[发明专利]一种线阵相机和面阵相机相结合的立体视觉传感器及标定方法

摘要

本发明公开了一种线阵相机和面阵相机相结合的立体视觉传感器及标定方法，视觉传感器可实现物体图像灰度和深度信息的同步获取，该传感器主要包括一个线阵相机，一个面阵相机、一个激光器和其它附件。线阵相机通过线激光器照明获得清晰图像，并与面阵相机构成立体视觉传感器，这时线激光器又作为面阵相机图像中特征，配合极线约束实现线阵相机与面阵相机图像的对应匹配，最后通过立体视觉测量模型实现三维坐标重建。该传感器可通过推扫方式同时获得物体的图像信息和每个像素对应的空间深度信息。本发明可广泛应用于物体识别和故障诊断等领域。

主权项

一种线阵相机与面阵相机结合的立体视觉传感器测量方法，所述采用的线阵相机和面阵相机结合的立体视觉传感器，包括线激光器，面阵相机，线阵相机，图像存储及处理单元，测速及控制单元；线激光器安装在一个三自由度调节机构上，该调节机构放置在线阵相机下部，通过调节机构将激光器投射出的光平面与线阵相机的光学中心与线阵CCD构成的平面重合，保证线激光器给线阵相机提供良好的照明；面阵相机放置在线阵相机一侧，线阵相机和面阵相机连接到图像存储及处理单元上，测速及控制单元用于测量物体速度，并给线阵相机和面阵相机发出触发信号，用于图像采集；其特征在于所述测量方法实现步骤如下：步骤1：通过调节机构将光平面与线阵相机的光学中心和线阵CCD构成的平面调成一个平面，保证在线阵相机测量范围内线激光器都可以为其提供高质量照明；另外，调节面阵相机的拍摄角度，保证面阵相机与线阵相机的视场范围一致；步骤2：完成面阵相机内部参数标定；线阵相机内部参数标定；线阵相机坐标系到面阵相机坐标系之间转换矩阵标定；步骤3：将线阵相机与面阵相机形成的立体视觉传感器放置在合适位置，用于测量在其前面通过的运行物体；测速及控制单元实时测量物体速度，并根据物体速度给线阵相机和面阵相机发出触发信号，保证物体每向前运动一个固定距离，给出对应的触发信号用于线阵相机和面阵相机拍摄运动物体的图像；步骤4：线阵相机和面阵相机接到触发信号采集灰度图像数据传输到图像存储及处理单元；步骤5：根据步骤2中标定结果，通过图像存储及处理单元确定线阵相机与面阵相机灰度图像中的对应点，求解出线阵相机中每个灰度图像点在线阵相机坐标下的三维坐标中的y，z分量，其中，x分量为0；步骤6：测速单元每发出一次触发信号，通过步骤5得到运动物体上一点在线阵相机坐标系下的y，z分量，这些点三维坐标的x分量为0，现根据触发信号序号定义x分量为dn，其中d为触发间隔时间内运动物体移动的单位距离，n为触发信号序号；线阵相机的每一个像素都将对应一个三维坐标，每个像素对应的深度值为该点的z方向分量；步骤7：重复步骤3‑6，以推扫方式连续拍摄运动物体；线阵相机连续拍摄得到运动物体的灰度图像，同时根据步骤5计算出每个灰度图像点的三维坐标；所述步骤5实现如下：步骤51：根据步骤2中标定结果，求解出线阵相机中任意一个图像点pl在面阵相机图像中的极线lr；步骤52：面阵相机图像中，沿着极线lr搜索极线上图像灰度变化，当极线上存在图像灰度大于阈值，且呈近似高斯分布的区域时，该区域即为极线lr与面阵相机图像中光条相交的区域，通过简单的图像处理方法即确定极线lr与光条的相交点pr；步骤53：将相交点pr代入由线阵相机和面阵相机构成的双目立体视觉传感器的数学模型中，求解出每个线阵相机图像的三维坐标，设每个像素对应的深度值为该点三维坐标的z方向分量，进而可以获取对应的深度图；其中，v1,v2分别为线阵相机和面阵相机图像坐标系下无畸变图像坐标和的相应参数；fL,vL0和fFy,vF0分别为线阵相机和面阵相机内部参数矩阵和的相应参数；r22,r23,r32,r33和ty,tz分别为线阵摄像机坐标系Oc1xc1yc1zc1到面阵摄像机坐标系Oc2xc2yc2zc2的旋转矩阵及平移矢量和t12＝[tx ty tz]T的相应参数；由此看出在线阵相机的内参矩阵K1、面阵相机的内参矩阵K2、线阵摄像机坐标系Oc1xc1yc1zc1到面阵摄像机坐标系Oc2xc2yc2zc2坐标系下的旋转矩阵R12、Oc1xc1yc1zc1坐标系到Oc2xc2yc2zc2坐标系下的平移矢量t12已知的情况下，由线阵相机与面阵相机图像中的对应点和通过式(2)就能够计算出线阵相机图像中的每个像素在线阵相机坐标系下的三维坐标中y，z分量，其中，x分量为0。