基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置和方法，屬于立體視覺成 像領域。
【背景技術】
[0002] 立體視覺成像技術能夠模擬人眼成像得到目標物的三維影像，近年來被廣泛應用 于三維形貌測量和增材制造領域。目前在工業應用中多采用雙相機立體視覺成像裝置和方 法，即兩個相機從不同角度同時采集目標物的兩幅圖像，基于視差原理實現立體視覺成像 效果。但這種雙相機立體視覺成像裝置需要用到兩個相機，裝置的結構大，成本高，且立體 視覺成像前需要對每個相機進行參數標定。另外，對動態目標成像時，要求兩相機時間同 步，否則會造成立體視覺成像的扭曲和畸變。
【發明內容】
[0003] 針對上述現有技術，本發明提供一種基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置和方 法，用以解決上述雙相機立體視覺成像技術所存在的問題。
[0004] 本發明基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置予以實現的技術方案是：該裝置包 括第一物鏡、第二物鏡、反射鏡、數字微鏡器件、CCD圖像傳感器和殼體；所述的第一物鏡和 第二物鏡型號相同，相對于基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置中心軸對稱；所述的數 字微鏡器件放置在CCD圖像傳感器上方，數字微鏡器件的基面與CCD圖像傳感器所在面成 33°夾角；所述的反射鏡與數字微鏡器件相向安置，且與CCD圖像傳感器所在面成66°夾 角。
[0005] 所述的第一物鏡以向右48°傾角將目標物成像光線投射給所述的反射鏡；所述 的第二物鏡以向左48°傾角將目標物成像光線投射給所述的數字微鏡器件；所述的反射 鏡將來自第一物鏡的成像光線反射給數字微鏡器件；所述的數字微鏡器件由基面和二維微 鏡元陣列組成；所述的微鏡元有on和off兩個翻轉狀態，當為on狀態時微鏡元偏轉+12°， 從第二物鏡進入的成像光線被數字微鏡器件反射到CCD圖像傳感器的感光面，當為off狀 態時微鏡元偏轉-12°，從第一物鏡進入經反射鏡反射的成像光線被數字微鏡器件二次反 射到CCD圖像傳感器的感光面；所述的CCD圖像傳感器接收從數字微鏡器件反射來的成像 光線，完成感光成像；所述的殼體用于固定光學元件，并對光路進行密封以避免外界干擾光 進入。
[0006] 本發明提出的一種基于數字微鏡器件的立體視覺成像方法，是利用上述基于數字 微鏡器件的立體視覺成像裝置，并按照以下步驟：
[0007] 步驟一、圖像采集：
[0008] 微調所述的數字微鏡器件相對所述的CCD圖像傳感器的位置，使CCD像元與數字 微鏡器件的微鏡元配準，即每個CCD像元單一映射數字微鏡器件的一個微鏡元。
[0009] 控制所述數字微鏡器件的二維微鏡元陣列以奇偶間隔的排列方式翻轉狀態；其 中，把數字微鏡器件的微鏡元為+12°偏角的on狀態稱為偶場微鏡元，把數字微鏡器件的 微鏡元為-12°偏角的off狀態稱為奇場微鏡元；這樣，通過控制所述數字微鏡器件的二維 微鏡元陣列翻轉狀態將來自所述第一物鏡和所述第二物鏡所對應目標物的成像光線反射 給所述CCD圖像傳感器；所述CCD圖像傳感器接收所述數字微鏡器件反射的成像光線，得到 一幀數據；這幀數據包含所述第一物鏡和所述第二物鏡從不同角度對目標物所成的兩幅圖 像信息。
[0010] 將CCD -幀數據以奇偶間隔的提取方式分列為奇偶兩個圖像數據矩陣，采用線性 插值法將分開的奇偶兩個圖像數據矩陣存在的空像素補全得到IJP 12，分別表征所述第一 物鏡對目標物所成圖像信息和所述第二物鏡對目標物所成圖像信息。
[0011] 步驟二、坐標計算：
