專利名稱：一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，用于機(jī)器人導(dǎo) 航、三維重建等，屬于機(jī)器視覺領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
立體視覺技術(shù)在移動機(jī)器人導(dǎo)航、多目標(biāo)跟蹤、三維測量和三維重建方 面得到了廣泛的應(yīng)用。目前存在很多種應(yīng)用于機(jī)器人的立體攝像機(jī)，如加拿
大灰點(diǎn)公司(Point Grey Research Inc)生產(chǎn)的Bumblebee系列立體攝像機(jī)， Bumblebee2由兩個并排的CCD圖像傳感器構(gòu)成，鏡頭可為焦距為3.8mm或 者6mm的微鏡頭，基線長度是12cm，通過1394線與PC機(jī)相連，圖像匹配 等算法在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可構(gòu)建實(shí)時的深度圖。美國Videre Design公司生產(chǎn) 基線可以手動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，如STH-MDCS3-VAR型號的立體攝像 機(jī)，由兩個并排的CMOS圖像傳感器組成，基線長度可以在5-20cm之間調(diào)節(jié)， 鏡頭可以選擇各種C/CS接口的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，圖像匹配等算法工作在PC機(jī)上實(shí) 現(xiàn)，可以獲得實(shí)時的深度圖，另外的一種STH-MDCS3-VARX型號的攝像機(jī)， 基線長度可以在18-60cm之間以步長7cm調(diào)節(jié)，其他各種參數(shù)與 STH-MDCS3-VAR類似。湖南大學(xué)的王耀南，余洪山，梁昂，段峰的發(fā)明專 利(專利申請?zhí)?3124756.3)…仿人多自由度立體雙目視覺裝置，其主要用 途是自動獲取三維環(huán)境信息，具有攝像機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)，仰俯動作，兩個攝像 機(jī)的聚散度調(diào)整四個自由度，可通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動部分快速、 動態(tài)的交互調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了類似人眼睛和頭部的運(yùn)動功能，具有一定的智能性。 目前雙目立體攝像機(jī)主要存在以下問題
雙目立體攝像機(jī)的兩個攝像機(jī)之間的距離，即基線長度是無法自動調(diào)節(jié)
的，如上面所述，加拿大灰點(diǎn)公司(Point Grey Research Inc)生產(chǎn)的Bumblebee2 的基線長度是固定的，Videre Design公司生產(chǎn)的STH-MDCS3-VAR(X)，基線
長度雖然可以調(diào)節(jié)，但是這種調(diào)節(jié)是在使用之前進(jìn)行的，無法在工作過程中 實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。湖南大學(xué)王耀南等的發(fā)明專利---仿人多自由度立體雙目視覺裝置， 兩個攝像機(jī)雖然具有自動聚散度調(diào)整的功能，但是這種調(diào)整是憑借攝像機(jī)的 旋轉(zhuǎn)形成的，沒有改變基線的長度，并且攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)之后會給圖像匹配與深 度計(jì)算等算法帶來很大的難度。 