[發(fā)明專利]一種激光測距優(yōu)化標(biāo)定的視覺系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711497865.3
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN107941153B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊平;史維程;郭隱彪
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種機器視覺系統(tǒng)，尤其是涉及利用激光傳感器測量圖像傳感器與被測物之間距離來達(dá)到優(yōu)化標(biāo)定過程，并根據(jù)計算情況及時調(diào)整圖像傳感器位置的一種激光測距優(yōu)化標(biāo)定的視覺系統(tǒng)。

背景技術(shù)

多目立體成像的基本原理是同一時間用多個不同角度的攝像頭拍攝同一物體，在得到的多張圖像中進行像素匹配，依照攝像機標(biāo)定所得出的坐標(biāo)關(guān)系，最后通過諸如三角測距原理來獲得各像素的深度信息(即，三維坐標(biāo))，由此得到三維立體圖像。也因此立體重建最重要的一步是進行攝像機的標(biāo)定確定圖像傳感器的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，標(biāo)定結(jié)果越精度越高，最后立體還原的結(jié)果便會越準(zhǔn)確(王建強，張?；?基于Matlab工具箱的攝像機標(biāo)定.浙江師范大學(xué)，2013.7)。

首先介紹四個坐標(biāo)系：

1、圖像坐標(biāo)系：數(shù)字圖像在計算機中的保存形式二維數(shù)組的坐標(biāo)形式。

2、成像平面坐標(biāo)系：攝像機鏡頭的成像平面上建立的坐標(biāo)系，一般是位于感光器件上所建立的以鏡頭光軸與成像平面交點為原點的二維坐標(biāo)系。二者關(guān)系如下圖1，其中P為圖像中任意假設(shè)一點，其在計算機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u,v)，在成像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y)，并設(shè)像素單元在x,y方向的尺寸分別為a,b。成像平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在計算機坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(u₀,v₀)，則由圖1可得如下等式成立：

整理成齊次矩陣如下：

3、攝像機坐標(biāo)系：一個以攝像機鏡頭的光心為原點而建立的空間三維坐標(biāo)系。成像平面坐標(biāo)系可以看成攝像機坐標(biāo)系在其Z_c軸上投影而成的(其x和y軸與成像平面坐標(biāo)系方向一致)，其與成像平面坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2，設(shè)景物點M(X_c，Y_c，Z_c)，成像平面上一投影點的坐標(biāo)為(x,y,z),其中f為攝像機的焦距,根據(jù)三角形相似對應(yīng)邊比值相等，得到以下等式：

式中：f為攝像機的焦距，f＝z。

由式(2)可得：

將式(3)代入式(1)整理成齊次矩陣如下：

當(dāng)Z_c＝1時，稱點(x_c1 y_c1 1)為圖像點在焦距歸一化成像平面上的成像點坐標(biāo)。則利用攝像機的內(nèi)參數(shù)公式(4)可以求出圖像點在焦距歸一化成像平面上的成像點坐標(biāo)：

此公式在標(biāo)定后，還原點的三維坐標(biāo)時會用到。

4、世界坐標(biāo)系：區(qū)別于攝像機坐標(biāo)系的一個空間坐標(biāo)系，其依附于標(biāo)定時要使用的物點而存在。可認(rèn)為所觀察的點相對世界坐標(biāo)系是固定的。也因此世界坐標(biāo)系可看做是攝像機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移得到。所以攝像機坐標(biāo)系上的每個點經(jīng)過此旋轉(zhuǎn)平移變換都能在世界坐標(biāo)系中找到對應(yīng)點。假設(shè)變換矩陣為則兩者存在以下關(guān)系：

式中R為正交旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移向量，為攝像機^cM_w外參數(shù)矩陣，聯(lián)立式(4)和式(6)得：

M為攝像機參數(shù)矩陣。

傳統(tǒng)的攝像機標(biāo)定特征點的距離獲取，都是在圖像傳感器位置固定的前提下進行的，位置在標(biāo)定前已經(jīng)知道，因此這種標(biāo)定方法對于相機要求也是固定的。本實施例采用超高精度激光位移傳感器，測量數(shù)據(jù)輸出值是將上千次的測量結(jié)果進行的平均輸出，精度級別高，目前還未見到有位移傳感器測距確定特征點坐標(biāo)的實施例。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供可以實時測量圖像傳感器與被測物距離來獲取標(biāo)定板特征點在攝像機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)的裝置，同時在測距的過程中結(jié)合攝像機坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來一定程度上反映圖像采集質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)化標(biāo)定過程、優(yōu)化圖像目的的一種激光測距優(yōu)化標(biāo)定的視覺系統(tǒng)。

本發(fā)明設(shè)有底座、球形鉸鏈、系統(tǒng)支架、圓弧架、滑塊、攝像機和激光位移傳感器；所述激光位移傳感器、攝像機和滑塊固定圓弧架上，系統(tǒng)支架的上端固定在圓弧架上，系統(tǒng)支架的底端固定在底座上，系統(tǒng)支架的底端通過球形鉸鏈與固定螺栓連接，固定螺栓固定在底座上；所述攝像機固定在滑塊上，攝像機在圓弧形架上可進行角度調(diào)節(jié)。

圓弧架加滑塊的設(shè)計可以實現(xiàn)攝像機拍攝角度的調(diào)節(jié)，同時激光位移傳感器測得的數(shù)據(jù)與攝像機數(shù)據(jù)可進行換算。

本發(fā)明的工作原理和有益效果如下：