CN112985293B - 一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，将提供一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法。本发明测量***由工业相机2、光学镜头3、小球面镜6和大球面镜7、机械支架4、数据传输线5、计算机8、标定靶标11和电源12组成。工业相机2经大球面镜7和小球面镜6镜像为左虚拟相机13和右虚拟相机14，左虚拟相机13和右虚拟相机14构成镜像双目。本发明测量方法利用标定靶标11标定虚拟相机的成像模型参数、镜像双目的结构参数和本质矩阵，被测物10置于镜像双目传感器1的视场范围9内，经小球面镜6和大球面镜7反射后被工业相机2接收，所成图像采集到计算机中进行处理，提取测量点的图像坐标，根据测量模型，计算出被测物测量点的三维坐标。本发明通过球面镜反射成像扩大了单像机镜像双目***的视场范围，解决了双目视觉测量中视场范围与***体积间的矛盾，避免了传统由两个相机构成的双目测量***图像采集的同步要求，降低了双目视觉测量操作的复杂度，可拓宽双目视觉测量的应用领域。

Description

一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法

(一)技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，涉及一种由单像机构成的大视场双目视觉测量***，将提供一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法。

(二)背景技术

随着图像处理技术与计算机技术的快速发展，基于机器视觉的三维视觉精密测量技术得到研究人员的广泛关注，双目立体视觉作为非接触式三维测量的经典测量***，被广泛应用于智能交通、工业制造、现代医学、航空航天等领域，如铁路列车轮对测量、工业加工零部件测量、无人机导航、机器人定位等。近年来，视觉测量的应用需求不断提升，测量场景复杂化，对立体视觉传感器提出了低成本、小型化、轻量化、大视场、快速测量等要求。其中，采用单像机与光学镜组构成镜像双目立体视觉测量***，可提升双目传感器的性能，适用于复杂场景，满足更高的测量需求。此外，采用球面镜反射成像的视觉传感***，可获得更大的测量视场范围。

目前的双目立体视觉传感器，主要针对室内条件、光照均匀或较少反射的特定条件下三维测量需求。对于不同的场景条件，国内外学者开始尝试研究复杂场景下的三维感知测量技术，如利用光度立体相机对弱光照条件下的室内场景进行感知，利用双目立体视觉***进行目标识别和三维感知测量场景中被遮挡物体。微软公司和英特尔公司分别在2010年和2012年发布了Kinect和RealSense摄像机，能够获取场景的RGB和深度图像。然而现有的对于不同场景条件下的双目视觉测量方法，传感器体积大、成本高，且有测量速度慢、效率低，图像采集同步性差，测量***难以小型化等缺点，不能满足高精度动态三维精密测量需求。镜像式双目视觉测量模式融合了传统双目立体视觉的优点，同时又具有成本低、操作方便、测量结构简单、***易小型化等特点，满足了双目视觉测量中左右视图严格的同步采集要求，可广泛地应用于高精度动态测量及各种受限空间复杂场景。如基于平面折反射的镜像双目视觉技术，利用单个摄像机经平面镜像反射从不同方位同时捕获被测物体图像，提高了图像采集效率，***体积减小，但视场减半，针对不同的测量对象和场景需要设计特定的传感器结构。基于曲面折反射的镜像双目视觉将扩大视场范围，但其成像***通常采用光轴共线结构，限制了测量性能，且图像存在固有的卷曲畸变，不利于立体视觉中同名特征匹配，多用于定性检测，难以进行精密三维测量。因此，需要提出一种镜像双目测量***，使传感器结构进一步小型化的同时，获得更大的视场范围，并建立数学模型恢复卷曲畸变图像，实现定量三维测量。

(三)发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法，使镜像双目测量***获得更大的视场范围，适用于复杂场景及受限空间。测量***由一个单摄像机和一对双球面光学镜片组成，实施过程分为标定阶段和测量阶段。经合适的传感器尺寸参数设计后实施。在标定阶段建立虚拟相机的成像模型和镜像双目的三维测量模型，通过虚拟相机的成像模型标定和镜像双目的结构参数标定后可进行三维测量。该测量方法解决了现有单像机双平面镜像双目***视场范围较小的问题，扩大了视场范围，解决了镜像双目体积与视场范围之间的矛盾，降低了双目***的成本和操作复杂度。

