專利名稱：全向立體視覺成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及成像技術，具體地說是一種全向立體視覺成像裝置。
背景技術：
移動機器人的應用領域越來越廣泛，應用領域的拓展要求其具有越來越高的智能，要求其能自主的巡游和避障。對此人們提出了基于超聲波、紅外、激光雷達、常規CCD相機等各種傳感器在內的定位和導航及避障技術。超聲傳感器價格便宜，但其探測波束角過大，分辨力受到嚴重的限制，方向性差；紅外的有效探測范圍太近，遠不能滿足自然場景中機器人探測障礙的要求；激光雷達探測距離遠，精度高，但容易受噪聲影響且價格昂貴，相對于以上外部導航傳感器，立體視覺具有本身不發出光及其他輻射源的特性，隱蔽性好，獲取周圍場景的信息豐富，測量快速準確。但常規鏡頭的視場角較小(約23°左右)，只能獲取有限視野的局部信息，而且在深度對應性求解時，立體視覺的有效檢測區域為二個相機視野的公共部分，由于視場角限制，系統中一個相機參考圖像中的某些點未必能被其他相機拍攝，造成匹配問題的退化。且公共視野區的狹小使視覺導航系統的靈活性和魯幫性降低，盡管可以通過增加云臺等機械裝置來彌補這一缺陷，但這在增加了系統的復雜性的同時還降低了實時性。
當前獲取全向立體視覺大致通過三種途徑旋轉成像和多攝像機成像、魚眼鏡頭成像和折反射全向成像。
(1)旋轉成像和多攝像機成像旋轉成像是相機繞通過其光心的軸旋轉，在旋轉的各個角度拍攝多幅圖像，再將這些圖像進行拼接或者重采樣，從而得到全景圖像。通過對旋轉中不同位置拍攝的圖像尋找對應點，進行深度恢復。這種成像方式需要精確的旋轉運動控制部件或復雜的算法，且旋轉一周需要較長時間，因此不適用于視覺導航等有實時性要求的工作。
多攝像機成像則是采用朝向各個方向的多個相機來實現全向成像，將多個相機同時拍攝的圖像進行融合，生成全景圖像。該成像系統若要滿足單視點約束，各個攝像機的光學中心必須重合。實際上由于各個相機的物理特性限制，安裝中不同相機的光學中心不可能重合。而且這種成像方式成本高，系統復雜。
(2)魚眼鏡頭成像魚眼鏡頭具有很短的焦距(f＜3mm)，這使攝像機能夠觀察到接近半球面內的物體，視場角接近180°。但這種成像存在較大的圖像畸變；且其畸變模型不滿足透視投影條件，無法從所獲取的圖像中映射出無畸變的透視投影圖像；同時視場角越大，光學系統越復雜，造價越昂貴，同時視場角變彎，物像對應關系復雜，補償困難。對于大視場立體視覺，這種系統和方法(1)存在的一個共同問題是都難以滿足單視點約束。且該方法成像區域到所要求的全向成像仍有一定的差距，而且在用于全景成像時，其高分辨率區域往往是不重要的區域，比如天空或攝像機支架本身。
(3)折反射全向成像系統用普通相機和曲面反射鏡面制作的折反射全向成像系統能夠實時獲取水平方向360°和垂直方向一定角度的全向圖像。若采用符合單視點約束的雙曲面反射鏡或拋物面反射鏡，則滿足透視投影成像模型條件的系統容易進行系統標定、圖像分析和處理，實現對圖像或圖像序列的定量操作。現有的此類全向立體視覺裝置主要有兩種I、通過安裝在機器人上的單個雙曲面反射鏡用序列實現多基線立體視覺，即其立體圖對通過機器人的運動來獲取。此類方法需要機器人裝有精確的碼盤等內部導航傳感器，且只適用于平整的地面等理想情況，不適用于各種環境下移動機器人的避障和導航。II、兩個普通相機和兩反射鏡組成的系統①水平基線的全向立體視覺系統，可對機器人前后的障礙物進行檢測，立體視覺的測量精度很不均勻，而且由于系統本身的遮擋對兩側場景不能進行感知，全向圖像的外極線是二次曲線，對應點計算復雜；②垂直基線的全向立體視覺系統，把兩個攝像機上下共軸放置，此時外極線成為一系列放射線，全向圖像(Omnidirectional image)被投影成全景圖像(Panoramic image)后，外極線成為一系列垂直平行線，對應點的計算簡化為在垂直的像素點中尋找。這種配置仍不能根本解決攝像機之間的相互遮擋問題。