實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基線長度可 以自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，本實(shí)用新型具有高精度的伺服控制性能，可 以精確調(diào)節(jié)基線的長度，從而改變兩個攝像機(jī)共同可視范圍的大小，能有效 計(jì)算圖像的深度信息，可以應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤、三維重建等領(lǐng)域。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案。它包括立體成像部 分，立體視覺信息處理部分和電機(jī)傳動部分。所述的立體成像部分包括兩個 CCD圖像傳感器，兩個CCD圖像傳感器安裝在支架上的兩根平行滑竿上，其中 的一個CCD圖像傳感器與電機(jī)傳動部分相連，受其引導(dǎo)可以在支架上沿滑竿
滑動，另一個CCD圖像傳感器與滑竿固定連接。所述的立體視覺信息處理部 分為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器相連，接收來自兩個CCD 圖像傳感器的圖像信息并進(jìn)行處理；嵌入式圖像處理器與電機(jī)傳動部分相連。
所述的電機(jī)傳動部分包括有電機(jī)、控制電機(jī)運(yùn)動的運(yùn)動控制卡和皮帶， 皮帶與其中的一個CCD圖像傳感器通過連接塊固定連接，運(yùn)動控制卡與電機(jī) 相連，用來驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，運(yùn)動控制卡還與立體視覺信息處理部分的嵌入 式圖像處理器相連。
還包括有上位機(jī)，上位機(jī)分別與立體視覺信息處理部分和電機(jī)傳動部分的 運(yùn)動控制卡相連。
所述的電機(jī)為帶有電機(jī)編碼器的直流伺服電機(jī)。
本實(shí)用新型的雙目攝像機(jī)始終保持兩個攝像機(jī)的光軸平行，兩個攝像機(jī)
的圖像平面在同一個平面，滿足最基本的雙目立體幾何關(guān)系，根據(jù)三角形相 似原理，得出場景中某點(diǎn)的深度2 =與，其中/為焦距，6為基線距離，d為
左右圖像匹配得出的視差。當(dāng)基線長度變換時，只需改變公式中的6值。同時 從上面的深度計(jì)算公式可以看出，為提高深度值的精度可以增大基線長度" 基線長度增大時，兩個攝像機(jī)的可視范圍增大，有利于物體的搜索與跟蹤， 但是共同可視范圍減少，由此場景點(diǎn)對應(yīng)的視差值增大，為圖像匹配增加了 難度。根據(jù)上面的原理，根據(jù)不同時間不同地點(diǎn)的任務(wù)需要，可以實(shí)時的改 變基線長度，在本實(shí)用新型中基線長度的調(diào)節(jié)范圍為5 20cm。
本實(shí)用新型通過獲取兩個圖像傳感器的信息來完成多項(xiàng)任務(wù)。如可以獲
取空間物體的三維信息，跟蹤空間中的某個目標(biāo)。獲取空間物體的三維信息
的工作原理為其中一個圖像傳感器的光軸在運(yùn)動過程中始終與另外一個圖
像傳感器的光軸平行，兩個傳感器的圖像平面位于同一個平面上，空間中的
一點(diǎn)在兩個圖像平面上的投影位置是不同的，其坐標(biāo)差值稱為視差，根據(jù)三
角形相似原理，借助兩個圖像傳感器之間的距離，即基線長度，可以獲得空
間該點(diǎn)的深度，同時結(jié)合攝像機(jī)定標(biāo)技術(shù)可以得到這點(diǎn)的三維信息。跟蹤空
間中某個目標(biāo)的工作原理為首先需要在兩個傳感器的視野中尋找目標(biāo)或者
人為的指定某個目標(biāo)，然后運(yùn)用圖像跟蹤的算法，在當(dāng)前視野中不斷尋找，
直到找到合適的目標(biāo)。在各種應(yīng)用情況下的各種任務(wù)中，需要的兩個圖像傳
感器之間的基線長度是不一樣的，當(dāng)基線長度大時，兩個攝像機(jī)的共同可視
范圍小，其可視范圍的并集較大，有利于目標(biāo)的跟蹤，但是這時候只能計(jì)算
較遠(yuǎn)處目標(biāo)的三維信息；當(dāng)基線長度小時，兩個攝像機(jī)的共同可視范圍大，
能計(jì)算較近處目標(biāo)的三維信息，但是兩個攝像機(jī)可視范圍的并集比較小，不 利于物體的搜索與跟蹤。同時，通過公式z-^(/為焦距，6為基線距離，rf
