[发明专利]一种单目立体视觉系统及其使用方法

权利要求书

1.一种单目立体视觉系统的使用方法，其特征在于，单目立体视觉系统包括位姿调整机构、摄像机(1)、陀螺仪(3)及控制系统；

所述的位姿调整机构包括动平台(2)、静平台(5)和多个主动链；每个主动链均通过虎克铰分别与动平台(2)和静平台(5)相连，多个主动链在空间上均匀交错布置；所述的摄像机(1)设置在动平台(2)上平面中心处，用于获取图像信息；

所述的陀螺仪(3)设置在动平台(2)下平面中心处，用于获取摄像机(1)姿态信息；

所述的控制系统采集摄像机(1)和陀螺仪(3)的信息控制主动链实现对动平台(2)上摄像机(1)的位姿控制；

所述的主动链为伺服电动缸(4)；

所述的主动链为六个，两两一组共三组均布在平台圆周上，动平台和静平台在初始安装时，绕轴向的相对偏转角度为60°；

所述的单目立体视觉系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对摄像机(1)进行参数标定；

2)控制系统控制主动链进行初始化；

3)控制系统处理摄像机(1)获取的图像信息，通过特征匹配判断是否发现目标，若没有发现目标则控制动平台(2)在可达空间内按逆时针螺旋向外搜索目标，若发现目标则根据目标在图像中的位置及陀螺仪(3)信息，驱动各伺服电动缸(4)调节动平台(2)的位姿，使摄像机正对目标；

4)调节各主动链使动平台在垂直摄像机光轴方向分别向左、右两边平移一定的距离L₁和L₂，并获取目标在左、右两位置的图像信息及陀螺仪(3)信息；

5)根据图像处理结果、陀螺仪(3)姿态信息、摄像机参数及L₁和L₂的值，求解目标与摄像机之间的距离信息为

其中，f为摄像机焦距，X_l和X_r分别代表摄像机在左、右两位置时，目标在图像上沿摄像机平移方向的坐标值，目标相对于平台的方向信息从陀螺仪获取；

步骤3)中控制系统在控制动平台(2)运动时，需要根据当前的图像处理结果及陀螺仪信息求解将要给各伺服电动缸(4)驱动器发送的控制指令，并辅助调整摄像机(1)的绕Z轴转动，以保持图像正立，具体求解过程为：

以动平台(2)中心为原点，过其中一组虎克铰节点中心的方向为X轴正方向，X轴正向绕原点逆时针旋转90°的方向为Y轴正方向，垂直于X轴和Y轴向外的方向为Z轴，建立动平台坐标系OXYZ；摄像机(1)依照坐标系安装，使得摄像机图像的中心与坐标系原点O重合，图像的水平方向与X轴平行，动平台水平放置时图像朝上的方向与Y轴正向一致；在初始位置，将动平台坐标系从动平台中心平移至静平台中心即成固定坐标系；

设α、β、γ分别为动平台(2)绕X、Y、Z轴旋转的角度，

计算下一控制节拍，动平台(2)上各铰点在固定坐标系中的坐标

计算下一控制节拍，主动链的长度矢量

主动链长度为：伺服电动缸(4)的伸长量为主动链长度减去两端虎克铰的长度；

其中，x_i固表示动平台上第i个虎克铰在固定坐标系中的x坐标；x_i动表示动平台上第i个虎克铰在动平台坐标系中的x坐标；x_o固表示动平台中心在固定坐标系中的x坐标；X_i固表示静平台上第i个虎克铰在固定坐标系中的x坐标；

步骤3)中还包括当摄像机(1)绕Z轴转动的角度超出位姿调整机构的调整极限时，对摄像机图像进行补充调整，使得摄像机图像显示为正立图像的步骤，具体为：

取为动平台(2)倾角，根据陀螺仪获取的α和β角确定摄像机图像当前应该旋转的角度θ值；

θ值可由和联合求解确定；

步骤4)中L₁和L₂应尽量保持相等，也可以不等，但必须满足摄像机(1)从左侧位置移动到右侧位置时，目标的像在图像上移动的像素差至少占该方向总像素的1/5；

还包括根据待旋转角度θ，动态改变所需存储空间大小的步骤，具体为：

假设摄像机(1)的像素为m×n，保存旋转后图像所需的存储空间为new_m×new_n，则

假设原图像数据矩阵中某一点的像素坐标值为(x,y)，旋转之后的坐标值为(new_x,new_y)，则(new_x,new_y)可由下式确定：

图像旋转后的像素坐标值经过上式计算所得坐标进行四舍五入取整处理，若原图像中不同像素点经旋转变换取整后对应同一坐标像素值，则对这几个像素值取平均得到该坐标点的像素值，对于存在的像素空洞，利用该像素点周围八邻域求平均的方式得到空洞处像素点数据；

所述的控制系统包括：

图像处理设备，用于处理摄像机(1)的图像信息；

运动控制器，获取图像处理结果及陀螺仪(3)姿态信息，并将控制信号输出到各伺服电动缸(4)的驱动器，伺服电动缸(4)驱动动平台(2)运动，以实现摄像机(1)的位姿调节；

运动控制器采用控制芯片STM32F104ZET，通过串口获取图像处理设备的图像处理结果以及陀螺仪姿态信息，并将控制信号输出到六个伺服电动缸驱动器，用于控制六个伺服电动缸的运动，从而调节摄像机位姿。