專利名稱：單相機全方位立體視覺系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人視覺傳感器裝置，用于地面機器人、無人駕駛飛行器、自動除草 機或其它智能系統(tǒng)的全景視覺信息的獲取，并可以通過深度恢復算法計算出三維空間的距 離信息，具體的說是一種結構緊湊的全方位立體視覺系統(tǒng)。
背景技術：
視覺系統(tǒng)能夠通過成像硬件設備快速獲取周圍環(huán)境的圖像，通過軟件模塊分析圖 像中目標的表面特征、計算目標的深度數(shù)據(jù)，有很大的應用潛力。因此，在地面機器人、無人 駕駛飛行器，及其他智能系統(tǒng)中，視覺系統(tǒng)已成為感知環(huán)境、輔助目標識別、路徑規(guī)劃等任 務的重要手段。傳統(tǒng)透視投影相機和全方位相機都是得到廣泛使用的視覺系統(tǒng)，后者因較 大的可視范圍而倍受青睞。與地面機器人和大型無人機相比，小型/微型無人機具有體積小、輕便靈活、能夠 垂直起降等優(yōu)點，可為復雜環(huán)境下的偵查、遙感等應用提供理想的平臺，但其有限的負載能 力卻使傳感器的配置較為棘手。小型/微型無人機對尺寸和重量的限制是配置傳感器要考 慮的首要條件；此外，除了前進方向上的前向視野外，飛行器周圍全三維空間的場景都需要 進行關注。可見，小型/微型無人機對環(huán)境感知的要求更高，但負載能力卻更差。因此，所設 計的視覺系統(tǒng)不僅要體積小、重量輕，而且在視場和分辨率等方面要具有令人滿意的性能。全方位相機可由傳統(tǒng)的透視相機加特定形狀的反射鏡面構成，水平可視范圍為 360度，垂直可視范圍可達90度以上。當反射鏡面形狀為平面、橢球面、雙曲面或拋物面時， 相機具有單視點屬性，即成像平面上像點的形成，是由于相機捕捉了特定方向上的光線。例 如，在眾多射向雙曲面反射鏡的光線中，只有沿焦點方向的光線，經(jīng)鏡面反射后才在位于另 一焦點處的相機上成像。其優(yōu)點是，在成像光路計算的過程中，無需獲得光線入射處鏡面的 表面法向量，從而保證物點到像點幾何投影計算的速度和精度，便于快速恢復物體的深度 信息。用全方位相機構成立體視覺系統(tǒng)可采用基于雙相機和單相機兩種基本構成方式(1)與由兩透視相機構成立體視覺系統(tǒng)的方式類似，基于雙相機的全方位立體視 覺系統(tǒng)由兩個完全相同的全方位相機構成。該系統(tǒng)具有全方位相機視場大的優(yōu)點，但位于 下側的全方位相機對上側相機的視場會構成遮擋。更重要的是，該系統(tǒng)在結構緊湊性和重 量方面存在一定的局限性，較多的應用于地面機器人中；(2)基于單相機的全方位立體視覺系統(tǒng)則是利用兩個或多個反射鏡面之間的特殊 位置關系，在一個透視相機上產(chǎn)生同一場景的兩個像。具體來說，一種結構是采用兩片雙 曲面反射鏡，一反射鏡的焦點與主光軸共線，而另一反射鏡的焦點與光軸成一定夾角。該設 計雖然實現(xiàn)了單相機成立體像，但存在基線較短、系統(tǒng)裝配較困難、對系統(tǒng)結構緊湊性的改 善并不明顯等弊端。另一種結構如專利200510045648. 1所述，由兩雙曲面反射鏡面與一透 視相機構成，兩鏡面主軸均與相機的主光軸共線，減小了系統(tǒng)的橫向尺寸、有效的延長了基 線，并便于系統(tǒng)裝配。但由于透視相機位于反射鏡面下側一定距離處，整個系統(tǒng)的高度仍較 大，對小型/微型無人機飛行穩(wěn)定性會帶來不利影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種結構更加緊湊的單相機全方位立體視覺系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，包括一個 透明圓筒、兩個反射鏡面和一個透視相機，所述的反射鏡面包括上側鏡面和下側鏡面，上側 鏡面安裝于透明圓筒的上端，下側鏡面安裝于透明圓筒的下端；上側鏡面為雙曲面、橢球 面、拋物面、平面鏡中二者構成的組合鏡面，下側鏡面為雙曲面或拋物面；下側鏡面頂部設 有通光孔；上側鏡面與下側鏡面的外徑相同，且上側鏡面與下側鏡面的外徑作為系統(tǒng)的直 徑，該直徑小于透明圓筒的內徑；所述的透視相機安裝于下側鏡面內部，透視相機的鏡頭外 徑小于通光孔直徑，透視相機主光軸與兩反射鏡面主軸共線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(1)結構緊湊，由于采用相機位于鏡面內 部、以及三片鏡片的組合設計，在保證立體成像系統(tǒng)性能的同時，有效降低了系統(tǒng)的高度， 在對視覺系統(tǒng)的體積和重量有嚴格限制的機器人系統(tǒng)中有良好的應用前景；( 較大的視 場角，能夠形成水平360度、垂直向上、向下各一定角度的三維視場，用于深度計算；同時， 無法用于深度計算的圖像區(qū)域，也能夠根據(jù)運動恢復的相關理論，為機器人導航提供信息； (3)快速、精確的深度計算，本發(fā)明的結構保證了立體視覺系統(tǒng)具有合理的基線長，同時，立 體像對的共線特征便于匹配像素的搜索，進而有利于提高深度計算的速度。