實用新型內容為了克服上述不足，本實用新型的目的是提供一種具有結構和計算簡單、對應點匹配容易、精度和實時性高、系統成像無遮擋的全向立體視覺成像裝置。
為了實現上述目的，本實用新型的技術方案包括兩個雙曲反射鏡面，普通透視相機，透明管，兩雙曲反射鏡面直徑相同，同軸固定于一個透明管內，相機鏡頭的光心和兩個雙曲反射鏡面的共同焦點重合，相機鏡頭的光軸和兩個雙曲反射鏡面的共同對稱軸共線，接近相機的雙曲反射鏡面中間設有孔，遠離相機的雙曲反射鏡面通過接近相機的雙曲反射鏡面中間的孔使周圍環境在相機像平面上成像。
為消除透明管的散射，在兩雙曲反射鏡面的對稱軸上安裝一針狀物；所述針狀物為黑色、不變形、長細狀的針狀物。
與現有技術相比，本實用新型更具有如下優點
1.系統結構和計算簡單。本實用新型只使用一個相機，降低了相同的復雜性。系統配置相機的光心與兩個雙曲面鏡的共同焦點重合，幾何計算非常簡單。
2.精度高。本實用新型使兩鏡面間隔較大的距離，系統的基線長度從現有類似系統的十幾毫米提高到兩百多毫米，這樣做極大的提高了系統的精度。
3.對應點匹配容易。此配置使系統的外極線成為一系列放射線，對應點的計算簡化為在一條直線的像素點中尋找，且通過上下鏡面的成像范圍等其他約束可進一步把尋找的區域縮小為長度很短的一段線段內。
4.實時性高。由于系統的結構和幾何計算簡單，對應點匹配容易，極大的減輕了系統的計算負擔，提高了系統的實時性。
5.系統成像無遮擋。現有的用兩個相機實現全向立體視覺的系統中，水平基線配置由于全向相機的互相遮擋，不能獲取機器人兩側區域的深度信息；垂直基線的配置由于上面相機的支架、電源和數據線對下面相機的遮擋，下面相機所獲取的圖像有相當大的區域是無用的信息。
6.應用范圍廣。采用本實用新型能在使移動機器人有效的探測四周的障礙物的同時獲取周圍場景的深度信息，可用于各種環境下移動機器人導航，亦可用于視頻監控和三維重建等要求快速和實時計算的工作。
圖1本實用新型系統原理示意圖。
圖2是雙曲反射鏡面及相機配置圖。
圖3本實用新型系統結構示意圖。
圖4為本發明實施例2系統結構示意圖。
圖5為本發明系統基線原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
實施例1如圖3所示，本實用新型系統硬件包括兩個雙曲反射面鏡(圖中1為位于上面的雙曲反射鏡面，2為位于下面的雙曲反射鏡面)，和一個普通針孔透視相機3和透明管組成，所述兩雙曲反射鏡面直徑相同，上下布置，同軸固定于一個透明玻璃管內，相機鏡頭的光心和兩個雙曲反射鏡面的共同焦點重合，相機鏡頭的光軸和兩個雙曲反射鏡面的共同對稱軸共線，接近相機的雙曲反射鏡面中間設有孔4，遠離相機的雙曲反射鏡面通過接近相機的雙曲反射鏡面中間的孔4使周圍環境在相機3像平面上成像；本實施例所述兩曲反射鏡面間隔距離為204mm(該段距離等效于系統的基線；基線長度定義如圖5所示，空間中一點P分別經兩反射鏡面成虛像P1、P2，兩反射鏡面對成像的空間點來說相當于兩個虛擬相機，兩虛擬相機光心之間的距離1即是由此兩虛擬相機組成的雙目立體視覺系統的基線長度)。
