一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法技术方案

本发明专利技术一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法，通过主动改变双目相机的光轴指向增大测量相机的观测范围，增加了辅助光路，将参考标志引入左右相机主光路，形成内嵌的参考标志，通过内嵌参考标志在像面上的变化，计算相机的姿态变换矩阵，从而完成相机外部参数的实时修正，最后利用离线标定的内部参数、畸变参数和在线获得的外部参数进行双目视觉测量。本发明专利技术将外部参数的标定融入每次测量中，每次测量时均需要对外部参数进行重新标定，实现了变结构双目视觉测量，增加了立体相机的灵活性和测量范围，极大地降低了测量成本，同时能够保证测量目标处于视场中心，可以有效提高测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法
本专利技术属于视觉测量
，特别是涉及一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法。
技术介绍
视觉测量技术以计算机视觉为理论基础，融合现代光学、计算机技术、图像处理与分析技术等现代科学技术为一体，组成光机电一体化的综合测量系统。原理上具有非接触、实时性强、精度高、信息量丰富等优点，随着相关硬件和软件性能的飞速发展和成本不断降低，视觉测量的原理优势得到充分发挥，广泛应用于军事、工业、农林业、医学、航空航天等领域。视觉测量技术包括单目视觉、双目视觉、三目视觉以及多目视觉等多种工作模式，其中双目视觉是最常见的工作模式，其优点是原理简单、测量精度高。双目视觉测量的基础和前提是已知相机的几何光学特性参数以及相机在参考坐标系中的位置和姿态，分别称为相机的内部参数、畸变参数以及外部参数。这些参数一般是未知的，需要通过一定方法获得，获取相机参数的过程称之为相机标定。任何双目视觉测量系统在工作之前都必须经过相机标定。在传统的双目视觉测量方法中，将两个相机对称放置，相机光轴与基线的夹角保持不变。在进行测量时，光轴指向不能够改变，因而双目构型保持不变，称为固定结构的双目视觉。固定结构双目视觉的缺点是双目相机的公共视场较小，无法实现由远至近较大范围的测量，并且较难保持测量目标始终位于视场中央，容易丢失目标。当绕相机坐标系中心旋转相机(即保持基线距(502)不变)时，双目相机的光轴指向和双目构型发生变化，如图1所示。随着双目相机光轴与基线夹角(503、504)逐渐变小，双目相机的公共视场(501)由远至近不断变化，而变结构双目视觉的公共视场是所有这些公共视场之和，与图1(a)-图1(d)所示任意固定结构的双目公共视场(501)相比，变结构的双目视觉公共视场更大，测量范围更广。为了实现由远至近的测量，传统的方法可能需要配置有多组固定结构的双目相机。变结构双目视觉测量方法比固定结构双目视觉测量方法相比，更接近生物视觉，有望模仿人的视觉系统，是对立体视觉基础理论的丰富和发展。但是变结构双目视觉测量方法存在的最大问题是：双目相机构型改变后，需要重新对双目相机的外部参数进行标定，这极大的限制了变结构双目视觉的应用和推广。目前相机标定算法主要分为基于标定靶标的标定方法，自标定方法和基于主动视觉的方法。基于标定靶标的方法通过建立标定靶标上已知点的三维坐标与其图像坐标的对应关系，求取相机模型的内部参数、畸变参数和外部参数，根据标定靶标的形式，该方法可以分为：1)基于3D标定靶标的方法，2)基于2D靶标的方法，3)基于1D标定靶标的方法，其中基于3D标定靶标的方法精度较高，能够实现双目相机的相对位置和姿态以及相对于参考坐标系的位置和姿态的标定，但标定过程复杂。自标定方法无需标定块，仅靠多幅图像对应点之间的关系直接进行标定，克服了传统方法的缺点，灵活性强，缺点是鲁棒性差，精度不高。主要包括四种方法：1)基于Kruppa方程的方法，2)基于绝对二次曲线的方法；3)基于分层求解的方法；4)基于场景约束的方法。基于主动视觉的标定方法通过控制主动视觉平台的运动获得相机的某些运动信息，比如围绕光心的旋转、正交运动、纯平移运动等。该类算法的优点是算法简单，往往能获得线性解，鲁棒性高；缺点是不能适用于相机运动未知或无法控制的场合。