儀器及裝置基于雙目視覺的標(biāo)志點(diǎn)定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王立鋼　馬國(guó)欣　向鵬

摘要： 雙目視覺通過模仿人類視覺來獲得物體的深度信息，使機(jī)器具有從二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境的能力。針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)合，建立一種自主設(shè)計(jì)的反光標(biāo)志點(diǎn)，通過被動(dòng)式反射光源發(fā)出的光來進(jìn)行定位。基于雙目視覺原理搭建試驗(yàn)平臺(tái)，分析了系統(tǒng)硬件各組成部分技術(shù)特點(diǎn)，通過對(duì)系統(tǒng)硬件的特殊設(shè)計(jì)很好地解決了復(fù)雜背景對(duì)目標(biāo)物識(shí)別定位的干擾。最后通過距離和角度測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。

關(guān)鍵詞： 雙目視覺； 視差； 三維坐標(biāo)； 硬件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.015

Hardware design of marker positioning system based on binocular vision

WANG Ligang， MA Guoxin， XIANG Peng

（Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China）

Abstract： The binocular vision directly simulates the manner of human eyes observing one scene from different viewpoints to obtain the depth information of object. This system is for a particular application. The objects positioned by this system are markers which can reflect the light radiated by the light source， so they can be located by the passive reflection. The experiment platform is set up based on the principle of the binocular vision. The hardware components technology is analyzed. The system can find a good solution to the influence of complex background on recognition and localization of the markers. At last， experiments are conducted， which contain the distance and the angle measurements. The results demonstrate that the accuracy of the system is good.

Keywords： binocular vision； disparity； threedimensional coordinate； hardware system

引言立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。雙目立體視覺通過模擬人類雙眼機(jī)制，利用兩臺(tái)攝像機(jī)從不同位置觀察同一目標(biāo)，獲得不同視角下的一組目標(biāo)圖像，基于視差原理計(jì)算目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，以此來獲取目標(biāo)物體的三維信息[1]。目前立體視覺在機(jī)器人視覺、航空測(cè)繪、軍事應(yīng)用、醫(yī)學(xué)診斷及工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用越來越廣泛[2]。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常分為圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、特征匹配及三維重建這五大部分。目前大多數(shù)研究集中在攝像機(jī)標(biāo)定[34]、特征匹配[56]及精度分析[7]等方面，而在如何利用硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化圖像獲取方面文獻(xiàn)較少。因此本文重點(diǎn)研究雙目視覺系統(tǒng)中圖像獲取這一步，通過特殊的硬件設(shè)計(jì)來優(yōu)化獲取到的圖像，為后續(xù)圖像處理帶來便利。光學(xué)儀器第37卷

第2期王立鋼，等：基于雙目視覺的標(biāo)志點(diǎn)定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1平行式攝像模式和匯聚式攝像模式

Fig.1Binocular parallel system and

binocular convergent system

圖2匯聚式結(jié)構(gòu)模型原理圖

Fig.2Schematic diagram of binocular

convergent system

1雙目視覺系統(tǒng)工作原理常見的雙目視覺系統(tǒng)主要有兩種模式：平行式攝像模式和匯聚式攝像模式，如圖1所示。平行式攝像模式即兩個(gè)CCD攝像機(jī)按光軸平行安裝，該種模式便于標(biāo)定且計(jì)算簡(jiǎn)單，但是對(duì)于視場(chǎng)較小的攝像機(jī)，若測(cè)量空間視場(chǎng)要求較大則很難滿足測(cè)量要求。而匯聚式攝像模式由于兩光軸成一定角度進(jìn)行安裝，使光軸同時(shí)匯聚于目標(biāo)物體，因此可以通過適當(dāng)調(diào)整兩光軸夾角來滿足測(cè)量的視場(chǎng)要求。由于本系統(tǒng)測(cè)量要求的視場(chǎng)范圍較大，若采取平行式攝像模式則需要大視場(chǎng)攝像機(jī)，而視場(chǎng)角大的攝像機(jī)獲得的圖像畸變也較大，不利于提高系統(tǒng)精度[8]，因此本系統(tǒng)采用匯聚式攝像模式，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。圖中O1C1與O2C2為左右攝像機(jī)的光軸，夾角為2θ，兩攝像機(jī)光心間距為B，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)兩攝像機(jī)關(guān)于YOZ平面絕對(duì)對(duì)稱，P點(diǎn)為物點(diǎn)，P1、P2分別為P點(diǎn)在左右攝像機(jī)上的像點(diǎn)。坐標(biāo)系XOZ中，假設(shè)P點(diǎn)的世界坐標(biāo)為（X，Z），其像點(diǎn)P1、P2的世界坐標(biāo)分別為（X1，Z1）、（X2，Z2），其在圖像物理坐標(biāo)系中XOZ平面上的坐標(biāo)為（x1，0）、（x2，0）。若兩攝像機(jī)焦距均為f，則根據(jù)小孔成像原理及幾何關(guān)系可得X1=-B/2-fsinθ+x1cosθ（1）

