/1000s(普通电子快门可以实现)，则移动距离b的误差为1mm，最终测量误差可根据公式(1)计算得到。
如图2至4所示，一种利用物体平移进行单目三维测量的装置，包括门型框架和设置在门型框架下方、用于载着物体匀速移动的水平传输带，门型框架顶部固定设置单目相机，单目相机向下对着传输带。
具体地，门型框架包括横梁2和两立柱1，横梁2两端分别与两立柱1顶端固定连接。上述利用物体平移进行单目三维测量的装置还包括滑块3和相机云台4，滑块3与横梁2相匹配，并可滑动地固定在横梁2上。相机云台4通过螺钉固定在滑块3底部，单目相机固定在相机云台4上。
本实施例中，两立柱1底部还各固定有一底座5，两底座5同高，保证横梁2呈水平状态。
本实施例中，立柱1采用钢管，横梁2工字钢，立柱1与横梁2间焊接相连，底座5与对应的立柱1焊接相连。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用物体平移进行单目三维测量的方法，其特征在于，包括：
以单目相机的像平面中心为原点O，垂直于像平面方向为Z轴，像平面为XOY平面，建立O-XYZ三维坐标系；t1时刻，单目相机拍下第一张图像，物点P在像平面上形成像点P1；接着，物点P以匀速V平行于像平面作直线移动，在t2时刻到达位置P'，单目相机拍下第二张图像，物点P'在像平面上形成像点P2；
计算物点P的空间三维坐标(xp,yp,zp)：
Figure FDA0002436978070000011
公式(1)中，b＝V·Δt，Δt＝t2-t1；d为像点P1和P2之间的像差，通过特征点匹配算法计算得到；f为单目相机的焦距，(xC,yC)为物点P对应的像点P1在像平面上的坐标。
2.根据权利要求1所述的利用物体平移进行单目三维测量的方法，其特征在于，确定像差d的具体过程为：
第一、第二张图像中，与原点O对应的中心点坐标均为(0.5L,0.5W)，其中，L为图像的横向分辨率，W为图像的纵向分辨率；
第一张图像中，像点P1对应的像素点坐标为(i1,j1)；
第二张图像中，像点P2对应的像素点坐标为(i2,j2)；
计算像点P1距离第一张图像中心点的距离d′1，计算像点P2距离第二张图像中心点的距离d′2，计算公式为：
Figure FDA0002436978070000012
公式(2)中，px为单目相机的每个像元的宽度，py为单目相机的每个像元的高度；
当像点P1和P2位于原点O同侧时，像差d＝|d′1-d′2|；
当像点P1和P2位于原点O不同侧时，像差d＝|d′1+d′2|。
3.根据权利要求2所述的利用物体平移进行单目三维测量的方法，其特征在于，T·V≤px，T为单目相机快门速度。
4.一种利用物体平移进行单目三维测量的装置，其特征在于，包括门型框架和设置在所述门型框架下方、用于载着物体匀速移动的水平传输带，所述门型框架顶部固定设置单目相机，所述单目相机向下对着所述传输带。
5.根据权利要求4所述的利用物体平移进行单目三维测量的装置，其特征在于，还包括滑块(3)和相机云台(4)，所述门型框架包括横梁(2)和两立柱(1)，横梁(2)两端分别与所述两立柱(1)顶端固定连接；滑块(3)与横梁(2)相匹配，并可滑动地固定在横梁(2)上；相机云台(4)固定在滑块(3)底部，所述单目相机固定在所述相机云台(4)上。
6.根据权利要求5所述的利用物体平移进行单目三维测量的装置，其特征在于，所述两立柱(1)底部各固定有一底座(5)。
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