[发明专利]全景环带立体成像系统及其标定方法与成像方法

说明书

本发明公开了一种全景环带立体成像系统及其标定方法与成像方法。包括两个结构相同的同光轴上下间隔布置的全景环带成像单元，形成立体成像系统，其投影模型符合f‑θ模型；用棋盘格标定板对成像单元拍摄标定获得内参，然后同时拍摄相同的标定板获得外参，建立基于任意成像单元的局部坐标系，利用外参的投影矩阵旋转两个局部坐标系，使得坐标系三个轴方向相同且同光轴；光线进入两个成像单元后，经过多次折射和反射后成像在各自的成像面上，根据内参和外参获得两个成像点各自距离光轴之间的径向距离，两者差值结合基线距计算出该物点的空间坐标。本发明不需要转动设备就能实现360°无盲区的距离测量和立体成像，实时性好，计算过程简单。

技术领域

本发明涉及一种全景立体成像光学系统，以及视觉测量领域，尤其涉及了一种全景环带立体成像系统及其标定方法与成像方法。

背景技术

基于平面圆柱投影原理的全景环带成像技术是一种与传统中心投影原理截然不同的新成像技术，可在无需转动成像系统的条件下，将周围360°的环带景物一次性地成像在同一个环带像面上，从光学原理上实现了360°全景凝视成像。如专利US Patent 4,566,763,1986和US Patent 5,473,474,1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法FCP(FlatCylinder Perspective)，将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。

通过上下同轴放置的存在一定光轴方向位移的两个全景环带镜头单元不仅可以实现360°范围内无盲区的实时监控，还可以通过三角测量法计算出图像中物体与系统的距离，可以实现无死角的报警，并且该方法不需要后期的图像拼接，实时性好，算法简单，可以广泛的应用于机器人和车载系统中。

由于全景环带镜头的视场极大，往往可以超过180°，一般的f-tanθ投影模型已不能适用，因此需要提出一种新的全景立体成像系统的标定方法，并且本方案不同于传统的双目视觉，并非左右设置两套光学系统，而是上下放置，因此其标定方法也较为特殊。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服了现有技术的不足，提供了一种全景环带立体成像系统及其标定方法与成像方法，可以在不需要拼接与旋转机构的情况下获得360°环境中的物体距离。

本发明采用的技术方案是：

一、一种全景环带立体成像系统：

包括两个结构相同的同光轴上下间隔布置的全景环带成像单元，两个成像单元的光轴同轴并垂直于地面，形成立体成像系统，全景环带成像单元的投影模型均符合f-θ成像模型。

一般的无畸变模型符合f-tanθ模型，即实际像高和入射角的关系为f×tanθ，因此在接近90°时理论像高为无限大，而全景环带透镜的入射角会高于90°，因此通过引入桶形畸变的方法来避免像高无限大的情况，这类型的成像模型的实际像高和入射角的关系为f×θ。

所述成像系统使用时光轴垂直于地面放置，与光轴垂直的直线为水平线，两个全景环带成像单元将绕光轴360°范围之内、水平线以下0°～20°、水平线以上0°～80°范围内的物体发出的光线投影到两个全景环带成像单元各自的成像面上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。

所述的两个全景环带成像单元沿光轴方向的基线距d为10mm～100mm。

所述的全景环带成像单元包括同一光轴下的环形折射面、环形反射面、圆形反射面、圆形折射面、中继转向透镜和成像面，环形折射面作为入射面，环形反射面位于环形折射面的正下方且其反射面朝上，圆形反射面连接在环形折射面的中心且其反射面朝下，圆形折射面连接在环形反射面的中心；入射光从环形折射面折射入射，经环形反射面反射到圆形反射面上，再经圆形反射面反射后经圆形折射面折射后出射，出射的光经中继转向透镜汇聚到成像面上。

二、一种全景环带立体成像系统的标定方法，步骤如下：