[0012] 本發明基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置的幾何光學模型相當于兩個虛擬 相機同時從所述第一物鏡和所述第二物鏡向目標物成像。
[0013] 定義從所述第一物鏡向目標物成像的第一虛擬相機的相機坐標系為0"χ"γ"ζα， 定義從所述第二物鏡向目標物成像的第二虛擬相機的相機坐標系為〇 ε2Χε2Υε2Ζε2;定義所述 第一物鏡對目標物所成1的圖像坐標系為0 W1V1，定義所述第二物鏡對目標物所成I2的圖 像坐標系為O 2U2V2;定義兩虛擬相機之間的距離，即基準距為b。
[0014] 目標物上任意一點P，在I1的圖像坐標為（U1, V1)，在I2的圖像坐標為（u2, v2)， 在第一虛擬相機的相機坐標系坐標為（x"，y"，ζα)，在第二虛擬相機的相機坐標系坐標為 (x C2, ye2, ζε2);根據相機成像原理，P點在第一虛擬相機的相機坐標系坐標與在^的圖像坐 標之間關系為：
[0015]
[0016] P點在第二虛擬相機的相機坐標系坐標與在12的圖像坐標之間關系為：
[0017]
C23
[0018] 式（1)和（2)中的f為第一物鏡和第二物鏡的焦距。
[0019] 定義世界坐標系為OwXwYwZ w，第一虛擬相機坐標系的)("軸、第二虛擬相機坐標系的 Xc2軸和世界坐標系的X w軸同向，第一虛擬相機坐標系的Y "軸和Z α軸方向是世界坐標系 的Yw軸和Z w軸以X ￥為軸旋轉42°所得，第二虛擬相機坐標系的Y C2軸和Z C2軸方向是世界 坐標系的Yw軸和Z w軸以X ￥為軸旋轉-42 °所得；P點在世界坐標系的坐標（X w，yw，zw)與在 第一虛擬相機的相機坐標系坐標之間關系為：
[0020] (3)
[0021] P點在世界坐標系的坐標（xw，yw，zw)與在第二虛擬相機的相機坐標系坐標之間關 系為：
[0022] UiN 丄 丄 CUOUO Λ J < 〇/ i
(4)
[0023] 整合公式（I)、（2)、（3)、（4)，得到下面關系方程：[0024]
[0025] 公式（5)中，（Ul，V1)和（u2, V2)通過I1和在I 2得到，當所述第一物鏡和所述第二 物鏡選型確定時f為已知，則得到： (5 )
[0026]
(S)
[0027] 將公式（6)代回公式（5)，得到P點的世界坐標系坐標：
[0028]
<7)
[0029] 可見，對于目標物的任意一點的三維空間世界坐標都能通過公式（7)得到，如此 求得目標物的所有點的世界坐標值，便實現了目標物的立體成像。
[0030] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0031] 本發明提供的基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置和方法，通過數字微鏡器件 的二維微鏡元陣列狀態切換，實現了從兩個方向對目標物的立體成像。與現有技術相比， 本發明提供的基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置僅使用一個CCD圖像傳感器，結構緊 湊，成本較低。本發明提供的基于數字微鏡器件的立體視覺成像方法從不同方向對同一目 標物采集的兩幅視差圖像不存在同步時差，適用于動態目標物的立體視覺成像。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明提供的基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置結構圖；
[0033] 圖2為本發明提供的數字微鏡器件奇偶分場翻轉示意圖；
[0034] 圖3為本發明提供的基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置的幾何光學模型圖。
