一種基于激光與視覺的實時三維成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光與視覺的實時三維成像系統(tǒng)，由視覺處理子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu)三大部分組成。攝像頭在獲取目標(biāo)圖像，交由視覺處理計算機(jī)進(jìn)行處理，獲得在圖像坐標(biāo)中的三維位置信息，發(fā)送到公共存儲區(qū)，控制計算機(jī)首先從公共存儲區(qū)獲得三維位置信息經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和實時成像，測得深度信息反饋到視覺計算機(jī)從而得出目標(biāo)的三維信息。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離精度高、主動性好、實時快速、成本低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于激光與視覺的實時三維成像系統(tǒng)
[【技術(shù)領(lǐng)域】]
[0001]本專利涉及屬于計算機(jī)視覺、三維成像及體感交互領(lǐng)域，用于快速準(zhǔn)確獲得物體的三維位置信息。
[技術(shù)背景]
[0002]目前，使用雙目立體視覺是獲得目標(biāo)三維位置信息的主要手段。常用的方法是由兩個攝像頭同步獲得立體圖像對，再根據(jù)立體視覺的原理，計算出圖像公共視野里每一點(diǎn)的深度信息，生成深度圖，再提取出目標(biāo)對應(yīng)的深度信息，來確定目標(biāo)的三維位置信息.但這些設(shè)備都存在以下問題:
[0003]1.遠(yuǎn)距離精度低:以前研究的雙目及多日立體視覺在測量近距離目標(biāo)時(5米以內(nèi))具有比較高的精度(I毫米以上)，在較遠(yuǎn)距離(5米以外)精度很差甚至無法測量。
[0004]2.主動性差:當(dāng)空間三維場景在攝像機(jī)中被投影為二維圖像時同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會有很大不同，而且場景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合在單一的圖像灰度值里。顯然，要從包含了如此之多不利因素的圖像里很難準(zhǔn)確地求得高精度的深度信息。而在應(yīng)用中，大部分情況下也是不需要對每一個點(diǎn)求深度信息的。因此，許多計算是沒有必要的，也缺乏主動選擇目標(biāo)的能力。
[0005]3.運(yùn)算量大，實時性差z立體視覺要求能夠求解一對立體圖像中的每一個對應(yīng)點(diǎn)，圖像所包含的豐富信息，使得逐點(diǎn)對應(yīng)匹配的速度很慢，而且易產(chǎn)生“病態(tài)”計算問題。雖然為解決此問題，在正則化框架下加入了一定約束，使問題轉(zhuǎn)化為求多條件函數(shù)的最優(yōu)解，但大大增加了計算難度和計算量，使視覺處理速度難以提高，無法滿足實時性要求，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。為了提高視覺子系統(tǒng)對目標(biāo)三維定位的主動性，降低立體視覺圖像處理的計算量和提高系統(tǒng)的實時性，主動快速的獲得目標(biāo)的位置信息，本發(fā)明提供了一種基于激光散斑的實時三維成像系統(tǒng)
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]整個系統(tǒng)由視覺處理子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu)三大部分組成。視覺處理子系統(tǒng)由視覺處理計算機(jī)、攝像機(jī)、激光散斑發(fā)射器組成。本發(fā)明所采用的攝像機(jī)為USB相機(jī)?？刂谱酉到y(tǒng)包括控制計算機(jī)(內(nèi)置DIA板、memo-link子卡)、驅(qū)動器、電機(jī)(集成軸角編碼器)。
[0007]機(jī)械機(jī)構(gòu)由軸承及用于安裝電機(jī)、攝像頭和激光散斑發(fā)射器的固定支架組成，具有二維自由度，主要起安裝和支撐的作用。具體構(gòu)架為:兩個與圖像采集卡兼容的攝像機(jī)固定在機(jī)械機(jī)構(gòu)內(nèi)的長方體形支架上，在兩個攝像機(jī)的中點(diǎn)處安放著激光散斑發(fā)射器的發(fā)射部分也就是半導(dǎo)體激光器，在激光器的正上方安裝著激光散斑發(fā)射器的接收部分即一個帶有直徑4厘米焦距8厘米聚焦鏡頭的線陣CCD。在長方體固定支架的后方水平放置著一個15瓦的無刷直流電機(jī)，電機(jī)直徑為4厘米長為10厘米內(nèi)置軸角編碼器，用于驅(qū)動系統(tǒng)上下轉(zhuǎn)動CY軸方向)到指定角度。在其下方為一個筒裝支架，外徑為6厘米，內(nèi)徑為4厘米，里面安裝了一個15瓦的無刷直流電機(jī)，該電機(jī)與水平放置電機(jī)完全相間，用于驅(qū)動系統(tǒng)左右轉(zhuǎn)動ex軸方向)到指定角度。