Z1=-fcosθ-x1sinθ（2）

X2=B/2+fsinθ+x2cosθ（3）

Z2=-fcosθ+x2sinθ（4）由于P1C1與P2C2的交點(diǎn)為P，因此通過聯(lián)立直線P1C1與P2C2的方程便可求得Z=B[f2cos2θ+12（x1-x2）fsin2θ-x1x2sin2θ]f2sin2θ-（x1-x2）fcos2θ+x1x2sin2θ（5）圖3雙目視覺系統(tǒng)組成及工作流程

Fig.3The workflow of binocular vision system2雙目視覺系統(tǒng)組成一個(gè)完整的基于雙目視覺的目標(biāo)定位系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大部分，系統(tǒng)的工作流程如圖3所示，主要包括圖像采集、攝像機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、特征匹配及三維重建。其中圖像采集這一環(huán)節(jié)主要由系統(tǒng)的硬件部分來完成，攝像機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、圖像匹配及三維重建主要由系統(tǒng)的軟件部分來完成。而本文的重點(diǎn)便是系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分主要由反光標(biāo)志點(diǎn)、試驗(yàn)臺(tái)架、攝像機(jī)、照明光源幾個(gè)部分組成，整體硬件實(shí)物如圖4所示。

3.1反光標(biāo)志點(diǎn)反光標(biāo)志點(diǎn)即為本系統(tǒng)需要定位及跟蹤的目標(biāo)。標(biāo)志點(diǎn)反射光源打在其上的光，反射光被鏡頭接收后來進(jìn)行定位。文獻(xiàn)[6，9]中均使用一種主動(dòng)發(fā)光的LED標(biāo)志點(diǎn)，與其相比本系統(tǒng)采用的標(biāo)志點(diǎn)為被動(dòng)式反光的無源器件，無需接線，因此使用方便且更加可靠。標(biāo)志點(diǎn)的外觀及光路如圖5所示，標(biāo)志點(diǎn)為自主設(shè)計(jì)加工，尺寸很小，高度、直徑均只有10 mm。應(yīng)用時(shí)可以將多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)鑲嵌在運(yùn)動(dòng)的剛體上，通過對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的定位來確定剛體的三維信息。

圖4雙目視覺系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

Fig.4The photo of binocular vision

hardware system圖5標(biāo)志點(diǎn)實(shí)物圖及光路原理圖

Fig.5The photo and the optical

configuration of the marker

該反光標(biāo)志點(diǎn)的光路特點(diǎn)為，當(dāng)入射光線進(jìn)入標(biāo)志點(diǎn)后，經(jīng)過透鏡折射聚光之后光線入射到一塊鍍有高反射膜的透鏡上，反射后的光線與入射光線基本重合，即光線進(jìn)入該反光標(biāo)志點(diǎn)后會(huì)按原路被反射回去。反光標(biāo)志點(diǎn)的入射角度范圍設(shè)計(jì)值為0°～90°，由于加工精度的影響，實(shí)際工作中入射角在0°～70°時(shí)定位精度比較高。

3.2攝像機(jī)及試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)采用兩臺(tái)型號(hào)參數(shù)一致的高分辨率低畸變CCD攝像機(jī)，安裝在自制的試驗(yàn)臺(tái)架上，通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)架，兩臺(tái)攝像機(jī)之間的間距、夾角及高度可以任意調(diào)節(jié)以滿足不同的工作距離及有效視場(chǎng)范圍的要求。測(cè)量誤差與兩鏡頭光軸夾角及基線距離間存在復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，在滿足工作距離及有效視場(chǎng)的前提下，系統(tǒng)誤差隨基線距增大而減小，且當(dāng)基線與光軸的夾角在55°～70°之間取值時(shí)，平均綜合測(cè)量誤差達(dá)到最小值[5]。同時(shí)鏡頭配有中心波長(zhǎng)為635 nm（±10 nm）的窄帶濾光片保證其他波段的光可以被有效濾除。

圖6系統(tǒng)獲取的標(biāo)志點(diǎn)圖像

Fig.6The photo of the markers

obtained by the system3.3照明光源系統(tǒng)采用635～645 nm波段的紅光LED點(diǎn)光源作為照明光源，通過一塊半透半反射鏡使點(diǎn)光源主光軸與鏡頭主光軸重合，這種同軸光照明方式的優(yōu)點(diǎn)是照明亮度非常均勻，且與反光標(biāo)志點(diǎn)配合使用時(shí)，由于標(biāo)志點(diǎn)可以將光按原路反射回鏡頭，而其他背景部分的反射光則很難反射回鏡頭，因此標(biāo)志點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)高亮而其他部分則較暗。同時(shí)由于鏡頭安裝了窄帶濾光片，只有635 nm±10 nm波長(zhǎng)的紅光可以通過鏡頭，因此能進(jìn)一步消除背景雜光的干擾。系統(tǒng)的硬件部分主要負(fù)責(zé)圖像獲取這步工作，圖6為實(shí)際工作時(shí)本系統(tǒng)獲取到的圖像，從圖中可以看出，除了幾個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)為高亮之外，其他部分的光線非常暗。硬件這樣設(shè)計(jì)的好處是為后續(xù)的軟件處理提供了很大的方便，圖像處理時(shí)只需簡(jiǎn)單的算法便可準(zhǔn)確提取標(biāo)志點(diǎn)的中心。圖7試驗(yàn)用測(cè)試板