為左右圖像匹配得出的視差)可以看出，基線長度大的時候，計(jì)算出的物體的 深度信息精度比較大，但是當(dāng)基線長度大時，又給物體的匹配增加了難度。
本實(shí)用新型的有益效果在于相對基線長度固定的雙目攝像機(jī)，本實(shí)用新 型增加了一個基線長度調(diào)節(jié)的自由度，類似于人眼的會聚功能，這樣可以讓 本實(shí)用新型在使用過程中自由的變換基線的長度，使本實(shí)用新型工作在適應(yīng) 各項(xiàng)任務(wù)的最佳狀態(tài)，以滿足匹配或者跟蹤等不同任務(wù)的要求，同時這種基
線長度的變化又沒有對算法過程帶來大的難度(從上面的公式看出只需改變 其中一個值)，本實(shí)用新型可以適應(yīng)較為復(fù)雜的視覺任務(wù)，具有一定的靈活性。

圖1為本實(shí)用新型的基本組成框圖
圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本實(shí)用新型的立體視覺模型圖
圖4為本實(shí)用新型的功能結(jié)構(gòu)方框圖
圖中1、立體視覺信息處理部分，2、立體成像部分，3、電機(jī)傳動部 分，4、支架，5、 CCD圖像傳感器，6、連接塊，7、電機(jī)，8、從動輪，9、 皮帶，10、圖像平面，11、基線，12、共同可視范圍，13、上位機(jī)，14、運(yùn) 動控制卡。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1 4對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明
本實(shí)施例包括立體視覺信息處理部分1、立體成像部分2和電機(jī)傳動部分 3。如圖1所示，立體視覺信息處理部分1接收立體成像部分2采集的同步圖 像，實(shí)時的計(jì)算圖像的深度圖，立體視覺信息處理部分1根據(jù)任務(wù)和處理效 果的需要，實(shí)時地把基線11的長度調(diào)整指令發(fā)送給電機(jī)傳動部分3，電機(jī)傳 動部分3作用于立體成像部分1，實(shí)現(xiàn)兩個CCD圖像傳感器5之間基線11長 度的調(diào)整。如圖3所示，兩個CCD圖像傳感器5的圖像平面IO共面，當(dāng)基 線長度11調(diào)整時，兩個圖像傳感器5的共同可視范圍12會發(fā)生變化。
如圖2所示，立體成像部分2包括兩個CCD圖像傳感器5，安裝在具有 兩根平行滑竿的支架4上，其中一個CCD圖像傳感器5固定在支架4上，另 外一個可以由電機(jī)傳動部分3引導(dǎo)在支架4上自由滑動。電機(jī)傳動部分3包 括一個直流伺服電機(jī)7，運(yùn)動控制卡14和皮帶9。電機(jī)7通過皮帶9帶動從 動輪8轉(zhuǎn)動，皮帶9通過連接塊6與一個CCD圖像傳感器5固定連接，由此 電機(jī)7通過此連接帶動一個CCD傳感器5沿著滑竿滑動。
立體成像部分的CCD圖像傳感器5為逐行掃描方式，更適合于動態(tài)環(huán)境 下圖像的采集，可以配備各種型號的標(biāo)準(zhǔn)C/CS接口的鏡頭。
立體視覺信息處理部分1為一塊嵌入式圖像處理器，本實(shí)施例選用的是 一塊DSP處理器，上面配有編解碼芯片、RS232串行接口和IEEE1394串行 總線接口，該處理器既可以通過RS232接口與運(yùn)動控制卡14相連實(shí)現(xiàn)電機(jī)7 的控制，也可以與上層的上位機(jī)13通過1394接口相連實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時 傳輸。
電機(jī)傳動部分的電機(jī)7為直流伺服電機(jī)，設(shè)有電機(jī)編碼器，通過皮帶9 與其中的一個CCD圖像傳感器5連接，可以精確定位圖像傳感器的位置。運(yùn) 動控制卡14上的RS232接口既可以與立體視覺信息處理部分1的DSP處理 器相連也可以與上位機(jī)13相連，滿足多種應(yīng)用環(huán)境。
