[发明专利]一种单目立体视觉系统三维光路分析方法

权利要求书

1.一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，其特征在于，步骤如下：

(1)单目立体视觉系统搭建

单目立体视觉系统主要由反射单元和一个真实相机(1)组成，反射单元置于真实相机(1)的前方，由两对、共四面呈对称布置的反射镜组成；借助反射镜对光路的多次反射，真实相机(1)的靶面被分成对称的右靶面(2)和左靶面(3)，右靶面(2)和左靶面(3)分别对应的目标成像的两个视角，即虚拟右相机(4)与虚拟左相机(5)，这样单目立体视觉系统就等效为双目立体视觉系统；

(2)坐标系建立与结构参数定义

以两个内镜(8)交线的中点为原点，建立世界坐标系O-XYZ(7)；世界坐标系O-XYZ(7)的Z轴与真实相机(1)的光轴共线；以真实相机(1)的光心为原点建立相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C(6)，内镜(8)、外镜(9)呈对称分布，且均垂直于世界坐标系的XOZ平面，令内镜(8)与XOY平面之间的夹角为锐角α，外镜(9)与XOY平面之间的夹角为锐角β，内镜(8)交点到相机光心之间的距离为d'，世界坐标系O-XYZ(7)原点到外镜(9)与X轴交点之间的距离为L，θ为真实相机(1)视场角的一半；

(3)多镜面反射模型

分析像方到物方的三维光路，令某一反射镜法向量为n＝(n_x,n_y,n_z)^T，入射光线的方向向量及其上一点分别为l和L₀，那么入射光线或反射光线和反射镜的交点p表示为：

其中，d是从世界坐标系O-XYZ(7)原点到该反射镜的距离；从上式得(L₀+gl)^T·n+d＝0，整理得到经过s个反射镜反射后得到的矢量表示为：

其中，n_k为第k个反射镜的单位法向量，满足d_k为世界坐标系O-XYZ(7)原点到第k个反射镜的距离；

令物方平面Π＝O_cX_cZ_c，变量左上标中的符号“r”和“l”分别表示真实相机(1)的右靶面(2)和左靶面(3)上的成像视图；然后，对于虚拟右相机(4)，确定从真实相机(1)的右靶面(2)到视场(10)的空间光路；自真实相机(1)右靶面(2)上点出发并穿过O_c点的四条光线，经过内镜(8)和外镜(9)的反射后，反射光线与Π处相交于则经过单目立体视觉系统多镜面作用后的反射光线和反射点表示为：

其中，为入射到第k个反射镜的第i条光线的方向向量；为光线上一点，为第i条入射光线与第k个反射镜的交点，亦为第(k+1)个反射镜第i条入射光线上的点，即^rn_k为第k个反射镜的单位法向量，单位法向量可通过结构参数计算得到；为第k个反射镜的映射矩阵；为第(k+1)个反射镜的第i条入射光线的方向向量，即为第k个反射镜的第i条反射光线；为外镜(9)第i条反射光线上的一点；为外镜(9)的第i条反射光线与物方平面Π的交点；n_Π为空间平面Π的单位法向量；d_Π为世界坐标系原点到空间平面Π的距离；为空间平面Π第i条入射光线的方向向量；

(4)单目立体视觉系统反射镜有效几何参数与成像参数计算

第k个反射镜的第n条入射光线围成区域的几何属性为：

其中，S为入射光线在反射镜上围成区域的面积，C为入射光线在反射镜上围成区域的周长；

四条光线与各反射镜交点围成等腰梯形，该等腰梯形即为反射镜的有效区域，等腰梯形各边分别为并且对于内镜(8)，该区域的有效几何参数通过以下表达式计算：

其中，MirrInL为内镜(8)的有效长度；AIn为光线与内镜(8)相交形成的等腰梯形的面积；InFH为光线与内镜(8)相交形成的等腰梯形的底边长；InBH为光线与内镜(8)相交形成的等腰梯形的顶边长；InC为光线与内镜(8)相交形成的等腰梯形的周长；

同理，外镜(9)的有效几何参数表示为：

其中，MirrExL外镜(9)的有效长度；AEx光线与外镜(9)相交形成的等腰梯形所占的面积；ExFH光线与外镜(9)相交形成的等腰梯形的底边长；ExBH光线与外镜(9)相交形成的等腰梯形的顶边长；ExC光线与外镜(9)相交形成的等腰梯形的周长；

左靶面(3)和右靶面(2)到物方的三维光路对称，同理，根据上述步骤计算左靶面(3)即虚拟左相机(5)经过反射镜作用后的反射光线和反射点；

对于单目立体视觉系统，两外镜(9)与反射光线即和的交点和共同围成了单目立体视觉系统的视场(10)，两外镜(9)反射光线的交点表示为：

其中，“∩”表示两反射向量相交的符号，则单目立体视觉系统成像参数表示为：

其中，DoF为景深；FovL是在Y_c轴方向上的最大视场；BL为基线长度；FovH和FoVHM分别为X_c轴方向上的最小视场和最大视场；f为焦距；O_C为真实相机(1)的光心；Dis是最大视场处的物距。