一種深度信息探測的三維仿生眼球裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型涉及一種深度信息探測的三維仿生眼球裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著攝像機技術和計算機技術的發展，具有視覺功能的智能機器人開始被人類制 造，并逐步形成了機器視覺學科和產業。機器視覺是與人眼類似的機器仿生系統，從廣義上 來講，凡是通過光學裝置獲取真實物體的信息以及相關信息的處理與執行都是機器視覺， 這就包括了可見視覺和非可見視覺，甚至包括人類視覺不能直接觀察到的、物體內部信息 的獲取與處理等。
[0003] 對于移動機器人而言，三維仿生眼球裝置相當于人眼，是機器人感知外界局部環 境的重要"器官"，同時其獲取的信息是對其運動的重要導航依據。人類80%的信息都來源 于視覺。因此，賦予機器人以視覺功能，就能像人一樣有通過視頻處理而從外部環境獲取信 息的能力，機器人獲取的信息的準確性、實時性是機器人運動時能否正確行走、精確進行目 標跟蹤的重要判據，對機器人的發展是極其重要的，機器視覺的發展不僅可以大大推動智 能系統的發展，也將擴展計算機與智能機器的研究范圍和應用領域。近幾十年里，國內外學 者在機器視覺方面開展了卓有成效的工作 :Trahanias利用視覺探測陸標完成機器人導航； E. Smith在其基于視覺的機器人抓取物體試驗研究中，總結了基于視覺的機器人物體抓取 研究中的相關方法等。
[0004] 現實世界是三維的，而投射到視網膜(或攝像機鏡頭)上的圖像是二維的，視覺處 理的目的就是要從感知到的二維圖像中提取有關的三維世界的信息。根據Mars視覺理論， 三維的世界信息主要是指二維圖像所反映的場景中的三維物體的形狀和空間位置的定量 信息。而在現有成果中存在著，獲取的三維信息的精度較差，獲得的信息也不夠準確。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種能夠高效、精確地重建處被測物體 三維數據的深度信息探測的三維仿生眼球裝置。
[0006] 本實用新型解決上述問題的技術方案是：一種深度信息探測的三維仿生眼球裝 置，包括投影儀、攝像機、圖像采集控制器、圖像處理模塊、存儲器、顯示模塊和機器人，所述 投影儀、攝像機分別安裝在機器人的左、右眼中，所述投影儀、攝像機的信號輸出端分別與 圖像處理模塊相連，圖像處理模塊分別與圖像采集控制器、存儲器、顯示模塊相連，圖像采 集控制器分別與投影儀、攝像機相連。
[0007] 上述深度信息探測的三維仿生眼球裝置中，所述圖像處理模塊包括主控制器、相 位計算模塊、參數標定模塊和三維重構模塊，主控制器分別與投影儀、攝像機、圖像采集控 制器、相位計算模塊、參數標定模塊、三維重構模塊相連。
[0008] 上述深度信息探測的三維仿生眼球裝置中，所述攝影儀投射的區域范圍大于或等 于攝像機拍攝的區域范圍。
[0009] 本實用新型的有益效果在于:機器人剛啟動時發出標定指令，投影儀處于未工作 狀態，攝像機拍攝的數據傳送給圖像處理模塊，圖像處理模塊對其進行標定處理，標定出攝 像頭和投影儀的內外部參數;機器人開始運動時，投影儀工作投射光柵，攝像機采集的光柵 調制圖形傳入圖像處理模塊，圖像處理模塊調用相位計算模塊，從每幀圖像中提取出絕對 相位，結合提取出來的相位以及攝像頭和投影儀的內外部參數，計算出被測物體的三維坐 標，即得到被測物體的點云數據，最后通過對點云數據進行預處理、三角剖分、紋理映射處 理后，高效、精準地重建出被測物體的三維數據，以此提供給機器人作為避障和導航的依 據。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實用新型的結構框圖。
[0011] 圖2為本實用新型投影儀和攝像機的安裝位置分布圖。
[0012] 圖3為本實用新型的光路示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0014] 如圖1所示，本實用新型包括投影儀1、攝像機2、圖像采集控制器、圖像處理模塊1、 存儲器、顯示模塊和機器人，所述投影儀1、攝像機2分別安裝在機器人的左、右眼中，所述攝 影儀投射的區域范圍大于或等于攝像機2拍攝的區域范圍，所述投影儀1、攝像機2的信號輸 出端分別與圖像處理模塊1相連，圖像處理模塊1分別與圖像采集控制器、存儲器、顯示模塊 相連，圖像采集控制器分別與投影儀1、攝像機2相連。
[0015] 所述圖像處理模塊6包括主控制器、相位計算模塊、參數標定模塊和三維重構模 塊，主控制器分別與投影儀1、攝像機2、圖像采集控制器、相位計算模塊、參數標定模塊、三 維重構模塊相連。
[0016] 參照圖3,所述的本實用新型的光路示意圖，投影儀1的光軸11垂直于參考面16,攝 像機2的光軸12與投影儀1的光軸11、參考平面16相交于點〇,投影儀1的投射光線13和攝像 機2的入射光線14分別于被測物體的表面相交，投影儀1和攝像機2的連線15與參考平面16 相交。