CCD圖像傳感器5采集的同步圖像信息傳輸?shù)搅Ⅲw視覺信息處理部分1， 在立體視覺信息處理部分1完成兩個圖像的匹配工作，根據(jù)匹配效果的好壞 確定基線11的長度，然后通過串口把基線11長度調(diào)節(jié)的指令發(fā)送給運(yùn)動控 制卡14，運(yùn)動控制卡14驅(qū)動電機(jī)7，電機(jī)7通過皮帶9，帶動其中的一個圖 像傳感器5到達(dá)指定的位置。同時立體視覺處理部分1還可以把圖像傳感器5 采集到的圖像或者處理過的圖像通過1394接口發(fā)送給上位機(jī)13，上位機(jī)13 可以做一些高層的工作，如跟蹤目標(biāo)，機(jī)器人的導(dǎo)航等，上位機(jī)13可以根據(jù) 任務(wù)的需要調(diào)節(jié)基線11的長度，然后通過串口把指令發(fā)送給運(yùn)動控制卡14, 由運(yùn)動控制卡14驅(qū)動電機(jī)7實(shí)現(xiàn)圖像傳感器5的運(yùn)動。
權(quán)利要求1、一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，包括有立體成像部分(2)，所述的立體成像部分(2)包括有兩個CCD圖像傳感器(5)；其特征在于還包括有立體視覺信息處理部分(1)和電機(jī)傳動部分(3)；其中所述的立體視覺信息處理部分(1)為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器(5)相連，接收來自兩個CCD圖像傳感器(5)的圖像信息并進(jìn)行處理，兩個CCD圖像傳感器(5)安裝在支架(4)上的兩根平行滑竿上，其中的一個CCD圖像傳感器(5)與電機(jī)傳動部分(3)相連，受其引導(dǎo)可在支架(4)上沿滑竿滑動，另一個CCD圖像傳感器(5)與滑竿固定連接；電機(jī)傳動部分(3)與嵌入式圖像處理器相連；
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，其特征 在于所述的電機(jī)傳動部分(3)包括有電機(jī)(7)、控制電機(jī)(7)運(yùn)動的運(yùn) 動控制卡(14)和皮帶(9)，皮帶(9)與其中的一個CCD圖像傳感器(5) 通過連接塊(6)固定連接，運(yùn)動控制卡(14)與電機(jī)(7)相連，用來驅(qū)動 電機(jī)(7)的運(yùn)動，運(yùn)動控制卡(14)與立體視覺信息處理部分(1)的嵌入 式圖像處理器相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，其特征 在于還包括有上位機(jī)(13)，上位機(jī)(13)分別與立體視覺信息處理部分(1) 和電機(jī)傳動部分(3)的運(yùn)動控制卡(14)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，其特征 在于所述的電機(jī)(7)為帶有電機(jī)編碼器的直流伺服電機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機(jī)，用于機(jī)器人導(dǎo)航、三維重建等，屬于機(jī)器視覺領(lǐng)域。它包括立體成像部分、立體視覺信息處理部分和電機(jī)傳動部分。立體成像部分包括兩個CCD圖像傳感器，兩個CCD圖像傳感器安裝在兩根平行滑竿上，其中的一個CCD圖像傳感器與電機(jī)傳動部分相連，受其引導(dǎo)可以在支架上沿滑竿滑動，另一個CCD圖像傳感器與滑竿固定連接。立體視覺信息處理部分為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器相連，嵌入式圖像處理器與電機(jī)傳動部分相連。相對基線長度固定的雙目攝像機(jī)，本實(shí)用新型增加了一個基線長度調(diào)節(jié)的自由度，可以在使用過程中變換基線的長度，以滿足匹配或者跟蹤等不同任務(wù)的要求。
文檔編號H04N13/02GK201188667SQ20082008026
公開日2009年1月28日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者于乃功, 亮 孫, 勝 王, 秦永鋼, 阮曉鋼, 龔道雄 申請人:北京工業(yè)大學(xué)