一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置及糾偏方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置及糾偏方法。該裝置通過控制器的圖像分析軟件計算出立體拍攝的左右攝像機之間的光學誤差并生成相應幅值的控制電壓，利用壓電陶瓷電致伸縮效應糾正左右攝像機之間的傾斜和俯仰光學誤差，保證了機載、車載環(huán)境下人眼長時間觀看立體視頻的舒適度。本發(fā)明采用價格低廉、可靠性高的壓電陶瓷作為動作執(zhí)行機構，避免了采用電動機和齒輪機構作為執(zhí)行元件時帶來的可靠性差、環(huán)境適應性差、價格高、重量重等缺點。
【專利說明】—種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置及糾偏方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及立體實拍實顯領域，具體涉及一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置及糾偏方法。
【背景技術】
[0002]立體拍攝系統(tǒng)是利用左右間距一定距離的兩臺攝像機，拍攝外部場景，形成有水平視差的左右圖像，如圖1所示。觀察者通過立體眼鏡觀看立體顯示器上的左右圖像，在大腦中形成與真實場景具有相似縱深感的立體場景。
[0003]在立體拍攝系統(tǒng)中，左右兩臺攝像機由于固定方式、溫度波動、振動沖擊等因素會造成光軸的空間位置變化，從而使得輸出的左右畫面存在傾斜、俯仰等光學誤差，如圖2所示。根據(jù)日本腦機能研究所開展的生理試驗證明，俯仰誤差和傾斜誤差會顯著增加人眼長時間觀看立體視頻時的疲勞度。
[0004]壓電陶瓷材料存在壓電效應與逆壓電效應，即當沿一定方向施力而使其變形時，在表面上會產生充放電現(xiàn)象；反之，在極化方向上對其施加電場，這些材料會產生機械變形或機械應力(電致伸縮效應)。采用壓電陶瓷的電致伸縮效應作微位移器具有結構緊湊、微位移分辨高、控制簡單、無發(fā)熱、可靠性高等顯著特點，可以廣泛應用于航空航天、艦船、坦克車輛等裝備中精密微位移控制領域。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決已有技術在立體拍攝系統(tǒng)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置；本發(fā)明誤差糾偏裝置通過控制器的圖像分析軟件計算出光學誤差，利用壓電陶瓷電致伸縮效應糾正光學誤差，保證了機載、車載環(huán)境下人眼長時間觀看立體視頻的舒適度。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供使用該裝置的誤差糾偏方法。
[0007]本發(fā)明的發(fā)明目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的:
[0008]一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置，包括控制器、壓電陶瓷機構，所述控制器具有視頻采集、圖像分析處理、誤差計算、驅動電壓生成等功能。所述攝像機云臺通過周邊四角對稱布置的4個壓電陶瓷機構與底座連接。所述控制器采集左右兩臺攝像機的視頻進行數(shù)字化后，通過圖像分析軟件及幾何算法實時計算出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差，并依據(jù)誤差大小產生兩路控制電壓輸入到壓電陶瓷機構，壓電陶瓷長度變化帶動攝像機座以鉸鏈為支點作滾轉運動，在控制器驅動下實時糾正誤差。
[0009]所述圖像分析軟件找到畫面上的至少3個共同點，根據(jù)3個共同點構建的三角形A、三角形B之間的相對位置關系，用幾何算法實時計算出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差。所述壓電陶瓷長度變化與控制電壓成一定的比例關系，該比例關系可通過事先校準標定。壓電陶瓷材料長度變化帶動攝像機云臺作滾轉運動，在控制器驅動下實時糾正俯仰或傾斜誤差。
[0010]所述底座上四角對稱布置的4個壓電陶瓷機構支持攝像機的云臺，4個壓電陶瓷機構直線伸縮運動的聯(lián)動或差動可以實現(xiàn)對攝像機的傾斜、俯仰角度的單獨調整或混合調