本发明的技术解决方案是：一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法，其特征在于：

1、一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***，其特征在于，

1.1、所述的单像机双球面镜镜像双目视觉测量***，由镜像双目传感器(1)、数据传输线(5)、计算机(8)、标定靶标(11)和电源(12)组成；镜像双目传感器(1)由工业相机(2)、光学镜头(3)、机械支架(4)、小球面镜(6)和大球面镜(7)组成；工业相机(2)与光学镜头(3)构成单像机，小球面镜(6)和大球面镜(7)构成双球面镜，双球面镜轴向方向(18)定义为双球面镜边缘交点M到小球面镜(6)中心轴O₁E₁和大球面镜(7)中心轴O₂E₂的交点J；数据传输线(5)与计算机(8)相连接；被测物(10)置于镜像双目传感器(1)的视场范围(9)内，在双球面轴向方向上距双球面镜边缘交点200～600mm范围内；所述的镜像双目传感器(1)将拍摄图像传入计算机(8)中进行储存和处理；

1.2、所述的镜像双目传感器(1)的几何参数包括：工业相机(2)与小球面镜(6)和大球面镜(7)的边缘交点M的距离为80～150mm，小球面镜(6)的镜面直径为20～50mm，曲率半径为40～500mm，边缘厚度为1～10mm，摆放角度定义为小球面镜(6)的底板(16)与镜头光轴OM间的夹角，取值为15°～45°；大球面镜(7)的镜面直径为30～60mm，曲率半径为40～500mm，边缘厚度为1～10mm，摆放角度定义为大球面镜(7)的底板(17)与镜头光轴OM间的夹角，取值为45°～80°；

1.3、所述的标定靶标(11)为一个二维平面，靶标上有预先设置的特征点，在靶标平面上布置成矩阵排列的黑色实心圆，圆的数量为16～100个，直径为2～20mm，其精度为0.01mm，圆心距为8～20mm，其精度为0.01mm，选取靶面上圆的中心为特征点，特征点数量为16～100个。

2、使用如权利要求1所述的单像机双球面镜镜像双目视觉测量***进行三维测量的方法，其特征在于，测量过程分为标定阶段和测量阶段，进行一次标定后可连续测量，具体步骤如下：

2.1、标定阶段：

2.1.1、将工业相机(2)固紧；调整光学镜头(3)的焦距，保证在双球面镜轴向方向上距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内的被测物体(10)所成图像较为清晰；调整完后，将光学镜头(3)固紧；

2.1.2、工业相机(2)经过双球面镜镜像为两个虚拟相机，分别称为左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)；左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)构成镜像双目；建立虚拟相机的成像模型，主要参数包括虚拟相机的等效焦距和主点，以及球面镜的畸变系数；标定虚拟相机的成像模型参数，具体步骤如下：

第一步，在镜像双目传感器(1)的视场范围内，自由移动标定靶标(11)至少三个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为双球面镜标定图像，靶标上所有的特征点应包含在拍摄图像内；

第二步，将双球面镜标定图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像，分别称为左标定图像和右标定图像；左标定图像与左虚拟相机(13)对应，右标定图像与右虚拟相机(14)对应；

第三步，左标定图像中的特征点称为左标定特征点，提取左标定特征点的图像坐标，与特征点的世界坐标对应；利用左标定特征点标定大球面镜(7)的畸变系数和左虚拟相机(13)的等效焦距和主点；

第四步，右标定图像中的特征点称为右标定特征点，提取右标定特征点的图像坐标，与特征点的世界坐标对应；利用右标定特征点标定小球面镜(6)的畸变系数和右虚拟相机(14)的等效焦距和主点；

第五步，利用大球面镜(7)的畸变系数对左标定图像进行球面畸变校正，得到无球面畸变左标定图像；利用小球面镜(6)的畸变系数对右标定图像进行球面畸变校正，得到无球面畸变右标定图像；

2.1.3、标定镜像双目的结构参数和本质矩阵，具体步骤如下；

第一步，建立镜像双目的极线几何约束关系，用本质矩阵描述；建立镜像双目的三维测量模型，模型的参数为镜像双目的结构参数，包括右虚拟相机的三维坐标系O_r-x_ry_rz_r到左虚拟相机的三维坐标系O_l-x_ly_lz_l的旋转矩阵和平移矢量；

