本发明专利技术提供了一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，属于机器视觉测量领域。该方法首先使用四个反射镜和一个真实相机创建单目立体视觉系统；其次，通过构建单目立体视觉系统多镜面反射模型来计算各反射镜的反射光线和反射点；最后，根据反射镜的反射光线和反射点求解各反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。通过本发明专利技术的三维光路分析方法，可以设计最佳的反射镜形状，更好地描述单目立体视觉系统成像参数，可为单目立体视觉系统设计提供更好的依据，使得搭建的单目立体视觉系统结构更加紧凑、更能满足测量系统成像要求。要求。要求。
【技术实现步骤摘要】
一种单目立体视觉系统三维光路分析方法
[0001]本专利技术属于机器视觉测量领域，涉及一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，通过光路分析实现三维层面上的反射镜有效几何参数以及单目立体视觉系统成像参数的计算。
技术介绍
[0002]三维视觉测量技术是机器视觉技术的一种，该技术通过图像信息和相机成像模型实现目标三维信息的测量，具有非接触、三维、实时、高精度以及空间全域的测量优势，被广泛应用于智能制造、智慧交通、航空航天、海洋船舶、能源动力等领域。由四个反射镜和一个真实相机组成的单目立体视觉系统有效的解决了传统单目视觉方法测量精度差的问题，同时也克服了多目视觉方法使用多相机造成的成本高、同步性差、占据空间大的劣势。通过光路分析可确定单目立体视觉系统反射镜有效几何参数以及单目立体视觉系统成像参数，对于设计合理的单目立体视觉系统具有重要意义，对该方面的研究颇具价值。
[0003]华南农业大学的赵祚喜等专利技术的专利号为CN 109099838 A“一种基于折反射的单目立体视觉系统三维信息测量方法”提出一种单目立体视觉测量方法，根据待测物体大小建立了单目立体视觉系统，该单目立体视觉系统包括若干矩形反射镜和一个单目相机，但该方法仅对二维光路进行分析计算，且该系统中反射镜要求互不遮挡且结构不对称，测量过程复杂且反射镜面得不到充分利用。此外，2006年，天津大学的闫丽在Chinese Journal of Sensors and Actuators期刊上发表了题为“单目立体视觉传感器的优化设计及精度分析”的论文，论文采用一台CCD相机和两组对称反射镜组建单目立体视觉系统，建立了透视成像数学模型，分析了传感器的几何结构参数，但其仅在二维层面建立单目立体视觉系统的数学模型并进行分析计算，同样未涉及在三维层面的光路分析和计算。
技术实现思路
[0004]本专利技术要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，专利技术了一种单目立体视觉系统空间光路分析方法，目的是通过对由四个反射镜(即两个外镜与两个内镜)和一个真实相机组成的单目立体视觉系统进行空间光路分析，进而更加完备的计算反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。首先，使用四个反射镜和一个真实相机构建单目立体视觉系统；其次，选择合适的原点建立世界坐标系并初步确定本专利技术所采用的单目立体视觉系统的结构参数；然后，建立单目立体视觉系统的多镜面反射模型；最后，根据计算的反射光线和反射点求解出反射镜的有效几何参数与单目立体视觉系统的成像参数。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是专利技术了单目立体视觉系统空间光路分析方法。其特征为：首先，通过使用四个反射镜和一个真实相机创建单目立体视觉系统；其次，在单目立体视觉系统上建立坐标系并定义结构参数；在此基础上，构建单目立体视觉系统多镜面反射模型来计算各反射镜的反射光线和反射点；最后，根据反射光线和反射点求解各反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。通过本专利技术的三维光路分析方法，可以设
计最佳的反射镜形状，更好地描述单目立体视觉系统成像参数，使得搭建的单目立体视觉系统结构更加紧凑、更能满足测量系统成像要求。
[0006]一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，步骤如下：
[0007](1)单目立体视觉系统搭建
[0008]单目立体视觉系统由反射单元和一个真实相机1组成，反射单元置于真实相机1的前方，由两对、共四面呈对称布置的高精度反射镜组成。借助反射镜对光路的多次反射，真实相机1的靶面被分成对称的右靶面2和左靶面3，右靶面2和左靶面3分别对应的目标成像的两个视角，即虚拟右相机4与虚拟左相机5，这样单目立体视觉系统就等效为双目立体视觉系统。
[0009](2)坐标系建立与结构参数定义
[0010]以两个内镜8交线的中点为原点，建立世界坐标系O
‑
XYZ7。世界坐标系O
‑