本實用新型原理如下以相機的光心為坐標原點O，以光軸的方向為z軸，定義相機像平面的兩個方向u，v分別為x軸和y軸，參見圖1和圖2。由于系統的對稱性，系統模型可簡化為在二維平面上討論，以光軸的方向為z軸，定義相機像平面上的一直線為r軸，則r軸和z軸相垂直，兩雙曲反射鏡面的鏡面方程可以寫為(z-c)2a2-r2b2=1;]]>其中a分為aa、ab；b分為ba、bb；c分為ca，cb；aa，ab為兩雙曲反射鏡面的二分之一實軸；ba，bb為兩雙曲反射鏡面的二分之一虛軸；ca，cb為兩雙曲反射鏡面的二分之一焦距，aa，ab，ba，bb，ca，cb的值可根據移動機器人檢測障礙和導航的范圍確定。空間中的一點P(r，z)通過兩雙曲反射鏡面的反射分別在相機像平面上成像于Pa(ua，-f)和Pb(ub，-f)，連接pa、pb和坐標原點O(0，0)的直線分別和上下設置的雙曲反射鏡面相交于Ma(ra，za)、Mb(rb，zb)，由于兩雙曲反射鏡面的方程和焦點坐標Fa(0，2ca)、Fb(0，2cb)已知，則直線FaMa、FbMb的方程可以以兩點式求出rra==(z-2ca)(za-2ca)rrb==(z-2cb)(zb-2cb);]]>解上面的方程組即可求得P點的坐標(r，z)，然后用z值和點P附近物體的縱坐標值相比較，即可判斷此點處在障礙物上還是在凹坑里，進而實現移動機器人避障和導航的目的；r即是P點物體的深度信息，z是障礙物信息。
實施例2與實施例1不同之處在于參見圖4，在兩雙曲反射鏡面的對稱軸上安裝一黑色、不變形、長細狀的針狀物5，起到消除玻璃管散射的作用。
采用本實用新型通過空間中的一點被兩雙曲反射鏡面反射后分別成像于相機像平面，等效于兩個相機實現雙目視覺，用一個普通透視相機和兩個雙曲反射鏡面實現雙目全向立體視覺，系統結構和幾何計算簡單；所獲取的立體圖像對在一系列射線上，對應點尋找和匹配容易，使系統的具有很高的實時性；兩個雙曲面鏡間隔一定距離使系統的基線增長，極大地減小了系統的誤差。
權利要求1.一種全向立體視覺成像裝置，包括兩個雙曲反射鏡面、普通透視相機、透明管，其特征在于兩雙曲反射鏡面直徑相同，同軸固定于一個透明管內，相機鏡頭的光心和兩個雙曲反射鏡面的共同焦點重合，相機鏡頭的光軸和兩個雙曲反射鏡面的共同對稱軸共線，接近相機的雙曲反射鏡面中間設有孔，遠離相機的雙曲反射鏡面通過接近相機的雙曲反射鏡面中間的孔使周圍環境在相機像平面上成像。
2.根據權利要求1所述全向立體視覺成像裝置，其特征在于在兩雙曲反射鏡面的對稱軸上安裝一針狀物。
專利摘要本實用新型涉及成像技術，具體地說是一種全向立體視覺成像裝置。它包括兩個雙曲反射鏡面、普通透視相機、透明管，兩雙曲反射鏡面直徑相同，同軸固定于一個透明管內，相機鏡頭的光心和兩個雙曲反射鏡面的共同焦點重合，相機鏡頭的光軸和兩個雙曲反射鏡面的共同對稱軸共線，接近相機的雙曲反射鏡面中間設有孔，遠離相機的雙曲反射鏡面通過接近相機的雙曲反射鏡面中間的孔使周圍環境在相機像平面上成像。本實用新型具有成像清晰、系統結構和幾何計算簡單、精度和實時性高、系統成像無遮擋的優點。
文檔編號G02B27/22GK2781418SQ20052008891
公開日2006年5月17日 申請日期2005年1月12日 優先權日2005年1月12日
發明者朱楓, 蘇連成, 歐錦軍, 董再勵, 郝穎明 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所