第二步，分别提取无畸变左标定图像和无畸变右标定图像的特征点的图像坐标，并与特征点的世界坐标对应；

第三步，利用所有特征点的无畸变图像坐标及对应的世界坐标，标定镜像双目的结构参数，并计算镜像双目的本质矩阵；

2.2、测量阶段：

2.2.1、将被测物(10)放置在镜像双目传感器(1)的视场范围(9)内，在双球面镜轴向方向距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内，调整被测物(10)，保证被测物同时成像在相机拍摄图像的左半部分和右半部分，拍摄一幅图像，称为测量图像；

2.2.2、将测量图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像，分别称为左测量图像和右测量图像；左测量图像与左虚拟相机(13)对应，右测量图像与右虚拟相机(14)对应；

2.2.3、利用步骤2.1.2中标定好的虚拟相机的成像模型参数，对步骤2.2.2获得的左测量图像和右测量图像进行畸变校正，得到无畸变左测量图像和无畸变右测量图像；

2.2.4、设定被测物(10)上的测量点，计算测量点在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的三维坐标，具体步骤如下：

第一步，测量点在无畸变左测量图像和无畸变右测量图像中分别对应的图像点称为同名对应点对，通过图像处理和根据镜像双目的极线几何约束进行的立体匹配，确定同名对应点对的无畸变左测量图像坐标和无畸变右测量图像坐标；

第二步，在O_l-x_ly_lz_l坐标系中，根据步骤2.1.3中建立的镜像双目的三维测量模型，由测量点的同名对应点对的无畸变图像坐标，计算测量点在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的三维坐标，保存三维坐标到数据文件；

2.2.5、重复步骤2.2.1～2.2.4，进行被测物新的测量点的三维测量。

本发明的优点是：

一、提出了单像机双球面镜镜像双目视觉测量***和测量方法，利用单像机获取双目图像对，实现了双目测量左右视图的同步采集，降低了双目***的成本，缩小了测量***的体积。

二、利用双球面镜代替已有的双平面镜进行镜像双目成像，扩大了视场范围，建立虚拟相机成像模型解决球面反射成像固有的卷曲畸变问题，建立镜像双目的三维测量模型实现被测物三维测量。

三、提出的单像机双球面镜像双目视觉传感器易于小型化和轻量化，扩展了双目***的应用范围，可用于受限空间及复杂场景的测量。

(四)附图说明

图1为单像机双球面镜镜像双目视觉测量方法流程图；

图2为单像机双球面镜镜像双目视觉测量***构成示意图；

图3为镜像双目传感器视场范围、双球面镜轴向方向及光路二维示意图；

图4为靶标示意图；

图5为虚拟相机镜像双目三维测量模型示意图；

图6为采集的双球面镜标定图像；

(五)具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明基于计算机视觉和图像处理技术，根据Zhou F Q,Wang Y X等人的论文“Three-Dimensional Measurement Approach in SmallFOV and Confined Space Using an Electronic Endoscope[J].IEEE Sensors Journal,2014,14(9):3274-3282.”提出的两平面镜单像机镜像双目立体视觉***，在此基础上进行改进，设计由单像机和双球面镜构成的镜像双目视觉传感器，建立虚拟相机的成像模型，对镜像双目传感器捕获的球面卷曲畸变图像进行展开，即畸变校正，建立镜像双目的三维测量模型，完成各模型参数标定后实现三维测量。

镜像双目传感器的结构及***光路设计如图3所示，被测场景经两球面镜反射后进入单像机成像，单像机中光学镜头的光轴方向与视场方向不共向。根据各组成部分及布局，包括球面镜参数设计和机械结构参数设计两部分。在球面镜参数设计中，分析小球面镜(6)、大球面镜(7)的摆放角度、镜片直径和曲率半径对传感器视场范围的影响，推导数学关系，确定小球面镜(6)、大球面镜(7)的光学结构参数。在机械结构参数设计中，根据选用的工业相机(2)和光学镜头(3)的实际尺寸，结合球面镜参数，设计机械支架(4)。最后由小球面镜(6)、大球面镜(7)、机械支架(4)和工业相机(2)、光学镜头(3)构成单像机双球面镜镜像双目视觉测量***。

本发明针对设计的单像机双球面镜镜像双目视觉测量***，建立虚拟相机的成像模型和镜像双目的三维测量模型，如图5所示。虚拟相机的成像模型主要参数包括虚拟相机的等效焦距和主点，以及球面镜的畸变系数。将镜像双目传感器拍摄的标定靶标图像称为双球面镜标定图像，将双球面镜标定图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像，分别称为左标定图像和右标定图像，左标定图像对应左虚拟相机(13)，右标定图像对应右虚拟相机(14)。左、右虚拟相机的透视投影模型为：