本發(fā)明從小型/ 微型無人機的應用需求出發(fā)，但可廣泛應用于其他需要獲得大范圍場景立體視覺信息的智 能系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明單相機全方位立體視覺系統(tǒng)的結構示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1的系統(tǒng)結構示意圖。圖3是本發(fā)明實施例2的系統(tǒng)結構示意圖。圖4是本發(fā)明實施例3的系統(tǒng)結構示意圖。圖5是本發(fā)明實施例1所成圖像的仿真圖。圖6是本發(fā)明實施例1的系統(tǒng)結構及成像光路示意圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，包括一個透明圓筒4、兩個反射鏡面和一個透 視相機3，所述的反射鏡面包括上側鏡面1和下側鏡面2，上側鏡面1安裝于透明圓筒4的 上端，下側鏡面2安裝于透明圓筒4的下端；上側鏡面1為雙曲面、橢球面、拋物面、平面鏡 中二者構成的組合鏡面，下側鏡面2為雙曲面或拋物面；下側鏡面2頂部設有通光孔；上側 鏡面1與下側鏡面2的外徑相同，且上側鏡面1與下側鏡面2的外徑作為系統(tǒng)的直徑，該直 徑略小于透明圓筒4的內徑；所述的透視相機3通過緊固螺絲5安裝于下側鏡面2內部，透 視相機3的鏡頭外徑略小于通光孔直徑，透視相機3主光軸與兩反射鏡面主軸共線。本發(fā)明單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，上側鏡面1中一片鏡面作為單獨成像鏡面 la，另一片鏡面作為折返鏡面lb，折返鏡面Ib與下側鏡面2共同構成折返系統(tǒng)成像，在透視相機3的成像平面上，物體的兩個像位于以圖像中心為圓心的射線上；當折返鏡面Ib為平 面鏡、橢球面或雙曲面時，單獨成像鏡面Ia均可為雙曲面或橢球面，下側鏡面2為雙曲面； 當折返鏡面Ib為拋物面時，單獨成像鏡面Ia可為雙曲面或橢球面，下側鏡面2為拋物面。本發(fā)明單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，所述折返鏡面Ib為平面鏡時，透視相機3光 心與單獨成像鏡面Ia的遠焦點重合，并且平面鏡與光心和下側鏡面2的遠焦點距離相等； 當折返鏡面Ib為橢球面或雙曲面時，透視相機3光心與單獨成像鏡面Ia的遠焦點和折返 鏡面Ib的遠焦點三點重合；當折返鏡面Ib為拋物面時，透視相機3光心與折返鏡面Ib的 焦點和單獨成像鏡面Ia的遠焦點三點重合。系統(tǒng)的結構如圖1所示。設計全方位立體視覺系統(tǒng)，需確定鏡面形狀和鏡面與相 機間的相對位置參數(shù)，具體描述如下(1)鏡面形狀具有解析表達式的平面鏡及旋轉曲面中的橢球面、雙曲面及拋物 面形狀的鏡面均滿足普通全方位相機的單視點約束，是常用的反射鏡面。為了進一步構成 結構緊湊的立體視覺系統(tǒng)，上側鏡面由兩部分組成單獨成像鏡面和折返鏡面。前者接收入 射光線并反射后直接在相機上成像；后者與下側鏡面構成折返系統(tǒng)，入射光線經(jīng)過兩次反 射后，在相機上成另一個像。折返鏡面的形狀可為雙曲面、橢球面、拋物面或平面，單獨成像 鏡面可為雙曲面、橢球面或拋物面；下側鏡面可為雙曲面或拋物面。具體的說，當折返鏡面 為平面鏡、橢球面或雙曲面時，單獨成像鏡面均可為雙曲面或橢球面，下側鏡面為雙曲面； 當折返鏡面為拋物面時，單獨成像鏡面可為雙曲面或橢球面，下側鏡面為拋物面。(2)各組成部分間的位置關系在單視點屬性約束下，上側的組合鏡面與下側鏡 面、相機光心的相對位置關系需滿足下列條件上側鏡面中的折返鏡面為平面鏡時，相機光 心0與單獨成像鏡面的遠焦點態(tài)重合，并且平面鏡與光心和下側鏡面的遠焦點巧距離相等， 如圖3 ；當折返鏡面為橢球面或雙曲面時，相機光心0與單獨成像鏡面的遠焦點Fi；和折返鏡 面的遠焦點巧'三點重合，如圖4 ；當折返鏡面為拋物面時，相機光心0與折返鏡面的焦點F和 單獨成像鏡面的遠焦點<三點重合。