一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法。旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线，入射光经镜面反射成像到透视相机，旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓。该三维重建方法包括：建立xyz坐标系，计算反射光线、入射光线与水平面之间的夹角及反射点位置，对被测物体的各个空间点进行测距，计算得到其三维坐标信息，实现三维重建。本发明专利技术实现了对立体场景的三维重建，并在速度未知情况下，通过计算被测距物体空间点在相机采集图像上的光流实现三维重建；系统可用于无人驾驶飞机的导航与避障，可降低相机采集到的图像变化速度以及消除相机在观察飞机前方延伸至无限远的水平面时相机的透视变形。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法
本专利技术涉及一种测距系统的三维重建方法，尤其是涉及一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法。
技术介绍
目前普遍应用于视频监控、机器人导航、视频会议和场景重建中的全向相机大多是由传统透视相机和反射镜面组成的相机测距系统，反射镜面的使用使得全向相机具有大视场成像特性。根据是否满足单一视点特性，全向相机可以分为单视点折反射相机和非单视点折反射相机。由于在实际应用中透视相机与反射镜面的安装会存在一定程度上的失偏，所以在现实中使用的实际上都是非单视点折反射相机。全向相机的成像特性是由反射镜面的形状决定的，典型的反射镜面包括抛物镜面、双曲镜面、椭圆镜面以及平面镜面。在实际应用中为了使全向相机获得一定的成像特性，从而设计出了具有特殊形状的反射镜面。如Chahl的文献1(ChahlJS,SrinivasanMV.Reflectivesurfacesforpanoramicimaging[J].AppliedOptics,1997,36(31):8275-8285.)，设计了一种等角镜面，该镜面具有入射光线的角度变化与反射光线的角度变化呈线性关系的特点，这使得入射光线与反射光线之间存在一种简单的角度映射关系，从而易于分析成像结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法，由特殊设计的反射镜面和透视相机组成的同轴心距等光流折反射相机测距系统实现对实际立体场景的三维重建。在系统速度未知的情况下，仅需知道系统距离地面的垂直高度，再通过使用相机采集图像和光流计算实现对场景三维重建。本专利技术采用的技术方案包括：该相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机，旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线，且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定，被测物体置于旋转体镜面的下方，被测物体空间点的入射光线经镜面反射成像到透视相机的成像平面，旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓；该三维重建方法包括以下步骤：1)以透视相机光心为原点建立xyz坐标系，z轴正方向与透视相机光心指向镜面中心轴的方向相同，x轴方向位于水平面，y轴正方向为竖直向上；2)根据被测物体空间点A在相机成像平面上的成像A’到相机成像平面中心的距离η和透视相机的镜头焦距f得到对应于被测物体空间点A的反射光线与水平面之间的夹角θ；并由反射光线的方向和旋转体镜面的镜面轮廓，根据Snell反射定律得到入射光线与水平面的夹角β以及反射点的位置r0(x0,y0,z0)，x0、y0、z0分别为入射光线与镜面轮廓交点的三维坐标；3)对被测物体的各个空间点进行测距，得到被测物体空间点到相机光轴的轴心距h；4)将步骤3)中得到的被测物体空间点A到相机光轴的轴心距h代入以下公式计算得到被测物体空间点A的三维坐标信息，实现三维重建：xA＝h·sinαyA＝h·cosα其中，xA、yA、zA分别为重建后的被测物体空间点的三维坐标，α为被测物体空间点在相机成像平面的成像和其中心的连线与竖直方向的夹角，β为由被测物体空间点的入射光线与水平面的夹角。所述的对被测距物体的各个空间点的测距具体采用以下方法：2.1)采用该相机测距系统建立一个仿真环境，配置仿真参数通过以下公式得到仿真环境下系统常数c的值：其中，V′为仿真环境下相机测距系统在光轴方向上的运动速度，h′为仿真环境下被测物体空间点到光轴的轴心距，f′是仿真环境下透视相机的焦距，L′是仿真环境下被测距空间点在相机采集图像上的光流值；2.2)采用该相机测距系统进行实际测距，透视相机采集图像后，计算得到被测物体空间点在相机采集图像上的光流L；2.3)然后通过以下公式计算得到被测物体空间点到相机光轴的轴心距h，从而通过相机采集图像和光流计算实现测距：其中，V是相机测距系统在光轴方向上的运动速度，f是透视相机的焦距。本方法用于通过计算任意被测物体空间点的三维坐标信息，实现三维重建。本专利技术的有益效果是：本专利技术实现了对立体场景的三维重建。并在系统速度未知的情况下，仅需知道系统距离地面的垂直高度，便可通过使用相机采集图像上的光流计算，实现对场景的三维重建。本专利技术系统可用于无人驾驶飞机的导航与避障，本专利技术方法可以降低相机采集到的图像变化速度以及消除相机在观察飞机前方延伸至无限远的水平面时相机的透视变形。附图说明图1为本专利技术的相机测距系统的结构示意图。图2为本专利技术实施例的贴有二维条形码的立体场景示意图。图3为本专利技术实施例得到的三维重建结果的示意图。具体实施方式下面结合附图更充分地描述本专利技术。