其中，(x_vl,y_vl)为特征点在左标定图像中的图像坐标，A_vl为左虚拟相机(13)的内参矩阵，f_vxl,f_vyl为左虚拟相机(13)在x，y方向上的有效焦距，(u_0vl,v_0vl)为左虚拟相机(13)的主点坐标，(R_vl|T_vl)为标定靶标在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的旋转矩阵和平移矢量；(x_vr,y_vr)为特征点在左标定图像中的图像坐标，A_vr为右虚拟相机(14)的内参矩阵，f_vxr，f_vyr为右虚拟相机(14)在x，y方向上的有效焦距，(u_0vr,v_0vr)为右虚拟相机(14)的主点坐标；(R_vr|T_vr)为标定靶标在O_r-x_ry_rz_r坐标系下的旋转矩阵和平移矢量。

考虑左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)的镜头畸变，镜头畸变模型为：

其中，(x_l,y_l)为特征点在左虚拟相机成像的理想图像坐标，(x_dl,y_dl)为特征点在左虚拟相机成像的实际图像坐标，r为实际图像坐标与无球面反射畸变的虚拟相机主点之间的距离，(k_l1,k_l2)为左虚拟相机镜头的一次和二次径向畸变系数，(p_l1,p_l2)为左虚拟相机镜头的一次和二次切向畸变系数；(x_r,y_r)为特征点在左虚拟相机成像的理想图像坐标，(x_dr,y_dr)为特征点在左虚拟相机成像的实际图像坐标，r为实际图像坐标与无球面反射畸变的虚拟相机主点之间的距离，(k_r1,k_r2)为左虚拟相机镜头的一次和二次径向畸变系数，(p_r1,p_r2)为左虚拟相机镜头的一次和二次切向畸变系数。

球面镜的畸变可看作是由径向畸变与切向畸变结合而成，则其模型为：

其中，(x_dl,y_dl)为无球面畸变左标定图像坐标，(x_0l,y_0l)为实际左标定图像坐标，r_0l为实际左标定图像坐标与左虚拟相机主点间的距离，(k_sl1,k_sl2,k_sl3)为大球面镜(7)的径向畸变系数，(p_sl1,p_sl2)为大球面镜(7)的切向畸变系数；(x_dr,y_dr)为无球面反射畸变右标定图像坐标，(x_0r,y_0r)为实际左标定图像坐标，r_0r为实际右标定图像坐标与右虚拟相机主点间的距离，(k_sr1,k_sr2,k_sr3)为小球面镜(6)的径向畸变系数，(p_sr1,p_sr2)为小球面镜(6)的切向畸变系数。

建立镜像双目的极线几何约束关系，用本质矩阵表示，描述方法参见Cui Yi的论文“Precise calibration of binocular vision system used for visionmeasurement”[Optics Express,Vol.20,No.8,2014]；建立镜像双目的三维测量模型，主要参数包括O_r-x_ry_rz_r坐标系到O_l-x_ly_lz_l坐标系的旋转矩阵R和平移矢量T。

单个虚拟相机无法通过图像坐标恢复特征点圆心的三维坐标。镜像双目立体视觉***可根据三角测量原理，通过特征点在两虚拟相机图像中的坐标计算特征点三维坐标。选取O_l-x_ly_lz_l坐标系作为测量坐标系，镜像双目的三维测量模型为：

其中，λ_vl,λ_vr为尺度因子；A_vl,A_vr为左、右虚拟相机内参数矩阵，x_l(u_l,v_l),x_vr(u_vr,v_vr)分别为左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)图像对应点像素坐标。R,T为虚拟双目结构参数，表示O_r-x_ry_rz_r坐标系与O_l-x_ly_lz_l坐标系之间的转换关系。

而O_l-x_ly_lz_l坐标系与O_r-x_ry_rz_r坐标系之间的相互位姿关系可通过矩阵旋转表示：

根据单像机双球面镜镜像双目视觉传感器的测量***和数学模型，本发明单像机双球面镜镜像双目视觉测量***的测量流程如图1所示，具体步骤如下：

1、将工业相机(2)固紧；调整光学镜头(3)的焦距，保证在双球面镜轴向方向上距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内的被测物体(10)所成图像较为清晰；调整完后，将光学镜头(3)固紧；

