[發(fā)明專利]雙目視覺測量系統(tǒng)中攝像機(jī)的布局優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310508264.3
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103630072A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈振元;劉巍;李明星;楊景豪;劉陽;張馳
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G06N3/12
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種雙目視覺測量系統(tǒng)中攝像機(jī)的布局優(yōu)化方法，其特征在于，在雙目視覺測量系統(tǒng)中，考慮圖像采樣引起的像點(diǎn)提取偏差，建立由像點(diǎn)提取偏差導(dǎo)致的測量誤差與攝像機(jī)焦距、基線距離、攝像機(jī)偏擺角三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即攝像機(jī)布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并利用遺傳算法獲取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；具體步驟如下：

步驟1：在雙目視覺測量系統(tǒng)中，建立兩臺攝像機(jī)布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；

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

物點(diǎn)P在左、右側(cè)攝像機(jī)的攝像機(jī)坐標(biāo)系O_lX_lY_lZ_l、O_rX_rY_rZ_r下的坐標(biāo)與其像點(diǎn)的圖像物理坐標(biāo)存在以下關(guān)系：

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

物點(diǎn)P在左、右側(cè)攝像機(jī)的攝像機(jī)坐標(biāo)系O_lX_lY_lZ_l、O_rX_rY_rZ_r下的坐標(biāo)與其在世界坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)存在以下關(guān)系：

將式(3)與式(2)代入式(1)，得到物點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)與像點(diǎn)的圖像物理坐標(biāo)存在以下關(guān)系：

聯(lián)立式(1)～式(5)，得到物點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)(X_w,Y_w,Z_w)如下：

其中，設(shè)Ψ的表達(dá)式如下：

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

ε_l＝ε_r＝±0.5δ?????(10)

實(shí)際提取得到的左、右攝像機(jī)像平面上的像點(diǎn)物理坐標(biāo)分別為，其與理想情況下的像點(diǎn)物理坐標(biāo)(x_l,y_l)、(x_r,y_r)的關(guān)系為：

由實(shí)際提取得到的像點(diǎn)物理坐標(biāo)獲取物點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系OXYZ下的坐標(biāo)如下：

其中，設(shè)的表達(dá)式如下：

建立像點(diǎn)提取偏差導(dǎo)致的測量誤差Q與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)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?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮?/p>

在XOZ平面內(nèi)攝像機(jī)光軸與攝像機(jī)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(jī)的前景深ΔL1為：

ΔL1=F·CoC·d2f2+F·CoC·d---(18)]]>

攝像機(jī)的后景深ΔL2為：

ΔL2=F·CoC·d2f2-F·CoC·d---(19)]]>

攝像機(jī)的景深ΔL為：

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

其中，F(xiàn)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(jì)算：

CoC＝a/1730?????(21)

其中，a為有效像面的對角線長度；

在XOZ坐標(biāo)系中，構(gòu)建各個(gè)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(cè)攝像機(jī)CCD2景深內(nèi)邊界l1所在直線的方程為：

右側(cè)攝像機(jī)CCD2景深外邊界l2所在直線的方程為：

左側(cè)攝像機(jī)CCD1景深內(nèi)邊界l3所在直線的方程為：

左側(cè)攝像機(jī)CCD1景深外邊界l4所在直線的方程為：

右側(cè)攝像機(jī)CCD2視場左邊界l5所在直線的方程為：

左側(cè)攝像機(jī)CCD1視場左邊界l6所在直線的方程為：

右側(cè)攝像機(jī)CCD2視場右邊界l7所在直線的方程為：

左側(cè)攝像機(jī)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(jù)實(shí)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(yīng)滿足L＝L₀時(shí)對應(yīng)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(nèi)均勻分布的p個(gè)位置作為測試點(diǎn)，測試點(diǎn)的布局情況如下：按照沿Z向由近及遠(yuǎn)的方向劃分為等距分布的q個(gè)測試平面，測試平面間距為W₀/(q-1)，每個(gè)測試平面為L₀×H₀的區(qū)域，在各區(qū)域上選取r行、s列均布的測試點(diǎn)；

攝像機(jī)采用變焦鏡頭，焦距f的調(diào)節(jié)范圍為[f₁,f₂]；基線距離D的范圍為[D₁,D₂]；攝像機(jī)景深ΔL≥W₀；參照測量系統(tǒng)與鍛件之間的距離設(shè)置合適的對焦距離d；攝像機(jī)偏擺角的范圍為[0,θ]；

該雙目視覺測量系統(tǒng)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為如下帶約束的單目標(biāo)最優(yōu)化問題：

其中，∑Q為p個(gè)測試點(diǎn)測量誤差的總和；Γ為各測試點(diǎn)測量誤差的平均值，其為待優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；為沿Z方向兩臺攝像機(jī)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(yōu)解，即最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；

針對步驟1中獲取的帶約束的單目標(biāo)最優(yōu)化問題，采用遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu)；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(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和非線性約束的程序文件；

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

（3）設(shè)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(zhǔn)則為：迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)MaxGen；或者當(dāng)算法在停滯代數(shù)規(guī)定的代數(shù)ConGen內(nèi)，適應(yīng)度函數(shù)的加權(quán)平均變化小于函數(shù)允差FunTol；

（4）運(yùn)行遺傳算法的程序，得出最優(yōu)化問題的最優(yōu)解，即最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，使整個(gè)測量空間內(nèi)的測量誤差達(dá)到最小。