一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，涉及视觉成像技术领域，其技术方案要点是：包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18

【技术实现步骤摘要】
一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统


[0001]本专利技术涉及视觉成像
，更具体地说，它涉及一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统。

技术介绍

[0002]随着航天技术快速发展、国际形势变化，太空已成为国家级竞争和战略对抗的关键领域。在空间攻防体系中，掌握空间目标自主智能感知识别技术是应对空间威胁、确保空间安全的重要基石。空间目标自主智能感知识别要解决的核心问题是针对空间未知目标(空间碎片、故障卫星以及敌方卫星等非合作目标)的自主识别与测量。由于非合作目标的光学特性、运动特性、几何特性以及局部特征不确定，难以可靠识别与测量。
[0003]根据双目视觉立体视差原理，其测量精度依赖于目标的距离及基线长度：基线越长，距离越近，精度越高。而实际应用中，基线距离长度受双目相机安装位置的制约，限制了双目视觉相机的作用距离。为解决双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题，本申请提出一种基于动态基线调整的双目视觉相机测量系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，为解决双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题，满足超近程距离段的精确三维位置测量。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18
°
；所述相机与相机之间的基线长度为1.3m
‑
13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m
‑
7.5m；双目相机采用汇聚式的摆放方式，有效测试视场区域表示为：
[0006][0007]其中，R表示有效测量区域的半径，L表示待测点景深，B表示两相机光心之间的基线长度距离，ξ表示相机视场角，β表示光轴倾角；有效测量区域半径R大于1.0m。
[0008]本专利技术进一步设置为：相机与相机之间的基线长度为1.3m、5.3m、9.3m和13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m、3.06m、5.37m、7.5m。
[0009]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
[0010]1.引入的第三台相机所带来的相互约束条件，利用三目立体视觉进行同名特征点匹配方法，使得特征点在每幅图像上具有唯一的几何位置，有效提高了图像特征点匹配的正确率、精确度、可靠性和适用性；
[0011]2.利用动态基线调整的双目视觉相机模型，扩大了测量系统的探测距离，为双目视觉系统固定基线长度对目标测量精度和探测距离的局限性问题提供了一种解决方案，提
高了双目视觉相机的使用场景，提升了空间目标测量的精度和鲁棒性；
[0012]3.相较于单一的双目测量系统，第三台相机的引入使得三目视觉测量系统包含了3组结构参数一致的双目视觉测量系统，可根据实际应用需要与三目相机成像质量调整三目模型的判断策略，使应用场景更加丰富；
[0013]4.三台相机起到了互为备份、互为冗余的作用。当系统中某一台相机因被遮挡或出现故障而失去作用时，另外两台相机可组成双目视觉测量系统，利用双目视觉算法继续完成对非合作航天器相对测量的任务，增加了测量系统的安全可靠性。
附图说明
[0014]图1是本专利技术实施例中双目立体成像原理图；
[0015]图2是本专利技术实施例中三目立体视觉测量系统结构示意图；
[0016]图3是本专利技术实施例中双目测量系统精度分析模型图；
[0017]图4是本专利技术实施例中基线1.3m时测量误差随测量距离的关系图；
[0018]图5是本专利技术实施例中双目立体视觉相机位置及各相机坐标系关系图；
[0019]图6是本专利技术实施例中最小待测景深Lmin与基线距离B的关系图；
[0020]图7是本专利技术实施例中基线为1.3m双目系统测量纵向距离结果图；
[0021]图8是本专利技术实施例中基线为1.3m双目系统测量横向距离结果图；
[0022]图9是本专利技术实施例中基线为1.3m时60m
‑
13m距离段三轴位置误差图；
[0023]图10是本专利技术实施例中基线为13m双目系统测量纵向距离结果图；
[0024]图11是本专利技术实施例中基线为13m双目系统测量横向距离结果图；
[0025]图12是本专利技术实施例中基线为13m时60m
‑
13m距离段三轴位置误差图。
具体实施方式
[0026]以下结合附图1
‑
12对本专利技术作进一步详细说明。
[0027]实施例：一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，如图1
‑
12所示。
[0028]双目立体视觉三维测量是基于视差原理，如图1所示为简单的平视双目立体成像原理图，两相机的投影中心的连线的距离，即基线距为b。相机坐标系的原点在相机镜头的光心处，坐标系如图所示。事实上相机的成像平面在镜头的光心后，图示中将左右成像平面绘制在镜头的光心前f处，这个虚拟的图像平面坐标系O1‑
uv的u轴和v轴与和相机坐标系的x轴和y轴方向一致，这样可以简化计算过程。左右图像坐标系的原点在相机光轴与平面的交点O1和O2。空间中某点P在左图像和右图像中相应的坐标分别为p1＝(u1,v1)和p2＝(u2,v2)。假定两相机的图像在同一个平面上，则点P图像坐标的Y坐标相同，即v1＝v2。由三角几何关系得到：
[0029][0030]式中x
c
,y
c
,z
c
为点P在左相机坐标系中的坐标，b为基线距，f为两个相机的焦距，(u1,v1)和(u2,v2)分别为点P在左图像和右图像中的坐标。
[0031]视差定义为某一点在两幅图像中相应点的位置差，
[0032][0033]由此可计算出空间中某点P在左相机坐标系中的坐标为：
[0034][0035]因此，只要能够找到空间中某点在左右两个相机像面上的相应点，并且通过相机标定获得相机的内外参数，就可以确定这个点的三维坐标。
[0036]同时，双目视觉相机系统引入了第三台相机来提高算法的覆盖性和对复杂的目标测量环境的适应能力。三台相机呈Y型结构汇聚式排列，每台相机光轴均与测量坐标系X轴保持18
°
的夹角，如图2所示。
[0037]对于理想的双目测量模型(平行光轴，两相机参数一致)，立体视觉测量的精度依赖目标的测量距离、基线长度(两相机光心的距离)以及投影矩阵的精度等。而对于适用于工作距离较长的非平行双目测量模型，还需要考虑测量模型的系统结构对精度的影响，主要包括：基线B、相机光轴与基线的夹角a
l
和a
r
、焦距f
l
和f
r
，以及测量距离z等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态双目视觉相机基线的三维视觉测量系统，其特征是：包括3台相机和“Y”型的支架，3台相机分别固定在“Y”型支架的3个末端处，呈等边三角形布置，每台相机镜头的光轴均向“Y”形支架中心的方向倾斜18
°
；所述相机与相机之间的基线长度为1.3m
‑
13m，“Y”型支架的各个末端到支架中心的距离为0.75m
‑
7.5m；双目相机采用汇聚式的摆放...

【专利技术属性】
技术研发人员：束安，裴浩东，周姗姗，于鲲，段慧仙，刘盼，陆佳琪，周宜帆，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：