2、在镜像双目传感器(1)的视场范围内，自由移动标定靶标(11)至少三个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为双球面镜标定图像，靶标上所有的特征点应包含在拍摄图像内；

3、将双球面镜标定图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像；左标定图像与左虚拟相机(13)对应，右标定图像与右虚拟相机(14)对应；

4、根据公式[1,2]，利用左标定特征点标定大球面镜(7)的畸变系数和左虚拟相机(13)的等效焦距和主点，利用右标定特征点标定小球面镜(6)的畸变系数和右虚拟相机(14)的等效焦距和主点，标定方法参见Zhang Zhengyou的论文“A flexible newtechnique for camera calibration”[IEEE Transctions on Pattern Analysis andMachine Intelligence,Vol.22,No.11,2000]；

5、根据公式[3]，利用大球面镜(7)的畸变系数对左标定图像进行球面畸变校正，得到无球面畸变左标定图像；利用小球面镜(6)的畸变系数对右标定图像进行球面畸变校正，得到无球面畸变右标定图像；

6、分别提取无球面畸变左标定图像和无球面畸变右标定图像的特征点的图像坐标，并与特征点的世界坐标对应；

7、根据所提出的镜像双目的三维测量模型(公式[4,5])，用步骤(10)提取的所有特征点的图像坐标及对应的世界坐标，标定镜像双目的结构参数，计算本质矩阵，得到O_r-x_ry_rz_r坐标系到O_l-x_ly_lz_l坐标系的旋转矩阵和平移矢量；

8、根据本发明的一个实施例，对被测物(10)进行测量；

9、将被测物(10)放置在镜像双目传感器(1)的视场范围(9)内，在双球面镜轴向方向上距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内，传感器所捕获到的实时影像显示在计算机(8)中，调整被测物(10)，保证所呈图像的左、右两部分均清晰完整，拍摄一张图像，作为测量图像；将测量图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为两个测量图像，作为左测量图像和右测量图像；采用SIFT算法提取测量图像上的点，设定为被测物(10)上的测量点，提取方法参见David G.Lowe的论文David G.Lowe.“Distinctive image features from scaleinvariant keypoints”[International Journal of Computer Vision,2004]”；

10、利用标定好的虚拟相机的成像模型参数，对步骤9获得的左、右测量图像依次进行球面畸变校正，得到无球面畸变左测量图像和无球面畸变右测量图像；

11、在步骤10获得的无球面畸变左、右测量图像中，提取被测物测量点的图像坐标，根据虚拟双目立体视觉极线几何约束进行立体匹配，确定同名对应点对的无畸变左测量图像坐标和无畸变右测量图像坐标，通过公式[4,5]建立的镜像双目的三维测量模型，计算O_r-x_ry_rz_r坐标系原点和测量点的投影点确定的直线与O_l-x_ly_lz_l坐标系原点和测量点的确定的直线的最小二乘交点，计算方法参见Cui Yi的论文“Precise calibration ofbinocular vision system used for vision measurement”[Optics Express,Vol.22,No.8,2014]，得到测量点在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的三维坐标，完成对被测物(10)测量点的测量。

(六)实施例

采用大恒水星系列MER-301-125U3C型相机和computar V1228-MPY型号12mm定焦镜头。工业相机分辨率为2048×1236像素。选取球面镜反射表面材料为镀铝，球面镜6镜面尺寸直径为35.18mm，曲率半径为200mm，边缘厚度为1.60mm，摆放角度为37°，球面镜7镜面尺寸直径为47.37mm，曲率半径为200mm，边缘厚度为1.60mm，摆放角度为53°，单像机与双球面镜底面边缘交点的距离d为100mm，定义图3中x轴方向的角度为0°，则镜像双目传感器视场范围为[-10.46°,13.91°]，视场角为24.37°。选取传感器底板尺寸为70mm×220mm×10mm，球面镜底板尺寸为50mm×50mm×5mm和38mm×38mm×5mm，相机固定孔尺寸φ6.6mm×6mm。

对设计及加工好的镜像双目传感器进行视觉测量验证，采用二维平面靶标进行标定，将靶标置于双球面镜轴向方向距离双球面镜底面边缘交点600mm范围内，自由移动标定靶标20个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像。靶标上圆形特征点数量为49个，圆心距为12.50mm，圆点直径为6.25mm，精度为0.01mm。

