[發明專利]雙目視覺測量系統中攝像機的布局優化方法

有效

• 申請號: 201310508264.3
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103630072A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 賈振元;劉巍;李明星;楊景豪;劉陽;張馳
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G06N3/12
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種雙目視覺測量系統中攝像機的布局優化方法，其特征在于，在雙目視覺測量系統中，考慮圖像采樣引起的像點提取偏差，建立由像點提取偏差導致的測量誤差與攝像機焦距、基線距離、攝像機偏擺角三個結構參數的數學關系模型，即攝像機布局優化數學模型，并利用遺傳算法獲取最優的結構參數組合；具體步驟如下：

步驟1：在雙目視覺測量系統中，建立兩臺攝像機布局優化數學模型；

左側攝像機CCD1和右側攝像機CCD2以光軸匯聚形式布置，世界坐標系OXYZ的原點O與左側攝像機的攝像機坐標系O_lX_lY_lZ_l的原點O_l重合；設某一物點P在世界坐標系OXYZ中的坐標為(X_w,Y_w,Z_w)，在左側攝像機的攝像機坐標系O_lX_lY_lZ_l和右側攝像機的攝像機坐標系O_rX_rY_rZ_r下的坐標分別為(X_l,Y_l,Z_l)、(X_r,Y_r,Z_r)，在左、右側攝像機CCD1、CCD2像面上像點的圖像物理坐標分別為(x_l,y_l)和(x_r,y_r)；

物點P在左、右側攝像機的攝像機坐標系O_lX_lY_lZ_l、O_rX_rY_rZ_r下的坐標與其像點的圖像物理坐標存在以下關系：

xl=fXlZlyl=fYlZlxr=fXrZryr=fYrZr---(1)]]>

物點P在左、右側攝像機的攝像機坐標系O_lX_lY_lZ_l、O_rX_rY_rZ_r下的坐標與其在世界坐標系OXYZ下的坐標存在以下關系：

將式(3)與式(2)代入式(1)，得到物點P在世界坐標系OXYZ下的坐標與像點的圖像物理坐標存在以下關系：

聯立式(1)～式(5)，得到物點P在世界坐標系OXYZ下的坐標(X_w,Y_w,Z_w)如下：

其中，設Ψ的表達式如下：

考慮采樣引起最大像點偏差的情況，假設像素尺寸為δ，則實際獲取的左、右攝像機像平面上的像點與理想情況下的像點之間存在的提取偏差為：

ε_l＝ε_r＝±0.5δ?????(10)

實際提取得到的左、右攝像機像平面上的像點物理坐標分別為，其與理想情況下的像點物理坐標(x_l,y_l)、(x_r,y_r)的關系為：

由實際提取得到的像點物理坐標獲取物點P在世界坐標系OXYZ下的坐標如下：

其中，設的表達式如下：

建立像點提取偏差導致的測量誤差Q與結構參數之間的數學關系為：

用于獲取鍛件尺寸的測量空間的尺寸為L×W×H，L代表長度方向（X向）的尺寸，W代表寬度方向（Z向）的尺寸，H代表高度方向（Y向）的尺寸，Y軸正向為垂直紙面向里；

在XOZ平面內攝像機光軸與攝像機左、右視場邊界線的夾角θ為：

θ=arctan(γ2f)---(17)]]>

其中，γ為有效像面尺寸；

攝像機的前景深ΔL1為：

ΔL1=F·CoC·d2f2+F·CoC·d---(18)]]>

攝像機的后景深ΔL2為：

ΔL2=F·CoC·d2f2-F·CoC·d---(19)]]>

攝像機的景深ΔL為：

ΔL=ΔL1+ΔL2=2f2·F·CoC·d2f4-F2·CoC2·d2---(20)]]>

其中，F為光圈值，d＝|O_lA|＝|O_rB|為對焦距離，CoC為允許彌散圓直徑，通過下式計算：

CoC＝a/1730?????(21)

其中，a為有效像面的對角線長度；

在XOZ坐標系中，構建各個邊界所在直線的方程，直線方程的形式為z＝k₀x+b，其中k₀為直線的斜率，b為直線的截距；

右側攝像機CCD2景深內邊界l1所在直線的方程為：

右側攝像機CCD2景深外邊界l2所在直線的方程為：

左側攝像機CCD1景深內邊界l3所在直線的方程為：

左側攝像機CCD1景深外邊界l4所在直線的方程為：

右側攝像機CCD2視場左邊界l5所在直線的方程為：

左側攝像機CCD1視場左邊界l6所在直線的方程為：

右側攝像機CCD2視場右邊界l7所在直線的方程為：

左側攝像機CCD1視場右邊界l8所在直線的方程為：

測量空間長度方向上左邊界l9(l9')所在直線的方程為：

x＝D/2-L/2?????(30)

測量空間長度方向上右邊界l10所在直線的方程為：

x＝D/2+L/2?????(31)

測量空間寬度方向尺寸W的表述分為兩種情況：|CU|=W或|C'V'|=W，則有W＝min{|CU|,|C'V'|}；其中，

根據實際測量需求確定測量空間的尺寸范圍，長度方向（X向）的尺寸L≥L₀，寬度方向（Z向）的尺寸W≥W₀，高度方向（Y向）的尺寸H≥H₀，應滿足L＝L₀時對應的測量空間寬度W_L＝L0≥W₀；選取位于有效視場中心處L₀×W₀×H₀測量空間內均勻分布的p個位置作為測試點，測試點的布局情況如下：按照沿Z向由近及遠的方向劃分為等距分布的q個測試平面，測試平面間距為W₀/(q-1)，每個測試平面為L₀×H₀的區域，在各區域上選取r行、s列均布的測試點；

攝像機采用變焦鏡頭，焦距f的調節范圍為[f₁,f₂]；基線距離D的范圍為[D₁,D₂]；攝像機景深ΔL≥W₀；參照測量系統與鍛件之間的距離設置合適的對焦距離d；攝像機偏擺角的范圍為[0,θ]；

該雙目視覺測量系統的布局優化問題轉換為如下帶約束的單目標最優化問題：

其中，∑Q為p個測試點測量誤差的總和；Γ為各測試點測量誤差的平均值，其為待優化的目標函數；為沿Z方向兩臺攝像機視場重疊部分的起始位置，其值小于對焦距離d；

步驟2：使用遺傳算法尋找最優解，即最優的結構參數組合；

針對步驟1中獲取的帶約束的單目標最優化問題，采用遺傳算法進行全局尋優；具體過程如下：

（1）算法程序編寫，包括編寫步驟1中所述最優化問題的目標函數和非線性約束的程序文件；

（2）優化變量為焦距f、基線距離D和攝像機偏擺角各變量的取值范圍分別為[f₁,f₂]、[D₁,D₂]和

（3）設置種群大小，交叉概率、變異概率及算法終止條件；

種群大小選為PopSize，交叉概率選為p_c，變異概率選為p_m；算法的終止準則為：迭代次數達到最大迭代次數MaxGen；或者當算法在停滯代數規定的代數ConGen內，適應度函數的加權平均變化小于函數允差FunTol；

（4）運行遺傳算法的程序，得出最優化問題的最優解，即最優的結構參數組合，使整個測量空間內的測量誤差達到最小。