[發明專利]一種基于全向結構光的大視場深度測量系統及方法

在審

• 申請號: 201410753433.4
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104408732A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 賈同;王炳楠;高海紅;孟海秀;張浩;吳景狀
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01B11/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于測量技術領域，具體涉及一種基于全向結構光的大視場深度測量系統及方法。

背景技術

立體視覺是機器視覺(robot?vision)領域的關鍵技術，即由同一場景的兩幅或多幅觀測圖像出發獲取目標物三維信息的一種方法。立體視覺的目的是根據所測的圖像信息，建立被觀測景物的三維模型。心理學上的視覺感知使我們得知二維圖像本身蘊含著豐富的三維信息，其中最重要的就是深度信息，因此深度感知與測量是立體視覺的研究基礎。它主要研究如何利用機器視覺系統模擬、延伸和擴展人的視覺感知能力，使機器人能在視覺系統引導下有效的與周圍環境產生作用。

傳統的深度測量技術分為被動式和主動式兩種。被動式深度測量技術是指視覺系統接受來自場景發射或反射的光能量，然后攝像機捕獲圖像，在這些圖像的基礎上恢復場景的深度。而主動式深度測量技術有專門的光源裝置，由光源裝置向場景發射能量，然后由攝像機捕獲圖像，根據系統的幾何關系恢復場景深度。

被動式深度測量技術中具有代表性的就是雙目立體視覺技術，其基本原理就是利用位置不同的兩臺或者一臺攝像機經過移動或旋轉拍攝同一副場景，通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，來獲得該點的深度信息。雙目立體視覺技術理論基礎強，方法可靠。但是它需要解決不同攝像機捕獲的圖像之間像素的匹配難題。

為了解決雙目立體視覺技術對應點匹配的難題，結構光技術被提出。結構光技術用一個光源裝置代替雙目視覺中的一個攝像機。用光源裝置向場景中投射已知圖案，用攝像機捕獲圖案，根據系統幾何關系和三角測量原理獲得待測目標物的深度。結構光技術是一種主動式深度測量技術，由于此技術使用已知圖案對空間待測目標物進行標記，因此很好的解決了對應點匹配的難題。同時結構光技術還具有成像系統結構緊湊，深度測量準確的優點。但是當前的結構光技術普遍所獲視場較小，一次拍攝只能獲得空間中零散的信息，無法對場景有一個全面的感知，限制了此技術的應用和發展。

投影儀為一種常見的光源裝置，由于其不是圖像捕捉裝置，其標定的難點是獲取目標特征點的圖像坐標。根據獲取坐標的方式，投影儀標定方法通常有三類：(1)獲得標定物上特征點的世界坐標，運用相位技術求出其圖像坐標。這類方法需要多次投射正弦光柵，并且圖像坐標的精度依賴于絕對相位展開的精度；(2)同樣先測得標定物上特征點的世界坐標，然后將特定的結構光圖案投射到標定物上，運用交比不變性換算出投影圖案特征點在圖像坐標下的坐標。這類方法需要分別將用于相機標定和投影儀標定的圖案區分開來，還需要做直線擬合和灰度插值；(3)獲得投影圖案特征點的圖像坐標，利用已標定相機模型的參數，反向投影求解其世界坐標。為了達到將相機標定和投影儀標定的圖案區分開來的目的，此類方法通常需要特殊設計的標定板。

發明內容：

針對現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于全向結構光的大視場深度測量系統及方法，將全向圖和結構光結合起來，既利用全景成像大視場特點，又利用主動視覺優勢進行深度信息提取，在獲得大視場的同時，還可以獲得周圍場景的深度信息，進而實現三維重建。

本發明的技術方案是這樣實現的：

1.一種基于全向結構光的大視場深度測量系統，該系統包括全景攝像機、結構光投射單元、三軸移動平臺和計算機；

所述全景攝像機包括攝像機和雙曲面反射鏡；所述雙曲面反射鏡倒立放置在攝像機的正上方；

所述結構光投射單元，包括至少4個投影儀，即第一投影儀、第二投影儀、第三投影儀和第四投影儀；

所述結構光投射單元和攝像機均固定放置在三軸移動平臺的臺面上，且第一投影儀、第二投影儀、第三投影儀和第四投影儀圍繞攝像機均勻分布布置；

所述三軸移動平臺可以沿x、y、z三個軸進行移動；

所述第一投影儀、第二投影儀、第三投影儀和第四投影儀投射的編碼結構光照射在被測場景目標物表面上，被結構光照射的被測場景目標物的光線經過雙曲面反射鏡反射后進入攝像機成像；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。

采用所述的基于全向結構光的大視場深度測量系統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測量，包括如下步驟：

A、標定階段：

A.1.調整攝像機和雙曲面反射鏡的相對位置，使二者的軸心在一條直線上，并盡量使得攝像機設置在雙曲面反射鏡的第二焦點位置上，使全景攝像機具有單視點特性；調整攝像機鏡頭焦距，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范圍內的目標物所成圖像較為清晰；