图6为镜像双目传感器采集靶标镜像双目图像，根据所建立的虚拟相机的成像模型，将采集到的双球面标定图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像。经虚拟相机的成像模型标定得到虚拟相机的等效焦距和主点，以及虚拟相机镜头畸变系数，标定后的左虚拟相机内部参数结果如下：

f_vxl＝1412.50pixels，f_vyl＝1528.92pixels

u_0vl＝897.39pixels，v_0vl＝740.31pixels

k_l1＝-0.25，k_l2＝0.22，p_l1＝-0.00，p_l2＝-0.10

右虚拟相机内部参数结果如下：

f_vxr＝1625.01pixels，f_vyr＝2115.20pixels

u_0vr＝450.27pixels，v_0vr＝841.79pixels

k_r1＝0.32，k_r2＝-16.09，p_r1＝-0.06，p_r2＝214.90

小球面镜(6)的畸变系数为：

k_sl1＝-2.06，k_sl2＝27.93，k_sl3＝-139.34，p_sl1＝-0.02，p_sl2＝-0.05

大球面镜(7)的畸变系数为：

k_sl1＝0.14，k_sl2＝-0.41，k_sl3＝0.41，p_sl1＝0.01，p_sl2＝-0.13

根据得到的虚拟相机的成像模型参数，对左标定图像和右标定图像进行畸变校正，得到无球面畸变左、右标定图像。利用无球面畸变左、右标定图像，进行镜像双目的三维测量模型标定，包括O_r-x_ry_rz_r坐标系到O_l-x_ly_lz_l坐标系的旋转矩阵和平移矢量结构参数，结果如下：

标定及测量结果显示，未进行球面反射畸变校正的图像误差较大，经球面畸变校正后的图像标定精度有所提升，左虚拟相机标定误差约为0.10像素，右虚拟相机标定误差约为0.12像素，镜像双目标定误差为2.48像素，实验验证了镜像双目传感器及所提出的虚拟相机的成像模型和镜像双目的三维测量模型的可行性，验证了所提出的球面畸变校正具有改善球面镜反射成像固有的卷曲畸变的效果。单像机双球面镜像双目视觉传感器解决了镜像双目***体积与视场范围间的矛盾，使传感器进一步小型化的同时，获得更大的视场范围，并建立数学模型恢复卷曲畸变图像，实现三维测量。

Claims (2)

1.一种单像机双球面镜镜像双目视觉测量***，其特征在于，

1.1、所述的单像机双球面镜镜像双目视觉测量***，由镜像双目传感器(1)、数据传输线(5)、计算机(8)、标定靶标(11)和电源(12)组成；镜像双目传感器(1)由工业相机(2)、光学镜头(3)、机械支架(4)、小球面镜(6)和大球面镜(7)组成；工业相机(2)与光学镜头(3)构成单像机，小球面镜(6)和大球面镜(7)构成双球面镜，双球面镜轴向方向(18)定义为双球面镜边缘交点M到小球面镜(6)中心轴O₁E₁和大球面镜(7)中心轴O₂E₂的交点J；数据传输线(5)与计算机(8)相连接；被测物体(10)置于镜像双目传感器(1)的视场范围(9)内，在双球面镜轴向方向上距双球面镜边缘交点200～600mm范围内；所述的镜像双目传感器(1)将拍摄图像传入计算机(8)中进行储存和处理；

1.2、所述的镜像双目传感器(1)的几何参数包括：工业相机(2)与小球面镜(6)和大球面镜(7)的边缘交点M的距离为80～150mm，小球面镜(6)的镜面直径为20～50mm，曲率半径为40～500mm，边缘厚度为1～10mm，摆放角度定义为小球面镜(6)的底板(16)与镜头光轴OM间的夹角，取值为15°～45°；大球面镜7的镜面直径为30～60mm，曲率半径为40～500mm，边缘厚度为1～10mm，摆放角度定义为大球面镜(7)的底板(17)与镜头光轴OM间的夹角，取值为45°～80°；

1.3、所述的标定靶标(11)为一个二维平面，靶标上有预先设置的特征点，在靶标平面上布置成矩阵排列的黑色实心圆，圆的数量为16～100个，直径为2～20mm，其精度为0.01mm，圆心距为8～20mm，其精度为0.01mm，选取靶面上圆的中心为特征点，特征点数量为16～100个。