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[0011]使用基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置的誤差糾偏方法，包括如下步驟:
[0012]I)、標定壓電陶瓷機構的電壓-變化長度關系曲線；
[0013]2)、壓電陶瓷機構的布置安裝和初始調平；
[0014]3)、對左右攝像機拍攝的畫面進行圖像分析處理，找到畫面上至少3個特征共同點，立體匹配后構架出2個相似三角形，利用幾何算法計算相似三角形的空間位置關系，得出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差；
[0015]4)、根據(jù)圖像處理得出的傾斜誤差和俯仰誤差，按照電壓-變化長度關系曲線生成相應幅值的驅動電壓；
[0016]5)、驅動電壓控制壓電陶瓷機構長度變化，通過4個壓電陶瓷機構直線運動的聯(lián)動或差動逐漸消除攝像機云臺的傾斜、俯仰誤差。
[0017]本發(fā)明通過控制器對左右攝像機圖像進行圖像分析，計算出左右畫面之間的傾斜、俯仰誤差，根據(jù)誤差大小產生電壓控制信號，驅動固定在攝像機云臺上的壓電陶瓷伸縮機構，利用壓電陶瓷的電致伸縮效應對左右攝像機空間位置進行調整，實現(xiàn)光學誤差的糾偏消除，保證了人眼長時間觀看立體視頻的舒適度。本發(fā)明采用價格低廉、可靠性高的壓電陶瓷作為動作執(zhí)行機構，避免了采用電動機和齒輪機構作為執(zhí)行元件時帶來的可靠性差、環(huán)境適應性差、價格高、重量重等缺點，從而具有良好的經濟效益和較強的市場競爭性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為立體拍攝示意圖；
[0019]圖2為立體拍攝中光學誤差示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置示意框圖；
[0021]圖4為本發(fā)明中圖像分析的示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明裝置中誤差調整機構的布置示意圖；
[0023]圖6為本發(fā)明裝置中傾斜誤差調整機構運作示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖，進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。
[0025]圖3中左右立體攝像機固定在左右間距一定距離的云臺上，云臺的姿態(tài)受到壓電陶瓷機構的控制。每臺攝像機拍攝的視頻其中一路輸出到立體顯示器上供使用者觀察，另一路輸入到控制器中。
[0026]控制器將左右攝像機的視頻畫面數(shù)字化后進行圖像分析。如圖4所示，圖像分析軟件先在左攝像機畫面中通過局部特征算法用角點、邊緣、線段、小區(qū)域能量分布等特點選取特征明顯的3個點U、V、w構成三角形A。然后在右攝像機畫面中搜索對應的特征點，為減少匹配不確定性，提高匹配效率，采取了基于圖像幾何約束算法:如極線約束、唯一性約束、幾何相似性約束、光度測定學相容性約束、透視投影約束等5種算法，最終可搜索到與
u、v、w特征點精確匹配的共同點u’、v’、w’，這3個共同點組成了三角形B。利用投影幾何學可計算出相似三角形A和B之間的相對空間位置上下和旋轉關系，從而得出了同一物體在左右攝像機2個畫面中的俯仰誤差和傾斜誤差。
[0027]圖5中攝像機I固定在云臺2上，底座7的周邊四角對稱布置了 4個相同的壓電陶瓷機構，壓電陶瓷機構的頂點固定在云臺2的四個角上。左、右兩臺攝像機的固定方式相同。
[0028]圖6示意了糾正傾斜誤差的原理:由于壓電陶瓷機構的電壓-伸縮長度曲線事先已標定，所以可根據(jù)圖像分析軟件給出的俯仰、傾斜誤差計算出控制4個壓電陶瓷機構的電壓值。圖4中壓電陶瓷機構4、3在電壓控制下收縮，壓電陶瓷機構6、5在電壓控制下伸長，云臺2和攝像機I隨之向右側傾斜，傾斜角度與誤差角度數(shù)值相同，方向相反，最終可消除左右攝像機之間的傾斜誤差。
[0029]俯仰誤差糾正與之相似:壓電陶瓷機構4、6共同伸長或收縮，壓電陶瓷機構3、5共同收縮或伸長。壓電陶瓷機構3、4、5、6之間可兩兩聯(lián)動或差動，實現(xiàn)傾斜和俯仰誤差的單獨調整或混合調整。