基于以上相机标定的基本理论和方法，提出了许多在动态环境中的双目视觉在线标定的方法。在基于双目视觉的车载导航系统中，双目相机的外部参数会随着车子的震动而发生改变，意大利帕尔马大学的研究者为此开发了ARGO系统，在发动机盖上安装参考标志，用于在行车过程中在线修正双目视觉系统，提高导航的精度。为了解决空间任务中视觉测量系统中的参数扰动问题，尚洋等提出了通过固连辅助相机来实时校准主相机的方法，其认为测量相机与辅助相机刚性连接，受到相同扰动干扰。辅助相机对准空间平台上的参考标志，利用对辅助相机进行标定的结果来修正测量相机。文献《单目主动视觉无人机导引中摄像机内参数标定的线性方法》提出了无人机导引中单目变焦相机在线标定方法，相机安装于无人机的底部的主动平台上，着舰时始终对准着舰平面上的不对称分布的正方形参考标志，单幅图像即可线性标定焦距。文献《Attitudedeterminationoflargenon-cooperativespacecraftsinfinalapproach》提出了一个基于单目的确定大型非合作航天器姿态的方法(实际上相当于单目相机的外部参数标定)。通过观测目标航天器上的矩形特征，获取非合作航天器的外部姿态。这些方法与具体应用场合有关，应用范围较小，无法解决变结构的双目相机外参数实时标定的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法，通过主动改变双目相机的光轴指向增大测量相机的观测范围，并通过参考标志在像面上的变化，计算相机的姿态变换矩阵从而实现双目相机外部参数的在线修正。本专利技术的技术解决方案：一种可变结构的双目视觉测量系统，包括左侧相机主光路、右侧相机主光路、辅助光路和参考标志；其中，所述的左侧相机主光路包括摄影物镜、CCD和第一保护玻璃，其中摄影物镜和CCD构成左侧相机；所述的右侧相机主光路包括摄影物镜、CCD和第二保护玻璃，其中摄影物镜和CCD构成右侧相机；所述的辅助光路包括平行光管、第一反射镜、直角棱镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜；参考标志发出的光通过平行光管入射到第一反射镜，直角棱镜将经反射镜进入直角棱镜的光分成两路，其中一路依次经过第五反射镜、第六反射镜、第二保护玻璃的反射，最后进入右侧相机摄影物镜，成像于右侧相机CCD；另外一路依次第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一保护玻璃的反射，进入左侧相机摄影物镜，成像于左侧相机CCD；被测目标的光线透过第一保护玻璃，经摄影物镜，成像于左侧相机CCD以及透过第二保护玻璃，经摄影物镜，成像于右侧相机CCD。所述的参考标志为平面标定参照物。所述的第一保护玻璃和第二保护玻璃在外表面镀制增透膜，用于透射外界的入射光束；在内表面镀制分光膜，将第四反射镜和第六反射镜反射的光，进行反射，使之进入左右两侧摄影物镜。所述的摄影物镜的焦距F数为3。一种适用于双目视觉测量系统的参数确定方法，包括如下步骤：(1)离线获取初始数据；(1a)打开主光路，关闭辅助光路，利用立体标定靶标，进行双目相机内部参数、畸变参数和初始外部参数的精确标定，并记录；(1b)关闭主光路，打开辅助光路，在左右相机像面上检测初始时刻参考标志的图像坐标，并记录；(2)在线修正相机姿态并测量；(2a)同时打开主光路和辅助光路，使得测量目标与参考标志同时成像于左右侧相机CCD上；(2b)随着测量目标位置的变化，改变光轴指向，使得测量目标始终位于视场的中央；(2c)在左右侧相机CCD上分别进行被测量目标的特征点提取和当前时刻参考标志图像坐标的检测，并记录；(2d)通过参考标志在左右侧相机CCD上当前时刻相机坐标系与初始时刻相机坐标系的图像坐标，分别求取左右相机的姿态变换矩阵；(2e)利用步骤(2d)得到的姿态变换矩阵，对步骤(1a)中的初始外部参数进行补偿，获取当前时刻的外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变结构的双目视觉测量系统，其特征在于包括：左侧相机主光路(1)、右侧相机主光路(2)、辅助光路(3)和参考标志(401)；其中，所