[0008]由攝像機(jī)獲取前方目標(biāo)的圖像后，，獲得目標(biāo)位置信息，將其存儲在安裝于視覺計算機(jī)PCI插槽內(nèi)memo-link主卡的公共存儲區(qū)內(nèi)?？刂朴嬎銠C(jī)由memo-link子卡從公共存儲區(qū)獲得二維位置信息并將視覺坐標(biāo)系下目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)化為以激光發(fā)射器為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下的位置信息，計算出目標(biāo)偏移原點(diǎn)的控制量，再通過12位的DIA轉(zhuǎn)換器分別將控制量輸出到電機(jī)的驅(qū)動器來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動并同時通過電機(jī)內(nèi)置的軸角編碼器構(gòu)成的反饋回路來控制電機(jī)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動到要求的角度一一即將目標(biāo)就位于激光散斑發(fā)射器的發(fā)射端也就是半導(dǎo)體激光器的正前方，激光器可以準(zhǔn)確地照射到待測目標(biāo)上，激光散斑發(fā)射器接收端的聚焦透鏡將目標(biāo)的反射信號匯聚到線陣CCD上，根據(jù)線陣CCD的輸出用三角測量法計算出目標(biāo)的距離信息(也就是深度信息)，最后檢測到的深度信息和二維位置信息反饋到視覺計算機(jī)便顯示出了目標(biāo)的三維位置信息。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1.精度高。激光散斑發(fā)射器有很高的精度，除了能夠在近距離(5米以內(nèi))的距離內(nèi)實現(xiàn)立體視覺的精度，尤其是在測量較遠(yuǎn)距離(> 5米)的目標(biāo)時，有立體視覺無法比擬的精度和穩(wěn)定性。
[0011]2.造價低。本發(fā)明使用了雙CPU的結(jié)構(gòu)，該CPU也可以用DSP或者M(jìn)CU等代替，t匕類似產(chǎn)品價格低，
[0012]3.實時快速。本發(fā)明中目標(biāo)的深度信息不用對立體圖像進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)匹配，因此速度快，實時性非常好。
[0013]4.工藝簡單。機(jī)械部分僅由實現(xiàn)兩個自由度的電機(jī)和固定攝像頭、激光散斑發(fā)射器的安裝支架組成，加工、安裝方便。
[0014]而且本發(fā)明還具有體積小重量輕的特點(diǎn)，可以很容易集成到其他系統(tǒng)中，作為一種功能單元存在。
[【專利附圖】

【附圖說明】]
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】:下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖
[0017]圖2是機(jī)械機(jī)構(gòu)的俯視圖
[0018]圖3是視覺子系統(tǒng)工作流程圖
[0019]圖1，中:1.系統(tǒng)框架，2.攝像機(jī)，3.激光散斑發(fā)射器，4.圖像傳輸U(kuò)SB線，
[0020]圖2,中:1.系統(tǒng)框架,2.激光散斑發(fā)射器,3.相機(jī),4.濾光毛玻璃
[【具體實施方式】]
[0021]該系統(tǒng)實現(xiàn)三維定位的具體步驟如下:
[0022]第一步:攝像機(jī)將視野中的目標(biāo)的圖像，送至視覺處理計算機(jī)內(nèi)
[0023]第二步:視覺處理計算機(jī)計算出目標(biāo)在視覺平面的二維位置并將該信息發(fā)送到公共存儲區(qū)
[0024]第三步:控制計算機(jī)讀取公共存儲區(qū)的位置數(shù)據(jù)，由控制程序根據(jù)攝像機(jī)和半導(dǎo)體激光發(fā)射器的安裝位置進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和實時三維成像，用三角測量法可以獲得目標(biāo)的深度信息并傳送給視覺處理計算機(jī)綜合處理后得到目標(biāo)的最終三維信息。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光與視覺的實時三維成像系統(tǒng)，其特征在于:它包括視覺處理子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu)三大部分:其中視覺處理子系統(tǒng)由視覺處理計算機(jī)、攝像頭、激光散斑發(fā)射器組成，控制子系統(tǒng)包括控制計算機(jī)、驅(qū)動器、電機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光與視覺的實時三維成像系統(tǒng)，其特征在于:由攝像機(jī)獲取前方目標(biāo)的圖像后，根據(jù)三角測量法計算出目標(biāo)的距離信息(也就是深度信息)，最后檢測到的深度信息和二維位置信息反饋到視覺計算機(jī)，最后綜合出目標(biāo)的三維位置信肩、ο
【文檔編號】G01B11/00GK104165587SQ201310184903
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】劉家朋 申請人:劉家朋