Fig.7The test board for the experiment4實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析為驗(yàn)證本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)精度，設(shè)計(jì)一組關(guān)于距離及角度的測(cè)量試驗(yàn)。設(shè)計(jì)并加工了兩塊測(cè)試板如圖7所示，測(cè)試板1上面排布6×4個(gè)孔洞，反光標(biāo)志點(diǎn)直接嵌入孔洞中，每相鄰兩個(gè)孔洞的中心間距均為24 mm，該測(cè)試板用來測(cè)試兩標(biāo)志點(diǎn)間距。測(cè)試板2上面有三條凹槽，兩條凹槽之間的夾角為固定值，該測(cè)試板用來測(cè)試標(biāo)志點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度。

4.1距離測(cè)量試驗(yàn)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)具體做法是在測(cè)試板1上直接排布3×3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，每相鄰兩個(gè)孔洞的中心間距均為24 mm。用本系統(tǒng)定位得到每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)，如表1所示，進(jìn)而根據(jù)三維坐標(biāo)計(jì)算得到兩點(diǎn)間距離。

表19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)

Tab.1Threedimensional coordinates of markers

標(biāo)志點(diǎn)123456789坐標(biāo)值x-1.075 9-24.963 8-49.040 3-0.265 7-24.091 5-47.908 51.011 5-22.811 4-46.640 0y-52.707 9-51.465 4-50.064 7-28.711 8-27.444 1-26.221 7-4.698 1-3.398 4-2.343 9z738.107 6737.760 3737.937 5738.688 1738.539 4738.772 6739.265 8738.517 1739.452 0

表2距離測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.2Results of distance measurement experiments

類別最大值最小值平均值絕對(duì)誤差/mm0.520 80.002 30.093 6相對(duì)誤差/%2.170.010.39測(cè)量值/mm24.217 823.479 223.906 4

圖8測(cè)試板固定角度旋轉(zhuǎn)示意圖

Fig.8The test board at a fixed angle

表3角度測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.3Results of angle measurement experiments

類別最大值最小值平均值絕對(duì)誤差/（°）0.780.060.36相對(duì)誤差/%2.60.21.2測(cè)量值/（°）29.9429.2229.64

距離測(cè)量試驗(yàn)總計(jì)50組，每組各有12個(gè)24 mm點(diǎn)間距，共計(jì)600個(gè)24 mm點(diǎn)間距。測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

4.2角度測(cè)量試驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)具體做法是在測(cè)試板1上排布兩個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)連線只要不與世界坐標(biāo)系Y軸平行即可。如圖8所示測(cè)試版在測(cè)量視場(chǎng)范圍內(nèi)拍攝一次，計(jì)算出兩標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)，然后按測(cè)試板2上的凹槽將板1旋轉(zhuǎn)一個(gè)已知角度（30°）再拍攝一次，同樣計(jì)算出旋轉(zhuǎn)后兩標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)這兩組坐標(biāo)值可以計(jì)算出兩點(diǎn)連線的旋轉(zhuǎn)角度值，同樣在測(cè)量視場(chǎng)范圍內(nèi)任意位置做50組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。由表2、表3可以看出系統(tǒng)在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距時(shí)精度較高，誤差只有0.1 mm左右，但對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量誤差則較大，平均值在0.36°左右。造成角度測(cè)量誤差較大的原因主要有兩點(diǎn)：其一為測(cè)試板加工精度不夠帶來的誤差；其二為當(dāng)測(cè)試板旋轉(zhuǎn)后，進(jìn)入反光標(biāo)志點(diǎn)的入射光入射角度發(fā)生變化，由于標(biāo)志點(diǎn)在入射范圍0°～70°時(shí)精度較高，超過70°后入射角越大其精度越差。5結(jié)論本文詳細(xì)闡述雙目視覺系統(tǒng)硬件各部分實(shí)現(xiàn)方式，與現(xiàn)有雙目視覺系統(tǒng)相比，通過設(shè)計(jì)反光標(biāo)志點(diǎn)并與窄帶濾光片、同軸光照明模式配合使用，在硬件上便很好地優(yōu)化了獲取到的圖像。本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程也具有一定的創(chuàng)新性，現(xiàn)有文章的實(shí)驗(yàn)過程大多只考慮到距離測(cè)量的精度[910]，而本文增加了旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，更好地驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度及可靠性。后續(xù)可以通過優(yōu)化反光標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)在硬件方面進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）