[0035] 圖中：1-第一物鏡，2-第二物鏡，3-反射鏡，4-數字微鏡器件，5-CXD圖像傳感器， 6_殼體，7-目標物。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0037] 如圖1所示，本發明基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置，包括第一物鏡1、第 二物鏡2、反射鏡3、數字微鏡器件4、C⑶圖像傳感器5和殼體6 ;所述的第一物鏡1和第二 物鏡2型號相同，相對于基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置中心軸對稱；所述的數字 微鏡器件4放置在C⑶圖像傳感器5上方，數字微鏡器件4的基面與C⑶圖像傳感器5所 在面成33°夾角；所述的反射鏡3與數字微鏡器件4相向安置，且與CCD圖像傳感器5所 在面成66°夾角。
[0038] 所述的第一物鏡1以向右48°傾角將目標物7成像光線投射給所述的反射鏡3 ; 所述的第二物鏡2以向左48°傾角將目標物7成像光線投射給所述的數字微鏡器件4 ;所 述的反射鏡3將來自第一物鏡1的成像光線反射給數字微鏡器件4 ;所述的數字微鏡器件4 由基面和二維微鏡元陣列組成；所述的微鏡元有on和off兩個翻轉狀態，當為on狀態時微 鏡元偏轉+12°，從第二物鏡2進入的成像光線被數字微鏡器件4反射到C⑶圖像傳感器5 的感光面，當為off狀態時微鏡元偏轉-12°，從第一物鏡1進入經反射鏡3反射的成像光 線被數字微鏡器件4二次反射到CCD圖像傳感器5的感光面；所述的CCD圖像傳感器5接 收從數字微鏡器件4反射來的成像光線，完成感光成像；所述的殼體6用于固定光學元件， 并對光路進行密封以避免外界干擾光進入。
[0039] 本發明提出的一種基于數字微鏡器件的立體視覺成像方法，是利用上述基于數字 微鏡器件的立體視覺成像裝置，并按照以下步驟：
[0040] 步驟一、圖像采集：
[0041] 微調所述的數字微鏡器件4相對所述的C⑶圖像傳感器5的位置，使CXD像元與 數字微鏡器件4的微鏡元配準，即每個CCD像元單一映射數字微鏡器件4的一個微鏡元。
[0042] 控制所述數字微鏡器件4的二維微鏡元陣列以奇偶間隔的排列方式翻轉狀態，如 圖2所示；其中，把數字微鏡器件4的微鏡元為+12°偏角的on狀態稱為偶場微鏡元，把數 字微鏡器件4的微鏡元為-12°偏角的off狀態稱為奇場微鏡元；這樣，通過控制所述數字 微鏡器件4的二維微鏡元陣列翻轉狀態將來自所述第一物鏡1和所述第二物鏡2所對應目 標物的成像光線反射給所述CCD圖像傳感器5 ;所述CCD圖像傳感器5接收所述數字微鏡 器件4反射的成像光線，得到一幀數據；這幀數據包含所述第一物鏡1和所述第二物鏡2從 不同角度對目標物7所成的兩幅圖像信息。
[0043] 將CCD -幀數據以奇偶間隔的提取方式分列為奇偶兩個圖像數據矩陣，采用線性 插值法將分開的奇偶兩個圖像數據矩陣存在的空像素補全得到IJP 12，分別表征所述第一 物鏡1對目標物7所成圖像信息和所述第二物鏡2對目標物7所成圖像信息。
[0044] 步驟二、坐標計算：
[0045] 本發明基于數字微鏡器件的立體視覺成像裝置的幾何光學模型如圖3所示，相當 于兩個虛擬相機同時從所述第一物鏡1和所述第二物鏡2向目標物7成像。
[0046] 定義從所述第一物鏡1向目標物7成像的第一虛擬相機的相機坐標系為 OcA1YeiZei,定義從所述第二物鏡2向目標物7成像的第二虛擬相機的相機坐標系為 Oc2Xe2Ye2Ze2;定義所述第一物鏡1對目標物7所成I屈圖像坐標系為0 W1V1，定義所述第二 物鏡2對目標物7所成12的圖像坐標系為0 2U2V2;定義兩虛擬相機之間的距離，即基準距為 b〇
[0047] 目標物7上任意一點P，在I1的圖像坐標為（u η V1)，在I2的圖像坐標為（u 2, v2)， 在第一虛擬相機的相機坐標系坐標為（x"，y"，ζα)