[发明专利]一种单目立体视觉系统三维光路分析方法

说明书

本发明提供了一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，属于机器视觉测量领域。该方法首先使用四个反射镜和一个真实相机创建单目立体视觉系统；其次，通过构建单目立体视觉系统多镜面反射模型来计算各反射镜的反射光线和反射点；最后，根据反射镜的反射光线和反射点求解各反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。通过本发明的三维光路分析方法，可以设计最佳的反射镜形状，更好地描述单目立体视觉系统成像参数，可为单目立体视觉系统设计提供更好的依据，使得搭建的单目立体视觉系统结构更加紧凑、更能满足测量系统成像要求。

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，涉及一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，通过光路分析实现三维层面上的反射镜有效几何参数以及单目立体视觉系统成像参数的计算。

背景技术

三维视觉测量技术是机器视觉技术的一种，该技术通过图像信息和相机成像模型实现目标三维信息的测量，具有非接触、三维、实时、高精度以及空间全域的测量优势，被广泛应用于智能制造、智慧交通、航空航天、海洋船舶、能源动力等领域。由四个反射镜和一个真实相机组成的单目立体视觉系统有效的解决了传统单目视觉方法测量精度差的问题，同时也克服了多目视觉方法使用多相机造成的成本高、同步性差、占据空间大的劣势。通过光路分析可确定单目立体视觉系统反射镜有效几何参数以及单目立体视觉系统成像参数，对于设计合理的单目立体视觉系统具有重要意义，对该方面的研究颇具价值。

华南农业大学的赵祚喜等发明的专利号为CN 109099838 A“一种基于折反射的单目立体视觉系统三维信息测量方法”提出一种单目立体视觉测量方法，根据待测物体大小建立了单目立体视觉系统，该单目立体视觉系统包括若干矩形反射镜和一个单目相机，但该方法仅对二维光路进行分析计算，且该系统中反射镜要求互不遮挡且结构不对称，测量过程复杂且反射镜面得不到充分利用。此外，2006年，天津大学的闫丽在Chinese Journalof Sensors and Actuators期刊上发表了题为“单目立体视觉传感器的优化设计及精度分析”的论文，论文采用一台CCD相机和两组对称反射镜组建单目立体视觉系统，建立了透视成像数学模型，分析了传感器的几何结构参数，但其仅在二维层面建立单目立体视觉系统的数学模型并进行分析计算，同样未涉及在三维层面的光路分析和计算。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了一种单目立体视觉系统空间光路分析方法，目的是通过对由四个反射镜(即两个外镜与两个内镜)和一个真实相机组成的单目立体视觉系统进行空间光路分析，进而更加完备的计算反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。首先，使用四个反射镜和一个真实相机构建单目立体视觉系统；其次，选择合适的原点建立世界坐标系并初步确定本发明所采用的单目立体视觉系统的结构参数；然后，建立单目立体视觉系统的多镜面反射模型；最后，根据计算的反射光线和反射点求解出反射镜的有效几何参数与单目立体视觉系统的成像参数。

本发明所采用的技术方案是发明了单目立体视觉系统空间光路分析方法。其特征为：首先，通过使用四个反射镜和一个真实相机创建单目立体视觉系统；其次，在单目立体视觉系统上建立坐标系并定义结构参数；在此基础上，构建单目立体视觉系统多镜面反射模型来计算各反射镜的反射光线和反射点；最后，根据反射光线和反射点求解各反射镜的有效几何参数和单目立体视觉系统的成像参数。通过本发明的三维光路分析方法，可以设计最佳的反射镜形状，更好地描述单目立体视觉系统成像参数，使得搭建的单目立体视觉系统结构更加紧凑、更能满足测量系统成像要求。

一种单目立体视觉系统三维光路分析方法，步骤如下：

(1)单目立体视觉系统搭建

单目立体视觉系统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高精度反射镜组成。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。