[0017] 結合提取出來的相位以及標定出的攝像頭和投影儀1的內外部參數，計算出被測 物體的三維坐標，即得到被測物體的點云數據。最后通過對點云數據進行預處理、三角剖 分、紋理映射等處理后得到三維面型。
[0018] 本實用新型的工作原理為：
[0019] S1，機器人17剛啟動時，投影儀1處于未工作狀態，圖像處理模塊6根據采集的棋盤 格圖標定出攝像頭的內外參數，根據DMD圖標定出投影儀1的內外參數，并存入存儲器中。標 定內外參數的具體步90驟為：
[0020]將棋盤格圖形和DMD圖變換8種方向，圖像采集控制器控制攝像機2分別對此進行 拍攝，并將數據傳送給圖像處理模塊6,圖像處理模塊6中的參數標定模塊將對采集的棋盤 格圖像和DMD圖像分別進行處理，計算出投影儀1和攝像機2的內外參數矩陣，其依據為如下 的公式(1)和(2)。
[0021 ]設被測物體上的空間點a，其世界坐標為(Xw，Yw，Zw)，攝像機2圖像中的坐標為(Uc， V。），對應于投影儀1中的坐標為(UP，VP)。空間點a在世界坐標系和相機坐標系所對應的坐標 關系為：
[0023]而它的世界坐標系和投影儀1坐標系所對應的坐標關系為：
[0025] 其中，SC，SP分別是攝像機2和投影儀1的比例因子，
分別為攝像機2的內、外部參數矩陣，
分別為投影儀1 的內、外部參數矩陣。acx、ac^v別為攝像機2的水平方向和垂直方向的鏡頭焦距，UdKV。。為攝 像機2在水平方向和垂直方向的主點位置，R。、!1。分別為攝像機2的旋轉因子和平移因子。 apx、a py分別為投影儀1的水平方向和垂直方向的鏡頭焦距，upQ、vpQ為投影儀1在水平方向和 垂直方向的主點位置。R P、TP分別為投影儀1的旋轉因子和平移因子。
[0026] S2,機器人17開始運動時，投影儀1和攝像機2-起工作，圖像采集控制器控制投影 儀1投射光柵，光柵因為受投射面中的被測物體的三維面型的調制而變形，此時，攝像機2對 變形的光柵不斷拍攝，形成視頻流，并不斷傳入圖像處理模塊6中，圖像處理模塊6調用相位 計算模塊，從每幀圖像中提取出絕對相位。接收光柵調制圖形，每組調制光柵的灰度為：
[0027] Ii(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[ Φ (x,y)+0] (3)其中，Ii(x，y)、a(x，y)、b(x，y)、 Φ (x，y)為點(x，y)的灰度值、背景光強、幅度、相位。
[0028] 通過FTP變換法計算出相位主值，利用三頻外插法計算出絕對相位。
[0029] S3,結合提取的相位和標定的參數，計算出三維坐標值，即得點云數據；
[0030]被測物體的相位、投影儀1和攝像機2的內外參數與被測物體的三維坐標三者之間 的關系可由（1)、（2)以及下式表達：
[0032]其中，Φ (Uc，Vc)為提取的絕對相位，N為條紋周期，Wu為分辨率，。
[0033]由上面的公式（1)、（2)、（3)、（4)可計算出被測物體的三維坐標，即得被測物體的 點云數據。
[0034] S4,對點云數據進行三維重構，得出三維面型并顯示。
[0035]讀入三維點云數據，對離散點進行一系列的預處理后，采用通過三角網格化的具 體計算，構造三角網格后，通過紋理映射功能，將二維同步圖像的圖案完整映射到三維。
【主權項】
1. 一種深度信息探測的三維仿生眼球裝置，其特征在于:包括投影儀、攝像機、圖像采 集控制器、圖像處理模塊、存儲器、顯示模塊和機器人，所述投影儀、攝像機分別安裝在機器 人的左、右眼中，所述投影儀、攝像機的信號輸出端分別與圖像處理模塊相連，圖像處理模 塊分別與圖像采集控制器、存儲器、顯示模塊相連，圖像采集控制器分別與投影儀、攝像機 相連。2. 根據權利要求1所述的深度信息探測的三維仿生眼球裝置，其特征在于:所述圖像處 理模塊包括主控制器、相位計算模塊、參數標定模塊和三維重構模塊，主控制器分別與投影 儀、攝像機、圖像采集控制器、相位計算模塊、參數標定模塊、三維重構模塊相連。3. 根據權利要求1所述的深度信息探測的三維仿生眼球裝置，其特征在于:所述攝影儀 投射的區域范圍大于或等于攝像機拍攝的區域范圍。
【專利摘要】本實用新型公開了一種深度信息探測的三維仿生眼球裝置，包括投影儀、攝像機、圖像采集控制器、圖像處理模塊、存儲器、顯示模塊和機器人，所述投影儀、攝像機分別安裝在機器人的左、右眼中，所述投影儀、攝像機的信號輸出端分別與圖像處理模塊相連，圖像處理模塊分別與圖像采集控制器、存儲器、顯示模塊相連，圖像采集控制器分別與投影儀、攝像機相連。圖像采集控制器啟動攝像機對圖形進行拍攝，并根據指令決定是否啟動投影儀進行光柵投射，圖像處理模塊根據投影儀是否工作來確定對數據的處理方式，最終計算出被測物體的三維面型，本實用新型可以高效、精準地重建出被測物體的三維數據，以此提供給機器人避障和導航的依據。
【IPC分類】G06T17/00, G05D1/02, G06T7/00, G06T15/00
【公開號】CN205210958
【申請號】CN201521063692
【發明人】金湘亮, 段芬, 劉喜增
【申請人】湘潭大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月17日