[0030]誤差糾偏方法具體包括如下步驟:
[0031]I)標定壓電陶瓷機構的電壓-變化長度關系曲線:在一個壓電陶瓷機構上預先施加模擬云臺和攝像機的負載力，用游標卡尺測量初始長度，逐步增加控制電壓并實時測量機構長度，當改變量每到一個單位長度(如0.1mm)記錄當前控制電壓值,直到機構設計的最大伸長長度。選取多個(如10個)同型機構重復該標定過程，取平均值。以長度改變量作為橫坐標，以控制電壓值為縱坐標，即可得出電壓-變化長度關系曲線。
[0032]2)壓電陶瓷機構的布置安裝和初始調平:如圖5所示攝像機I固定在云臺2上，底座7的周邊四角對稱布置4個相同的壓電陶瓷機構，壓電陶瓷機構的頂點固定在云臺2的四個角上，通過水平儀等工具微調機構初始長度保證云臺的水平。左右兩臺攝像機的固定方式相同。
[0033]3)圖像分析:控制器將左右攝像機的視頻畫面數(shù)字化，利用局部特征算法在左畫面上選取至少3個特征點，構架三角形A。然后在右攝像機畫面中采用基于圖像幾何約束算法搜索對應的特征點，立體匹配出相似三角形B，利用投影幾何學計算出相似三角形A和B之間的相對空間位置上下和旋轉關系，從而得出同一物體在左右攝像機2個畫面中的俯仰誤差和傾斜誤差。
[0034]4)驅動電壓生成:根據(jù)步驟3中圖像分析得出的傾斜誤差和俯仰誤差，按照步驟I中得出電壓-變化長度關系曲線，生成圖5中四個壓電陶瓷機構3、4、5、6所需的驅動電壓；
[0035]5)誤差糾正:如圖6所示，由控制器產生電壓控制壓電陶瓷機構長度的精確變化，通過4個機構的兩兩聯(lián)動或差動改變云臺2的空間姿態(tài)，逐步消除左、右攝像機之間的傾斜、俯仰誤差。
【權利要求】
1.一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置，包括控制器，攝像機，置于攝像機云臺與底座之間的4個壓電陶瓷機構，其特征在于，所述攝像機云臺通過周邊四角對稱布置的4個壓電陶瓷機構與底座連接，所述控制器采集左右兩臺攝像機的視頻進行數(shù)字化后，通過圖像分析軟件及幾何算法實時計算出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差，并依據(jù)誤差大小產生4路控制電壓輸入到壓電陶瓷機構，壓電陶瓷長度變化帶動攝像機云臺作前后左右傾斜運動，在控制器驅動下實時糾正誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置，其特征在于，所述圖像分析軟件找到畫面上的至少3個共同點，根據(jù)3個共同點構建的三角形A、三角形B之間的相對位置關系，用幾何算法實時計算出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置，其特征在于，所述底座上四角對稱布置的4個壓電陶瓷機構支持攝像機的云臺，4個壓電陶瓷機構直線伸縮的聯(lián)動或差動可以實現(xiàn)對攝像機的傾斜、俯仰角度的單獨調整或混合調整。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于壓電陶瓷的立體拍攝光學誤差糾偏裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷長度發(fā)生變化，變化長度與控制電壓成一定的比例關系，該比例關系通過事先校準標定。
5.根據(jù)權利要求1一4所述誤差糾偏裝置的誤差糾偏方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)、標定壓電陶瓷機構的電壓-變化長度關系曲線； 2)、壓電陶瓷機構的布置安裝和初始調平； 3)、對左右攝像機拍攝的畫面進行圖像分析處理，找到畫面上至少3個特征共同點，立體匹配后構架出2個相似三角形，利用幾何算法計算相似三角形的空間位置關系，得出左右畫面的傾斜誤差和俯仰誤差； 4)、根據(jù)圖像處理得出的傾斜誤差和俯仰誤差，按照電壓-變化長度關系曲線生成相應幅值的驅動電壓； 5)、驅動電壓控制壓電陶瓷機構長度變化，通過4個壓電陶瓷機構直線運動的聯(lián)動或差動逐漸消除攝像機云臺的傾斜、俯仰誤差。
【文檔編號】H04N13/02GK103792950SQ201410004727
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權日:2014年1月6日
【發(fā)明者】楊震 申請人:中國航空無線電電子研究所