2.使用如权利要求1所述的单像机双球面镜镜像双目视觉测量***进行三维测量的方法，其特征在于，测量过程分为标定阶段和测量阶段，进行一次标定后可连续测量，具体步骤如下：

2.1、标定阶段：

2.1.1、将工业相机(2)固紧；调整光学镜头(3)的焦距，保证在双球面镜轴向方向上距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内的被测物(10)所成图像较为清晰；调整完后，将光学镜头(3)固紧；

2.1.2、工业相机(2)经过双球面镜镜像为两个虚拟相机，分别称为左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)；左虚拟相机(13)和右虚拟相机(14)构成镜像双目；建立虚拟相机的成像模型，主要参数包括虚拟相机的等效焦距和主点，以及球面镜的畸变系数；标定虚拟相机的成像模型参数，具体步骤如下：

第一步，在镜像双目传感器(1)的视场范围内，自由移动标定靶标(11)至少三个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为双球面镜标定图像，靶标上所有的特征点应包含在拍摄图像内；

第二步，将双球面镜标定图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个标定图像，分别称为左标定图像和右标定图像；左标定图像与左虚拟相机(13)对应，右标定图像与右虚拟相机(14)对应；

第三步，左标定图像中的特征点称为左标定特征点，提取左标定特征点的图像坐标，与特征点的世界坐标对应；利用左标定特征点标定大球面镜(7)的畸变系数和左虚拟相机(13)的等效焦距和主点；

第四步，右标定图像中的特征点称为右标定特征点，提取右标定特征点的图像坐标，与特征点的世界坐标对应；利用右标定特征点标定小球面镜(6)的畸变系数和右虚拟相机(14)的等效焦距和主点；

第五步，利用大球面镜(7)的畸变系数对左标定图像进行畸变校正，得到无畸变左标定图像；利用小球面镜(6)的畸变系数对右标定图像进行畸变校正，得到无畸变右标定图像；

2.1.3、标定镜像双目的结构参数和本质矩阵，具体步骤如下：

第一步，建立镜像双目的极线几何约束关系，用本质矩阵描述；建立镜像双目的三维测量模型，模型的参数为镜像双目的结构参数，包括右虚拟相机的三维坐标系O_r-x_ry_rz_r到左虚拟相机的三维坐标系O_l-x_ly_lz_l的旋转矩阵和平移矢量；

第二步，分别提取无畸变左标定图像和无畸变右标定图像的特征点的图像坐标，并与特征点的世界坐标对应；

第三步，利用所有特征点的无畸变图像坐标及对应的世界坐标，标定镜像双目的结构参数，并计算镜像双目的本质矩阵；

2.2、测量阶段：

2.2.1、将被测物(10)放置在镜像双目传感器(1)的视场范围(9)内，在双球面镜轴向方向距离双球面镜边缘交点200～600mm范围内，调整被测物(10)，保证被测物同时成像在相机拍摄图像的左半部分和右半部分，拍摄一幅图像，称为测量图像；

2.2.2、将测量图像中的左、右两部分从图像中间列拆开成为大小相同的两个测量图像，分别称为左测量图像和右测量图像；左测量图像与左虚拟相机(13)对应，右测量图像与右虚拟相机(14)对应；

2.2.3、利用步骤2.1.2中标定好的虚拟相机的成像模型参数，对步骤2.2.2获得的左测量图像和右测量图像进行畸变校正，得到无畸变左测量图像和无畸变右测量图像；

2.2.4、设定被测物(10)上的测量点，计算测量点在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的三维坐标，具体步骤如下：

第一步，测量点在无畸变左测量图像和无畸变右测量图像中分别对应的图像点称为同名对应点对，通过图像处理和根据镜像双目的极线几何约束进行的立体匹配，确定同名对应点对的无畸变左测量图像坐标和无畸变右测量图像坐标；

第二步，在O_l-x_ly_lz_l坐标系中，根据步骤2.1.3中建立的镜像双目的三维测量模型，由测量点的同名对应点对的无畸变图像坐标，计算测量点在O_l-x_ly_lz_l坐标系下的三维坐标，保存三维坐标到数据文件；

2.2.5、重复步骤2.2.1～2.2.4，进行被测物新的测量点的三维测量。

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