述的左侧相机主光路(1)包括摄影物镜(101)、CCD(102)和第一保护玻璃(309)，其中摄影物镜(101)和CCD(102)构成左侧相机；所述的右侧相机主光路(2)包括摄影物镜(201)、CCD(202)和第二保护玻璃(310)，其中摄影物镜(201)和CCD(202)构成右侧相机；所述的辅助光路(3)包括平行光管(301)、第一反射镜(302)、直角棱镜(303)、第二反射镜(304)、第三反射镜(305)、第四反射镜(306)、第五反射镜(307)、第六反射镜(308)；参考标志(401)发出的光通过平行光管(301)入射到第一反射镜(302)，直角棱镜(303)将经反射镜(302)进入直角棱镜(303)的光分成两路，其中一路依次经过第五反射镜(307)、第六反射镜(308)、第二保护玻璃(310)的反射，最后进入右侧相机摄影物镜(201)，成像于右侧相机CCD(202)；另外一路依次第二反射镜(304)、第三反射镜(305)、第四反射镜(306)、第一保护玻璃(309)的反射，进入左侧相机摄影物镜(101)，成像于左侧相机CCD(102)；被测目标的光线透过第一保护玻璃(309)，经摄影物镜(101)，成像于左侧相机CCD(102)以及透过第二保护玻璃(310)，经摄影物镜(201)，成像于右侧相机CCD(202)。...

【技术特征摘要】
1.一种可变结构的双目视觉测量系统，其特征在于包括：左侧相机主光路(1)、右侧相机主光路(2)、辅助光路(3)和参考标志(401)；其中，所述的左侧相机主光路(1)包括第一摄影物镜(101)、第一CCD(102)和第一保护玻璃(309)，其中第一摄影物镜(101)和第一CCD(102)构成左侧相机；所述的右侧相机主光路(2)包括第二摄影物镜(201)、第二CCD(202)和第二保护玻璃(310)，其中第二摄影物镜(201)和第二CCD(202)构成右侧相机；所述的辅助光路(3)包括平行光管(301)、第一反射镜(302)、直角棱镜(303)、第二反射镜(304)、第三反射镜(305)、第四反射镜(306)、第五反射镜(307)、第六反射镜(308)；参考标志(401)发出的光通过平行光管(301)入射到第一反射镜(302)，直角棱镜(303)将经第一反射镜(302)进入直角棱镜(303)的光分成两路，其中一路依次经过第五反射镜(307)、第六反射镜(308)、第二保护玻璃(310)的反射，最后进入右侧相机第二摄影物镜(201)，成像于右侧相机第二CCD(202)；另外一路依次经过第二反射镜(304)、第三反射镜(305)、第四反射镜(306)、第一保护玻璃(309)的反射，进入左侧相机第一摄影物镜(101)，成像于左侧相机第一CCD(102)；被测目标的光线透过第一保护玻璃(309)，经第一摄影物镜(101)，成像于左侧相机第一CCD(102)以及透过第二保护玻璃(310)，经第二摄影物镜(201)，成像于右侧相机第二CCD(202)。2.根据权利要求1所述的一种可变结构的双目视觉测量系统，其特征在于：所述的参考标志(401)为平面标定参照物。3.根据权利要求1所述的一种可变结构的双目视觉测量系统，其特征在于：所述的第一保护玻璃(309)和第二保护玻璃(310)在外表面镀制增透膜，用于透射外界的入射光束；在内表面镀制分光膜，将第四反射镜(306)和第六反射镜(308)反射的光，进行反射，使之进入左右两侧摄影物镜。4.根据权利要求1所述的一种可变结构的双目视觉测量系统，其特征在于：所述的第一摄影物镜和第二摄影物镜的焦距F数为3。5.一种适用于权利要求1所述的双目视觉测量系统的参数确定方法，其特征在于包括如下步骤：(1)离线获取初始数据；(1a)打开主光路，关闭辅助光路，利用立体标定靶标，进行双目相机内部参数、畸变参数和初始外部参数的精确标定，并记录；(1b)关闭主光路，打开辅助光路，在左右相机像面上检测初始时刻参考标志的图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾峦，翟优，单秋沙，杜小平，方秀花，熊伟，李刚，张雅声，郑志奇，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京;11