[發明專利]單相機全方位立體視覺系統

無效

• 申請號: 201010509337.7
• 申請日: 2010-10-15
• 公開（公告）號: CN102053475A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 郭玲;肖繼忠
• 申請（專利權）人: 肖繼忠;郭玲
• 主分類號: G03B35/00
• 分類號: G03B35/00;G02B27/22;G02B17/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于機器人視覺傳感器裝置，用于地面機器人、無人駕駛飛行器、自動除草機或其它智能系統的全景視覺信息的獲取，并可以通過深度恢復算法計算出三維空間的距離信息，具體的說是一種結構緊湊的全方位立體視覺系統。

背景技術

視覺系統能夠通過成像硬件設備快速獲取周圍環境的圖像，通過軟件模塊分析圖像中目標的表面特征、計算目標的深度數據，有很大的應用潛力。因此，在地面機器人、無人駕駛飛行器，及其他智能系統中，視覺系統已成為感知環境、輔助目標識別、路徑規劃等任務的重要手段。傳統透視投影相機和全方位相機都是得到廣泛使用的視覺系統，后者因較大的可視范圍而倍受青睞。

與地面機器人和大型無人機相比，小型/微型無人機具有體積小、輕便靈活、能夠垂直起降等優點，可為復雜環境下的偵查、遙感等應用提供理想的平臺，但其有限的負載能力卻使傳感器的配置較為棘手。小型/微型無人機對尺寸和重量的限制是配置傳感器要考慮的首要條件；此外，除了前進方向上的前向視野外，飛行器周圍全三維空間的場景都需要進行關注。可見，小型/微型無人機對環境感知的要求更高，但負載能力卻更差。因此，所設計的視覺系統不僅要體積小、重量輕，而且在視場和分辨率等方面要具有令人滿意的性能。

全方位相機可由傳統的透視相機加特定形狀的反射鏡面構成，水平可視范圍為360度，垂直可視范圍可達90度以上。當反射鏡面形狀為平面、橢球面、雙曲面或拋物面時，相機具有單視點屬性，即成像平面上像點的形成，是由于相機捕捉了特定方向上的光線。例如，在眾多射向雙曲面反射鏡的光線中，只有沿焦點方向的光線，經鏡面反射后才在位于另一焦點處的相機上成像。其優點是，在成像光路計算的過程中，無需獲得光線入射處鏡面的表面法向量，從而保證物點到像點幾何投影計算的速度和精度，便于快速恢復物體的深度信息。用全方位相機構成立體視覺系統可采用基于雙相機和單相機兩種基本構成方式：

(1)與由兩透視相機構成立體視覺系統的方式類似，基于雙相機的全方位立體視覺系統由兩個完全相同的全方位相機構成。該系統具有全方位相機視場大的優點，但位于下側的全方位相機對上側相機的視場會構成遮擋。更重要的是，該系統在結構緊湊性和重量方面存在一定的局限性，較多的應用于地面機器人中；

(2)基于單相機的全方位立體視覺系統則是利用兩個或多個反射鏡面之間的特殊位置關系，在一個透視相機上產生同一場景的兩個像。具體來說，一種結構是：采用兩片雙曲面反射鏡，一反射鏡的焦點與主光軸共線，而另一反射鏡的焦點與光軸成一定夾角。該設計雖然實現了單相機成立體像，但存在基線較短、系統裝配較困難、對系統結構緊湊性的改善并不明顯等弊端。另一種結構如專利200510045648.1所述，由兩雙曲面反射鏡面與一透視相機構成，兩鏡面主軸均與相機的主光軸共線，減小了系統的橫向尺寸、有效的延長了基線，并便于系統裝配。但由于透視相機位于反射鏡面下側一定距離處，整個系統的高度仍較大，對小型/微型無人機飛行穩定性會帶來不利影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構更加緊湊的單相機全方位立體視覺系統。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種單相機全方位立體視覺系統，包括一個透明圓筒、兩個反射鏡面和一個透視相機，所述的反射鏡面包括上側鏡面和下側鏡面，上側鏡面安裝于透明圓筒的上端，下側鏡面安裝于透明圓筒的下端；上側鏡面為雙曲面、橢球面、拋物面、平面鏡中二者構成的組合鏡面，下側鏡面為雙曲面或拋物面；下側鏡面頂部設有通光孔；上側鏡面與下側鏡面的外徑相同，且上側鏡面與下側鏡面的外徑作為系統的直徑，該直徑小于透明圓筒的內徑；所述的透視相機安裝于下側鏡面內部，透視相機的鏡頭外徑小于通光孔直徑，透視相機主光軸與兩反射鏡面主軸共線。

本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)結構緊湊，由于采用相機位于鏡面內部、以及三片鏡片的組合設計，在保證立體成像系統性能的同時，有效降低了系統的高度，在對視覺系統的體積和重量有嚴格限制的機器人系統中有良好的應用前景；(2)較大的視場角，能夠形成水平360度、垂直向上、向下各一定角度的三維視場，用于深度計算；同時，無法用于深度計算的圖像區域，也能夠根據運動恢復的相關理論，為機器人導航提供信息；(3)快速、精確的深度計算，本發明的結構保證了立體視覺系統具有合理的基線長，同時，立體像對的共線特征便于匹配像素的搜索，進而有利于提高深度計算的速度。本發明從小型/微型無人機的應用需求出發，但可廣泛應用于其他需要獲得大范圍場景立體視覺信息的智能系統中。

附圖說明

圖1是本發明單相機全方位立體視覺系統的結構示意圖。