[發(fā)明專利]一種基于全向結(jié)構(gòu)光的大視場深度測量系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104408732A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈同;王炳楠;高海紅;孟海秀;張浩;吳景狀
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01B11/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種基于全向結(jié)構(gòu)光的大視場深度測量系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括全景攝像機(1)、結(jié)構(gòu)光投射單元、三軸移動平臺(8)和計算機；

所述全景攝像機包括攝像機(2)和雙曲面反射鏡(3)；所述雙曲面反射鏡(3)倒立放置在攝像機(2)的正上方；

所述結(jié)構(gòu)光投射單元，包括至少4個投影儀，即第一投影儀(4)、第二投影儀(5)、第三投影儀(6)和第四投影儀(7)；

所述結(jié)構(gòu)光投射單元和攝像機(2)均固定放置在三軸移動平臺(8)的臺面上，且第一投影儀(4)、第二投影儀(5)、第三投影儀(6)和第四投影儀(7)圍繞攝像機(2)均勻分布布置；

所述三軸移動平臺(8)可以沿x、y、z三個軸進行移動；

所述4個投影儀投射的編碼結(jié)構(gòu)光照射在被測場景目標物表面上，被結(jié)構(gòu)光照射的被測場景目標物的光線經(jīng)過雙曲面反射鏡(3)反射后進入攝像機(2)成像；所成圖像由計算機進行采集，并由計算機對采集圖像進行處理獲得場景深度信息。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全向結(jié)構(gòu)光的大視場深度測量系統(tǒng)，其特征在于：雙曲面反射鏡(3)可以把水平方向360度范圍內(nèi)目標物的光線反射到攝像機(2)，從而使得攝像機(2)在一次拍攝中獲得遠大于普通攝像機視野范圍的圖像，即全向圖。

3.采用權(quán)利要求1所述的基于全向結(jié)構(gòu)光的大視場深度測量系統(tǒng)進行場景深度測量的方法，實施過程分為標定階段和測量階段，進行一次標定即可連續(xù)測量，其特征在于：包括如下步驟：

A、標定階段：

A.1：調(diào)整攝像機(2)和雙曲面反射鏡(3)的相對位置，使二者的軸心在一條直線上，并盡量使得攝像機(2)設(shè)置在雙曲面反射鏡(3)的第二焦點位置上；調(diào)整攝像機鏡頭焦距，保證在雙曲面反射鏡四周的反射光路方向上距離攝像機50～400cm范圍內(nèi)的目標物所成圖像較為清晰；

A.2：標定全景攝像機的參數(shù)；

A.3：對投影儀進行標定；

采用至少兩個深度已知的參考面對投影儀進行標定，進行一次標定即可連續(xù)測量，具體方法如下：

垂直于世界坐標系的X軸，在待標定投影儀正前方已知深度處設(shè)置第一參考面或者第二參考面，參考面的深度應(yīng)保證結(jié)構(gòu)光投射到攝像機視場范圍內(nèi)且所成圖像較為清晰；所述參考面的深度為參考面到攝像機的距離；

假設(shè)投影儀的投射光線為L_i，被測目標物表面目標點為O，與L_i對應(yīng)的全景攝像機捕捉的被測目標物表面目標點的光線為L_x，對投影儀的標定，就是要計算出射線L_i的方程，具體步驟如下：

1).打開投影儀，使待標定投影儀投射出的編碼結(jié)構(gòu)光照射到深度為d₁的第一參考面上，由全景攝像機捕捉到第一參考面的圖像；假設(shè)第一參考面上的點r₁反射到全景攝像機的反射光線為L_o1，根據(jù)全景攝像機的標定結(jié)果所得到的圖像坐標得到光線L_o1的方向向量為(x₁,y₁,z₁)，又根據(jù)L_o1經(jīng)過雙曲面反射鏡第一焦點即世界坐標系的原點(0,0,0)，得出L_o1的參數(shù)方程為：

x=x1·ty=y1·tz=z1·t]]>

其中t為任意非零變量；

由第一參考面的平面方程為x＝d₁，可求出r₁在世界坐標系下的坐標為

2).使待標定投影儀投射出的編碼結(jié)構(gòu)光照射到深度為d₂的第二參考面上，由全景攝像機捕捉到第二參考面的圖像，利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)光解碼方法，分別計算第一參考面圖像與第二參考面圖像中各個編碼圖案的碼值，并根據(jù)單位位置上編碼圖案的唯一性原則確定r₁在第二參考面圖像上的對應(yīng)點r₂，假設(shè)點r₂反射到全景攝像機的反射光線為L_o2，根據(jù)全景攝像機的標定結(jié)果所得到的圖像坐標得到與之對應(yīng)的光線L_o2的方向向量為(x₂,y₂,z₂)，L_o2的參數(shù)方程為：

x=x2·ty=y2·tz=z2·t]]>

由第二參考面的平面方程x＝d²，可求出r₂在世界坐標系下的坐標為

3).根據(jù)特征點r₁、特征點r₂在世界坐標系下的坐標，計算得到投影儀射出的投射光線L_i的方程，完成投影儀的標定；

B.測量階段

B.1:將權(quán)利要求1所述的基于全向結(jié)構(gòu)光的大視場深度測量系統(tǒng)放置在待測場景中，打開4個投影儀(4)、(5)、(6)和(7)，向場景內(nèi)的被測目標物投射編碼結(jié)構(gòu)光，全景攝像機拍攝一幅圖像，稱為待測圖像；將結(jié)構(gòu)光編碼圖案的特征點所覆蓋的被測目標物表面位置稱為目標點；

B.2:計算被測目標物表面目標點的深度。