[发明专利]一种单相机球面镜反射成像投影装置

说明书

本发明涉及一种单相机球面镜反射成像投影装置，其由球面反射镜、摄像机、数据传输线和计算机组成。本发明成像映射模型由三维空间点P经球面反射镜形成球面反射镜像虚拟点，由摄像机拍摄，在图像平面中形成图像点，图像由数据传输线存储到计算机内，根据通用单相机球面镜反射成像模型，计算出图像点的图像像素坐标。本发明首次建立了任意位置和角度下，单相机球面镜反射成像的定量投影模型；实现了空间点经球面镜反射至摄像机平面图像点的投影成像。

技术领域

本发明属于视觉成像技术领域，涉及一种单相机球面镜反射成像投影装置。

背景技术

随着视觉测量的应用需求不断提升，测量场景复杂化，对立体视觉传感器提出了低成本、小型化、轻量化、大视场、快速测量等要求。而目前的双目视觉测量方法，主要针对光照均匀、无遮挡或较少反射的强约束场景，仅适用于特定条件下的三维测量需求，如室内环境。单相机镜像双目视觉测量模式融合了传统双目视觉测量的优点，对比传统双目测量模式，具有系统构成简单、组件配置灵活、可控参数多、结构易小型化、可集成等优点，双目图像左右视图的采集具有天然的同步性，避免了传统双目相机难以同步采集的弊端。同时，由于镜像双目视觉测量模式易于集成，逐渐出现单相机镜像双目传感器的相关研究。镜像双目传感器由单个工业相机与光学折反射元件组合构成，大大降低了成本，提高了视觉传感器在受限空间及复杂场景的适用性。

传统的双目立体视觉系统通常由两相机构成，体积大、操作复杂、测量速度慢，且难以保证图像采集的同时性，为解决这些问题，可采用单相机与光学折反射元件组合的方式构建镜像双目立体视觉系统，缩小了测量系统体积，提高了测量速度。但由于平面折反射镜像双目系统在相同尺寸图像上呈现两个像，导致测量视场减半，使得平面镜的系统视场范围较小，难以满足宽视场测量需求。针对这种弊端，国内外研究人员对宽视场成像技术、基于曲面折反射原理的镜像双目展开研究，基于镜像立体视觉原理，进一步研究单相机凸面镜新型镜像立体视觉测量系统，旨在使小型视觉传感器具有更宽的视场范围。利用特殊镜头，或将测量系统中的光学折反射元件由平面镜替换为凸曲面镜，对空间场景进行成像，视场范围显著扩大。典型的曲面镜类型有：抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜、锥面镜、球面镜等。

国内外许多研究机构和学者对折反射相机成像进行了研究，建立了各种单相机折反射成像模型。1999年Baker和Nayar为解决传统摄像机视场范围受限的问题，采用折反射元件与摄像机组合扩展视场范围，分析了不同面型的折反射投影成像，推导了不同面型折反射结构的单视点限制，建立了单视点成像模型；2001年Geyer分析了折反射透视几何，针对折反射相机建立了透视投影模型，证明了折反射投影中点与线存在对偶关系，并采用抛物面镜从任意位置的单视点直线估计了焦距和图像中心；2004年Mei提出了一种利用平面网格标定单视点全向传感器的方法，通过标准圆和标准平面建立统一成像模型。以上研究均针对单相机折反射结构建立了投影模型，但缺陷在于，模型中要求摄像机与折反射镜共轴，然而在实际装配中难以保证，从而产生成像偏差，同时，中心折反射结构存在应用局限性，在成像方向和视场范围方面难以灵活应用于不同场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种单相机球面镜反射成像投影装置，采用离轴非中心对称的单相机球面镜结构可以在获得更大视场范围的同时，有效提高应用灵活性；同时建立离轴非中心式球面镜反射成像模型，实现空间中三维点经球面镜反射至单相机成像面二维图像点的投影映射，适用于复杂场景及受限空间。

本发明的技术解决方案是：一种单相机球面镜反射成像投影装置，其特征在于：由空间点P(4)、球面反射镜(1)、摄像机(2)、数据传输线(8)和计算机(9)组成；

摄像机(2)与球面反射镜(1)离轴非中心对称放置，距离为200～500mm；