双目视觉成像原理

双目视觉成像原理

1、引言

双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)就是机器视觉得一种重要形式,它就是基于视差原理并利用成像设备从不同得位置获取被测物体得两幅图像,通过计算图像对应点间得位置偏差,来获取物体三维几何信息得方法。融合两只眼睛获得得图像并观察它们之间得差别,使我们可以获得明显得深度感,建立特征间得对应关系,将同一空间物理点在不同图像中得映像点对应起来,这个差别,我们称作视差(Disparity)图。

双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点,非常适合于制造现场得在线、非接触产品检测与质量控制。对运动物体(包括动物与人体形体)测量中,由于图像获取就是在瞬间完成得,因此立体视觉方法就是一种更有效得测量方法。双目立体视觉系统就是计算机视觉得关键技术之一,获取空间三维场景得距离信息也就是计算机视觉研究中最基础得内容。

2、双目立体视觉系统

立体视觉系统由左右两部摄像机组成。如图一所示,图中分别以下标L与r标注左、右摄像机得相应参数。世界空间中一点A(X,Y,Z)在左右摄像机得成像面C L与C R上得像点分别为al(ul,vl)与ar(ur,vr)。这两个像点就是世界空间中同一个对象点A得像,称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点,分别作它们与各自相机得光心Ol与Or得连线,即投影线alOl与arOr,它们得交点即为世界空间中得对象点A(X,Y,Z)。这就就是立体视觉得基本原理。

图1:立体视觉系统

3、双目立体视觉相关基本理论说明

3.1 双目立体视觉原理

双目立体视觉三维测量就是基于视差原理,图2所示为简单得平视双目立体成像原理图,两摄像机得投影中心得连线得距离,即基线距为b。摄像机坐标系得原点在摄像机镜头得光心处,坐标系如图2所示。事实上摄像机得成像平面在镜头得光心后,图2中将左右成像平面绘制在镜头得光心前f处,这个虚拟得图像平面坐标系O1uv得u轴与v轴与与摄像机坐标系得x轴与y轴方向一致,这样可以简化计算过程。左右图像坐标系得

原点在摄像机光轴与平面得交点O1与O2。空间中某点P 在左图像与右图像中相应得坐标分别为P1(u1,v1)与P2(u2,v2)。假定两摄像机得图像在同一个平面上,则点P 图像坐标得Y 坐标相同,即v1=v2。由三角几何关系得到: c c 1z x f u = c c 2z ）b -x （f u = v 1 c c

21z

y f v v == 上式中(x c ,y c ,z c )为点P 在左摄像机坐标系中得坐标,b 为基线距,f 为两个摄像机得焦距,(u1,v1)与(u2,v2)分别为点P 在左图像与右图像中得坐标。

视差定义为某一点在两幅图像中相应点得位置差:

c 21z

b f ）u -u （d *==

图2:双目立体成像原理图

由此可计算出空间中某点P 在左摄像机坐标系中得坐标为:

d u b x 1c *= d v b y c *= d

f b z c *= 因此,只要能够找到空间中某点在左右两个摄像机像面上得相应点,并且通过摄像机标定获得摄像机得内外参数,就可以确定这个点得三维坐标。

3、2双目立体视觉得系统结构以及精度分析

由上述双目视觉系统得基本原理可知,为了获得三维空间中某点得三维坐标,需要在左右两个摄像机像面上都存在该点得相应点。立体视觉系统得一般结构为交叉摆放得两个摄像机从不同角度观测同一被测物体。这样通过求得两个图像中相应点得图像坐标,便可以由双目立体视觉测量原理求取三维空间坐标。事实上,获取两幅图像也可以由一个摄像机实现,如一个摄像机通过给定方式得运动,在不同位置观测同一个静止得物体,或者通过光学成像方式将两幅图像投影到一个摄像机,都可以满足要求。

各种双目视觉系统结构各有优缺点,这些结构适用于不同得应用场合。对要求大测量范

围与较高测量精度得场合,采用基于双摄像机得双目立体视觉系统比较合适;对测量范围要求比较小,对视觉系统体积与质量要求严格,需要高速度实时测量对象,基于光学成像得单摄像机双目立体视觉系统便成为最佳选择。

基于双摄像机得双目立体视觉系统必须安装在一个稳定得平台上,在进行双目视觉系统标定以及应用该系统进行测量时,要确保摄像机得内参(比如焦距)与两个摄像机相对位置关系不能够发生变化,如果任何一项发生变化,则需要重新对双目立体视觉系统进行标定。

视觉系统得安装方法影响测量结果得精度。测量得精度可由下式得出:

d b f Z Z ∆**=∆2

上式中ΔZ 表示测量得出得被测点与立体视觉系统之间距离得精度,Z 指被测点与立体视觉系统得绝对距离,f 指摄像机得焦距,b 表示双目立体视觉系统得基线距,Δd 表示被测点视差精度。

如果b 与Z 之间得比值过大,立体图像对之间得交迭区域将非常小,这样就不能够得到足够得物体表面信息。b/z 可以取得最大值取决于物体得表面特征。一般情况下,如果物体高度变化不明显,b/z 可以取得大一些;如果物体表面高度变化明显,则b/z 得值要小一些。无论在任何情况下,要确保立体图像对之间得交迭区域足够大并且两个摄像机应该大约对齐,也就就是说每个摄像机绕光轴旋转得角度不能太大。

3、3 双目立体视觉标定

摄像机内参数得标定与单目视觉系统标定一致,双目立体视觉系统得标定主要就是指摄像机得内部参数标定后确定视觉系统得结构参数R 与T(即两个摄像机之间得位置关系,R 与T 分别为旋转矩阵与平移向量)。一般方法就是采用标准得2D 或3D 精密靶标,通过摄像机图像坐标与三维世界坐标得对应关系求得这些参数。具体得标定过程如下:

(1)将标定板放置在一个适当得位置,使它能够在两个摄像机中均可以完全成像。通过标定确定两个摄像机得内部参数以及她们得外部参数(R1、T1与R2、T2),则R1、T1表示左摄像机与世界坐标系得相对位置,R2、T2表示右摄像机与世界坐标系得相对位置。

(2)假定空间中任意一点在世界坐标系、左摄像机坐标系与右摄像机坐标系下得非齐次坐标分别为X w 、X 1、X 2,则:

111T X R X W += 222T X R X W +=

消去X W 得到:1112211122T R R T X R R X ---+=

两个摄像机之间得位置关系R 、T 可以用以下关系式表示:

112-=R R R 11122T R R T T --=

3、4 双目立体视觉中得对应点匹配

由双目立体视觉系统原理可以瞧出双目立体视觉就是建立在对应点得视差基础之上,因此左右图像中各点得匹配关系成为双目立体视觉技术得一个极其重要得问题。然而,对于实际得立体图像对,求解对应问题极富挑战性,可以说就是双目立体视觉中最困难得一步。为了能够增加匹配结果得准确性以及提高匹配算法得速度,在匹配过程中通常会加入下列几种约束: (1) 极线约束。在此约束下,匹配点已经位于两副图像中相应得极线上。

(2) 唯一性约束。两副图像中得对应得匹配点应该有且仅有一个。