雙目視覺測距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計研究?

龔文超 朱鳳波 劉 潔

（1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266000）（2.91049部隊 青島 266102）

1 引言

隨著計算機技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，機器視覺技術(shù)應(yīng)運而生。在圖像處理技術(shù)領(lǐng)域中，有一種采用CCD攝像機作為圖像傳感器采集數(shù)據(jù)的非接觸式測量方法，這種方法具有精度高、速度快、成本低等諸多優(yōu)點，在三維測量方面具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。

雙目測距技術(shù)運用兩個攝像頭對同一場景進(jìn)行拍攝，從而產(chǎn)生圖像視差，然后通過該視差建立物體距離測量模型，從而實現(xiàn)景物距離的實時計算［2］。

2 機器視覺應(yīng)用與測量方法

隨著計算機信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，利用攝像機獲取環(huán)境圖像信息，從而實現(xiàn)對視覺信息的信息化處理成為了可能。計算機視覺觀測技術(shù)能夠使計算機具備環(huán)境信息認(rèn)知的能力，從而完成人眼所不能勝任的工作，大大擴展了視覺信息處理的廣度和深度。

以計算機視覺理論基礎(chǔ)，重點研究如何感知環(huán)境中物體的形狀、位置、姿態(tài)、運動要素即為機器視覺。

機器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要涉及工業(yè)自動化生產(chǎn)線應(yīng)用、各類檢驗和監(jiān)視應(yīng)用、視覺導(dǎo)航應(yīng)用、圖像自動解釋應(yīng)用、人機交互應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用等多個領(lǐng)域和場合，并取得了很多實用的成果［3～6］。

在數(shù)字圖像處理和計算機視覺理論研究的基礎(chǔ)上，三維曲面非接觸式測量技術(shù)獲得了長足發(fā)展，并由此研究出了與眾多領(lǐng)域相適應(yīng)的測量方法，主要包括：1）激光干涉測量法。該方法是基于光波疊加原理，利用光的干涉原理對物理進(jìn)行測量，在干涉場中產(chǎn)生亮暗交替的干涉條紋，通過分析處理干涉條紋來獲取被測物體相關(guān)信息。2）激光掃描法。該方法是基于光學(xué)三角形，從激光光源向?qū)嵨锉砻嫱渡湟涣咙c或直線條紋，從CCD相機中獲得光束影像，根據(jù)光學(xué)三角關(guān)系計算反射點三維坐標(biāo)來進(jìn)行測量。3）雙目立體視覺測量。該方法是基于視差原理，由多幅圖像獲取物體三維幾何信息，然后通過視差原理恢復(fù)出物體三維幾何信息，從而重建周圍景物的三維形狀與位置信息。4）結(jié)構(gòu)光三維視覺測量?；诠鈱W(xué)三角法測量原理，利用光源和成像系統(tǒng)之間的三角幾何信息進(jìn)行三維形面測量。

3 基于軸線平行結(jié)構(gòu)的雙目視覺測距原理

雙目立體視覺測量方法是研究如何利用二維投影圖像重構(gòu)三維景物世界，運用兩臺不同位置的攝像機（CCD）拍攝同一場景，計算空間點在圖像中的視差，從而獲取該點三維空間坐標(biāo)。

雙目立體視覺是基于視差原理，由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面和北側(cè)物體之間構(gòu)成一個三角形，兩個攝像機之間的位置關(guān)系，便可以獲得兩攝像機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標(biāo)。圖1為簡單的平視雙目立體成像原理圖，兩臺攝像機的投影中心連線的距離，即基線距離B。兩臺攝像機在同一時刻聚焦到時空物體的同一特征點P，分別在“左眼”和“右眼”上獲取了點P的圖像，他們在左右圖像上的成像點分別是pl和pr，將兩臺攝像機的圖像放在同一平面上，則特征點P的圖像坐標(biāo)的“Y”坐標(biāo)一定是相同的。由三角幾何關(guān)系可以得到如下關(guān)系式［7-10］：

圖1 軸線平行結(jié)構(gòu)雙目視覺測量原理

設(shè)視差為D=Xl-Xr。由此可計算出特征點P在攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為