按照上述原則選擇鏡面形狀及其參數(shù)所建立的視覺系統(tǒng)，能夠利用一個相機獲取 場景的兩幅圖像，其成像的仿真圖如圖5所示，三維空間中一個球體和一個棋盤各成了兩 個像，分別位于兩個同心圓中。本例中的成像系統(tǒng)，上側鏡面為雙曲面和平面鏡的組合、下 側鏡面為雙曲面。圖像的外圈為單獨成像鏡面的成像結果，內圈為折返系統(tǒng)的成像結果。根 據(jù)成像光路，如圖6，即可由圖像計算出特定物點的深度。圖6中，物點P的一束光線經(jīng)線經(jīng) 單獨成像鏡面反射后，在相機的成像平面上成像點Pl ；同時另一束光線經(jīng)折返系統(tǒng)形成另 一個像點p2。并且，兩個像位于以圖像中心為圓心的射線上。因此，可在該射線上進行特征 搜索，得到像素點Pl所對應的匹配像素P2。此后，在以單獨成像鏡面焦點為坐標原點、平行 于成像平面的水平和豎直方向為χ軸和1軸、垂直于成像平面且向上的方向為ζ軸的坐標 系FaXYZ中，物點P的三維坐標(X，Y，Z)可通過以下公式計算獲得令pi的像素坐標為(Ul，V1)，p2的像素坐標為(u2，v2)，則圖6所示的成像過程可 用下述公式來描述
權利要求
1.一種單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，其特征在于包括一個透明圓筒W]、兩個反射鏡 面和一個透視相機[3]，所述的反射鏡面包括上側鏡面[1]和下側鏡面[2]，上側鏡面[1] 安裝于透明圓筒[4]的上端，下側鏡面[2]安裝于透明圓筒[4]的下端；上側鏡面[1]為雙 曲面、橢球面、拋物面、平面鏡中二者構成的組合鏡面，下側鏡面[2]為雙曲面或拋物面；下 側鏡面[2]頂部設有通光孔；上側鏡面[1]與下側鏡面[2]的外徑相同，且上側鏡面[1]與 下側鏡面[2]的外徑作為系統(tǒng)的直徑，該直徑小于透明圓筒的內徑；所述的透視相機[3]安 裝于下側鏡面[2]內部，透視相機[3]的鏡頭外徑小于通光孔直徑，透視相機[3]主光軸與 兩反射鏡面主軸共線。
2.根據(jù)權利要求1所述的單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，其特征在于上側鏡面[1]中 一片鏡面作為單獨成像鏡面[la]，另一片鏡面作為折返鏡面[lb]，折返鏡面[lb]與下側 鏡 面[2]共同構成折返系統(tǒng)成像，在透視相機[3]的成像平面上，物體的兩個像位于以圖像中 心為圓心的射線上；當折返鏡面[lb]為平面鏡、橢球面或雙曲面時，單獨成像鏡面[la]均 可為雙曲面或橢球面，下側鏡面[2]為雙曲面；當折返鏡面[lb]為拋物面時，單獨成像鏡面 [la]可為雙曲面或橢球面，下側鏡面[2]為拋物面。
3.根據(jù)權利要求1所述的單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，其特征在于所述折返鏡面 [lb]為平面鏡時，透視相機[3]光心與單獨成像鏡面[la]的遠焦點重合，并且平面鏡與 光心和下側鏡面[2]的遠焦點距離相等；當折返鏡面[lb]為橢球面或雙曲面時，透視相機 [3]光心與單獨成像鏡面[la]的遠焦點和折返鏡面[lb]的遠焦點三點重合；當折返鏡面 [lb]為拋物面時，透視相機[3]光心與折返鏡面[lb]的焦點和單獨成像鏡面[la]的遠焦 點點軍:ο
4.根據(jù)權利要求1所述的單相機全方位立體視覺系統(tǒng)，其特征在于透明圓筒W]的 材質是玻璃、水晶或雅克力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的基于單相機的全方位立體視覺系統(tǒng)，包括一個透明圓筒，上下兩個特定形狀的反射鏡面和一個透視相機。上側鏡面為雙曲面、橢球面、拋物面、平面鏡中二者構成的組合鏡面；下側鏡面為雙曲面或拋物面。透視相機安裝于下側鏡面的內部，其主光軸與上下兩個反射鏡面的主軸共軸，鏡頭比下側鏡面頂部的通光孔略小。組合鏡面的一部分單獨成像、另一部分與下側鏡面構成折返系統(tǒng)，在一個相機上形成物體的兩個像，且對應像點都位于以圖像中心為圓心的射線上。本發(fā)明結構緊湊、輕便小巧，能形成水平360度、垂直向上、向下各一定角度的三維視場，便于利用深度恢復算法獲取立體視覺信息。
文檔編號G03B35/00GK102053475SQ20101050933
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者肖繼忠, 郭玲 申請人:肖繼忠, 郭玲