如图1所示，本专利技术的相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定，旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线，被测物体置于旋转体镜面的下方，被测物体空间点的入射光线经镜面反射成像到透视相机，旋转体镜面是具有等光流特性的镜面轮廓。等光流特性是指在相机光轴的运动方向上，空间上等间距的点在相机成像平面上的成像等间距的分布。该相机测距系统满足在光轴的运动方向上，空间上等间距的点对应于相机成像平面上等间距的像素点的特点，这使得空间点到相机光轴的轴心距和图像光流之间存在一种简单的对应关系，当反射镜面和透视相机理想配置时，已知系统参数和运动速度可由相机成像平面上采集得到的光流直接计算被测物体空间点到相机光轴的轴心距。本专利技术系统可安装在无人机等飞行器上。反射镜面的形状是由系统的运动速度V和被测物体空间点距离相机光轴的轴心距h、透视相机的相机焦距f、相机光心到镜面顶点的距离r0以及镜面临界角度偏转ω0等参数决定的；设计的反射镜面满足特殊的等距性：在光轴的运动方向上，空间上等间距的点对应于相机成像平面上等间距的像素点。其三维重建方法包括以下步骤：1)以透视相机光心为原点建立xyz坐标系，z轴正方向与透视相机光心指向镜面中心轴的方向相同，x轴方向位于水平面，y轴正方向为竖直向上；2)根据被测物体空间点A在相机成像平面上的成像A’到相机成像平面中心的距离η和透视相机的镜头焦距f得到对应于被测物体空间点A的反射光线与水平面之间的夹角θ；并由反射光线的方向和旋转体镜面的镜面轮廓，根据Snell反射定律得到入射光线与水平面的夹角β以及反射点的位置r0(x0,y0,z0)，x0、y0、z0分别为入射光线与镜面轮廓交点的三维坐标；3)对被测物体的各个空间点进行测距，得到被测物体空间点到相机光轴的轴心距h：4)将步骤3)中得到的被测物体空间点A到相机光轴的轴心距h代入以下公式1～3得到被测物体空间点A的三维坐标信息，实现三维重建：xA＝h·sinα(1)yA＝h·cosα(2)其中，xA、yA、zA分别为重建后的被测物体空间点的三维坐标，α为被测物体空间点在相机成像平面的成像和其中心的连线与竖直方向的夹角，β为由被测物体空间点的入射光线与水平面的夹角。对被测物体各个空间点的测距优选地采用以下方法：1)采用该相机测距系统建立一个仿真环境，配置仿真参数通过以下公式4得到仿真环境下系统常数c的值：(4)其中，V′为仿真环境下相机测距系统在光轴方向上的运动速度，h′为仿真环境下被测物体空间点到光轴的轴心距，f′是仿真环境下透视相机的焦距，L′是仿真环境下被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法，其特征在于：该相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机，旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线，且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定，被测物体置于旋转体镜面的下方，被测物体空间点的入射光线经镜面反射成像到透视相机的成像平面，旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓；该三维重建方法包括以下步骤：1)以透视相机光心为原点建立xyz坐标系，z轴正方向与透视相机光心指向镜面中心轴的方向相同，x轴方向位于水平面，y轴正方向为竖直向上；2)根据被测物体空间点A在相机成像平面上的成像A’到相机成像平面中心的距离η和透视相机的镜头焦距f得到对应于被测物体空间点A的反射光线与水平面之间的夹角θ；并由反射光线的方向和旋转体镜面的镜面轮廓，根据Snell反射定律得到入射光线与水平面的夹角β以及反射点的位置r0(x0,y0,z0)，x0、y0、z0分别为入射光线与镜面轮廓交点的三维坐标；3)对被测物体的各个空间点进行测距，得到被测物体空间点到相机光轴的轴心距h；4)将步骤3)中得到的被测物体空间点A到相机光轴的轴心距h代入以下公式计算得到被测物体空间点A的三维坐标信息，实现三维重建：xA＝h·sinαyA＝h·cosαzA=cotβ·(h-x02+y02)+z0]]>其中，xA、yA、zA分别为重建后的被测物体空间点的三维坐标，α为被测物体空间点在相机成像平面的成像和其中心的连线与竖直方向的夹角，β为由被测物体空间点的入射光线与水平面的夹角。...

【技术特征摘要】
1.一种同轴心距等光流折反射相机测距系统的三维重建方法，其特征在于：该相机测距系统包括同轴相对放置的旋转体镜面和透视相机，旋转体镜面的中心对称轴和透视相机的光轴共线，且旋转体镜面的顶点与透视相机光心之间的距离固定，被测物体置于旋转体镜面的下方，被测物体空间点的入射光线经镜面反射成像到透视相机的成像平面，旋转体镜面具有等光流特性的镜面轮廓；该三维重建方法包括以下步骤：1)以透视相机光心为原点建立xyz坐标系，z轴正方向与透视相机光心指向镜面中心轴的方向相同，x轴方向位于水平面，y轴正方向为竖直向上；2)根据被测物体空间点A在相机成像平面上的成像A’到相机成像平面中心的距离η和透视相机的镜头焦距f得到对应于被测物体空间点A的反射光线与水平面之间的夹角θ；并由反射光线的方向和旋转体镜面的镜面轮廓，根据Snell反射定律得到入射光线与水平面的夹角β以及反射点的位置P(x0,y0,z0)，x0、y0、z0分别为入射光线与镜面轮廓交点的三维坐标；3)对被测物体的各个空间点进行测距，得到被测物体空间点到相机光轴的轴心距h；4)将步骤3)中得到的被测物体空间点A到相机光轴的轴心距h代入以下公式计算得到被测物体空间点A的三维坐标信息，实现三维重建：xA＝h·sinαyA＝h·cosα其中，xA、yA、zA分别为重建后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：项志宇，马子昂，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33