因此，通過計算被測目標(biāo)在“左眼”、“右眼”中的像素視差值，然后由標(biāo)定參數(shù)即可計算出該點的三維坐標(biāo)。這種方法是點對點的運算，平面上所有點只要存儲在相應(yīng)的匹配點，就可以通過計算從而獲取對應(yīng)的三維坐標(biāo)。

4 基于軸線匯聚結(jié)構(gòu)的雙目視覺測距原理

雖然軸線平行結(jié)構(gòu)的雙目視覺測距系統(tǒng)原理簡單，計算方便，但該結(jié)構(gòu)是理想的結(jié)構(gòu)形式，實際應(yīng)用中容易受到攝像機性能差異、安裝工藝等各種因素的影響。通常情況下，雙目視覺測距系統(tǒng)傾向于采用軸線匯聚結(jié)構(gòu)［11～12］。

空間參考點P在已標(biāo)定攝像機Cl和Cr上的像點分別為pl和pr，如圖2所示。

圖2 軸線匯聚結(jié)構(gòu)雙目測距原理

其投影矩陣分別為M1和M2，由矩陣變換關(guān)系可得：

式中，(ul，vl，1)T為pl在圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；(ur，vr，1)T為pr在圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)；(xc，yc，zc，1)T為點P在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)。

矩陣令M1、M2的表達(dá)形式為

將M1、M2的表達(dá)形式代入式（3）、（4），采用最小二乘解算法得到空間坐標(biāo)為

可得目標(biāo)距離：

5 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

在充分理解雙目系統(tǒng)測距原理的基礎(chǔ)來，設(shè)計系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)。

5.1 硬件架構(gòu)

雙目測距系統(tǒng)硬件由CCD攝像機、圖像采集卡、計算機系統(tǒng)以及顯示設(shè)備構(gòu)成。CCD攝像機的功能是獲取目標(biāo)圖像信息；圖像采集設(shè)備的功能是將圖像信息轉(zhuǎn)化為計算機數(shù)字信息；計算機系統(tǒng)的功能是處理圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)2D圖像坐標(biāo)到3D空間位置的恢復(fù)，最后輸出和顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 雙目測距系統(tǒng)硬件架構(gòu)

5.2 軟件架構(gòu)

測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)方案采用模塊化，各軟件功能模塊及其相互關(guān)系如圖4所示，軟件架構(gòu)主要由攝像機標(biāo)定模塊、圖像采集與信息處理模塊、數(shù)字圖像特征檢測與特征提取模塊、數(shù)字圖像特征立體匹配模塊、目標(biāo)距離測量模塊以及數(shù)據(jù)輸出模塊等構(gòu)成。

圖4 軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

攝像機標(biāo)定模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)標(biāo)定以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；圖像采集與信息處理模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)圖像采集初始化，并對圖像信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；數(shù)字圖像特征檢測與特征提取模塊負(fù)責(zé)對圖像特征進(jìn)行精細(xì)檢測與精確提??；數(shù)字圖像特征立體匹配模塊功能為實現(xiàn)數(shù)字特征立體匹配算法；目標(biāo)距離測量模塊功能為：在精確檢測與提取特征信息的基礎(chǔ)上，解算三維坐標(biāo)，實現(xiàn)距離在線解算，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出相應(yīng)信息。

雙目視覺測距系統(tǒng)開啟工作時，首先通過鏡頭將被測量物體的光學(xué)圖像成像在CCD圖像傳感器上；然后圖像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；然后經(jīng)過圖像處理器對數(shù)字信息進(jìn)行處理，并存儲在存儲器中；最后，通過數(shù)字接口或視頻接口輸入。

6 結(jié)語

本文從機器視覺的應(yīng)用與測量方法著手，詳細(xì)敘述了基于軸線平行結(jié)構(gòu)和軸線匯聚結(jié)構(gòu)的雙目視覺測距原理，在此理論基礎(chǔ)上，建立了雙目視覺測距系統(tǒng)軟件、硬件架構(gòu)，并分別對軟硬件架構(gòu)功能模塊進(jìn)行了深入研究。論文的研究成果能夠為后續(xù)雙目視覺測距系統(tǒng)的工程實現(xiàn)和實際應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。