XYZ7的Z轴与真实相机1的光轴共线。以真实相机1的光心为原点建立相机坐标系O
C
‑
X
C
Y
C
Z
C
6，内镜8、外镜9呈对称分布，且均垂直于世界坐标系的XOZ平面，令内镜8与XOY平面之间的夹角锐角为α，外镜9与XOY平面之间的夹角锐角为β，内镜8交点到相机光心之间的距离为d'，世界坐标系O
‑
XYZ7原点到外镜9与X轴交点之间的距离为L，θ为真实相机1视场角的一半。
[0011](3)多镜面反射模型
[0012]分析像方到物方的三维光路，令某一反射镜法向量为n＝(n
x
,n
y
,n
z
)
T
，入射光线的方向向量及其上一点分别为l和L0，那么入射光线或反射光线和反射镜的交点p表示为：
[0013][0014]其中，d是从世界坐标系O
‑
XYZ7原点到该反射镜的距离。从上式可得(L0+gl)
T
·
n+d＝0，整理得到经过s个反射镜反射后得到的矢量可表示为：
[0015][0016]其中，n
k
为第k个反射镜的单位法向量，满足d
k
为世界坐标系O
‑
XYZ 7原点到第k个反射镜的距离。
[0017]令物方平面Π＝O
c
X
c
Z
c
，变量左上标中的符号“r”和“l”分别表示真实相机1的右靶面2和左靶面3上的成像视图。然后，对于虚拟右相机4，确定从真实相机1的右靶面2到视场10的空间光路。自真实相机1右靶面2上点出发并穿过O
c
点的四条光线，经过内镜8和外镜9的反射后，反射光线与Π处相交于则经过单目立体视觉系统多镜面作用后的反射光线和反射点可表示为：
[0018][0019]其中，为入射到第k个反射镜的第i条光线的方向向量；为光线上一点，为第i条入射光线与第k个反射镜的交点，亦为第(k+1)个反射镜第i条入射光线上的点，即
r
n
k
为第k个反射镜的单位法向量，单位法向量可以结构参数计算得到；为第k个反射镜的映射矩阵；为第(k+1)个反射镜的第i条入射光线的方向向量，即为第k个反射镜的第i条反射光线；为外镜9第i条反射光线上的一点；为外镜9的第i条反射光线与物方平面Π的交点；n
Π
为空间平面Π的单位法向量；d
Π
为世界坐标系原点到空间平面Π的距离；为空间平面Π第i条入射光线的方向向量。
[0020](4)单目立体视觉系统反射镜有效几何参数与成像参数计算
[0021]第k个反射镜的第n条入射光线围成区域的几何属性为：
[0022][0023]其中，S为入射光线在反射镜上围成区域的面积，C为入射光线在反射镜上围成区域的周长。
[0024]四条光线与各反射镜交点围成等腰梯形，该等腰梯形即为反射镜的有效区域，等腰梯形各边分别为并且对于内镜8，该区域的有本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，其特征在于，步骤如下：(1)单目立体视觉系统搭建单目立体视觉系统主要由反射单元和一个真实相机(1)组成，反射单元置于真实相机(1)的前方，由两对、共四面呈对称布置的反射镜组成；借助反射镜对光路的多次反射，真实相机(1)的靶面被分成对称的右靶面(2)和左靶面(3)，右靶面(2)和左靶面(3)分别对应的目标成像的两个视角，即虚拟右相机(4)与虚拟左相机(5)，这样单目立体视觉系统就等效为双目立体视觉系统；(2)坐标系建立与结构参数定义以两个内镜(8)交线的中点为原点，建立世界坐标系O
‑
XYZ(7)；世界坐标系O
‑
XYZ(7)的Z轴与真实相机(1)的光轴共线；以真实相机(1)的光心为原点建立相机坐标系O
C
‑
X
C
Y
C
Z
C
(6)，内镜(8)、外镜(9)呈对称分布，且均垂直于世界坐标系的XOZ平面，令内镜(8)与XOY平面之间的夹角为锐角α，外镜(9)与XOY平面之间的夹角为锐角β，内镜(8)交点到相机光心之间的距离为d'，世界坐标系O
‑
XYZ(7)原点到外镜(9)与X轴交点之间的距离为L，θ为真实相机(1)视场角的一半；(3)多镜面反射模型分析像方到物方的三维光路，令某一反射镜法向量为n＝(n
x
,n
y
,n
z
)
T
，入射光线的方向向量及其上一点分别为l和L0，那么入射光线或反射光线和反射镜的交点p表示为：其中，d是从世界坐标系O
‑
XYZ(7)原点到该反射镜的距离；从上式得(L0+gl)
T
·
n+d＝0，整理得到经过s个反射镜反射后得到的矢量表示为：其中，n
k
为第k个反射镜的单位法向量，满足d
k
为世界坐标系O
‑
XYZ(7)原点到第k个反射镜的距离；令物方平面Π＝O
c
X
c
Z
c
，变量左上标中的符号“r”和“l”分别表示真实相机(1)的右靶面(2)和左靶面(3)上的成像视图；然后，对于虚拟右相机(4)，确定从真实相机(1)的右靶面(2)到视场(10)的空间光路；自真实相机(1)右靶面(2)上点出发并穿过O
c
点的四条光线，经过内镜(8...
【专利技术属性】
技术研发人员：李肖，李伟，陈兴佩，袁新安，殷晓康，赵建明，赵建超，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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