劉先名，陳泓宇，馬天悅，蘇新建，王中開

（深圳市亞泰光電技術有限公司，廣東深圳，518000）

基于雙目視覺原理的微型內窺鏡開發(fā)

劉先名，陳泓宇，馬天悅，蘇新建，王中開

（深圳市亞泰光電技術有限公司，廣東深圳，518000）

為拓展傳統(tǒng)內窺鏡功能，在雙目立體數(shù)據(jù)測量基礎上，提出了一種便攜式微型三維測量系統(tǒng)。介紹了雙目視覺內部結構及測量構成，對測量的數(shù)據(jù)進行了比較與分析，應用手段包括：魚眼畸變校正、雙目標定、三維重建等。實驗表明：系統(tǒng)測量結果存在一定波動，經多次測量后取平均值，其非常接近實際值。雙目立體視覺的測量相對誤差控制在2%以內，相比傳統(tǒng)內窺鏡具有明顯的性能優(yōu)勢。

微型內窺鏡；三維測量；雙目視覺；魚眼校正

引言

在重大裝備科學實驗及日常無損檢測中，工業(yè)內窺鏡具有廣泛應用。重大裝備為避免“維修二次損害”，常常需使用無損檢測儀器對設備內部的裂紋、磨損面、顆粒等進行觀察，但只能定性判斷，無法進一步得到準確數(shù)據(jù)進行定量分析。

三維測量技術建立在立體圖像基礎上，解決了無法獲得立體圖像、就無法對圖像進行三維測量的問題。楊東林等[1]介紹了一種基于雙目立體視覺原理的三維工業(yè)內窺鏡系統(tǒng)，但受制于鏡頭尺寸、電子硬件等因素，無法深入管道完成內部檢測與測量；李少偉等[2]基于雙目立體攝影測量原理設計了一種具有測量功能的工業(yè)內窺鏡系統(tǒng)，所顯示的測量長度誤差在0.03 mm范圍內，初步實現(xiàn)了立體測量，但其探頭直徑為40 mm，大大限制了其應用范圍與領域。目前美國的韋林公司和日本的奧林巴斯公司（OLYMPUS）生產的三維測量內窺鏡的孔徑分別為6.2 mm和3.9 mm的鏡頭規(guī)格。工業(yè)內窺鏡正朝著小口徑、高亮度、高清晰度、輕質量等方向發(fā)展，而鏡頭尺寸的大小會受到關鍵檢測設備的插入孔限制。

本文研發(fā)一款便攜式微型三維測量內窺鏡，其微型鏡頭尺寸可極大拓展產品使用范圍，可預見產品將有較大發(fā)展空間。

1 雙目視覺系統(tǒng)

三維測量功能的實現(xiàn)，目前已有三相位測量法、陰影測量法、立體測量法、比較測量法等[3]。本次系統(tǒng)設計方案采用立體測量法，即插入管前端內置兩顆光學鏡頭（CCD），區(qū)別于單目視覺測量法。該光學鏡頭可滿足微型孔徑尺寸，但受到像素和視場角的限制，采集圖像會存在清晰度不足、魚眼效果等不利情況，因此系統(tǒng)軟件需要進行必要的圖像畸變校正及圖像增強等算法設計。

1.1 雙目視覺原理

雙目立體視覺是計算機視覺的一個重要分支，即由不同位置的兩臺攝像機或者一臺攝像機經過移動或旋轉拍攝同一幅場景，通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標值。

圖1 雙目立體視覺系統(tǒng)

圖1 為雙目立體視覺系統(tǒng)示意圖，分別以下標l、r標注左、右攝像機的相應參數(shù)。空間中一點A(X, Y, Z)在左右攝像機的成像面Cl和Cr上的像點分別為al(ul, vl)和ar(ur, vr)。這兩個像點是空間中同一個像點A的像，稱為“共軛點”。已知這兩點后，分別作它們與各自相機的光心Ol和Or的連線，即投影線a1O1和arOr，它們的交點即為空間中的對應像點A(X, Y, Z)。以上即是立體視覺的基本原理[4]。

1.2 三維測量系統(tǒng)搭建

本文提供的微型三維測量系統(tǒng)硬件結構主要有x86硬件平臺、圖像采集端、光源、鏡頭支架、插入管組成。選用的待測物為標準量塊，長度規(guī)格為20.00 mm、10.00 mm、5.00 mm。鏡頭的焦距范圍為：5～100 mm。根據(jù)不同的視場范圍選擇合適的測量距離，待測物距離鏡頭支架中心80 mm。

測量流程如圖2所示，根據(jù)待測物的大小確定光學鏡頭和測量角度后，對三維測量系統(tǒng)進行內外參數(shù)的標定、模組鏡頭內外參數(shù)的攝像、圖像同步采集，并循環(huán)讀取采集到的圖像。圖像需要立體校正，并對光學鏡頭左右圖像進行非線性畸變校正、立體校正、剪裁等一系列預處理，然后提取角點圖像坐標，并進行雙目標定。

在經過雙目校正后，在進行測量時就需要對光學鏡頭左右圖像進行操作，最終獲取僅有水平視差的左右圖像，并進行立體匹配。

圖2 三維測量系統(tǒng)流程圖

2 三維算法研究

2.1 測量系統(tǒng)標定

理想的鏡頭標定以透視投影原理和針孔模型為建模基礎，但實際選用的鏡頭視場角為120°，存在較大畸變。因此本文采用考慮畸變的非線性模型作為攝像機標定的幾何模型，它是基于牛海濤[5]所提出的棋盤格標定算法，圖3所示為標定板。采用StereoCalibrate函數(shù)對雙目視覺測量系統(tǒng)完成雙目標定。標定板參數(shù)如下：方格，5 mm；方格陣列，10×7；圖像面積，50×35 mm2；精度，1 μm。

圖3 棋盤格標定板

2.2 圖像預處理

從不同角度進行圖像采集。實際采集的圖像會存在噪聲，并且初始采集的圖像會有比較明顯的魚眼效果，因此在圖像計算之前先要進行預處理。魚眼校正采用Open CV軟件中fsh eye函數(shù)完成[6]，并計算新投影點和舊投影點之間的誤差。經計算：角點個數(shù)為54，左右鏡頭平均誤差分別為0.034 632 6像素和0.035 493 8像素，總體平均誤差小于1，表明魚眼校正效果較好。對比圖4(a)和4(c)、4(b)和4(d)，發(fā)現(xiàn)魚眼效果明顯減輕，這將有利于后續(xù)的雙目標定和視差圖獲取。采用Find chess board corners函數(shù)完成標定板的角點提取，該角點作為每個方格的特征點，經過排序之后，每個視圖的特征點將會準確匹配。

圖4 采集原圖與校正圖

3 實際測量

為驗證本文方法的有效性和精確度，采用標準量塊作為實驗對象。實驗道具包括：三維測量系統(tǒng)一套、標準正多邊形、游標卡尺、鏡頭支架、距離尺、光源、光度計、計算機及相應圖像處理軟件。將標準量塊平放至實驗平臺上，采用鏡頭支架夾住雙目鏡頭，并用距離尺測量鏡頭到量塊表面的距離，量塊的標準長度將采用游標卡尺進行測量，采用同一光源對試驗臺提供亮度，并用照度計測量實驗照度。標定完畢后，每個標準量塊進行20次重復實驗，測量系統(tǒng)同步采集圖像，并同步記錄游標卡尺、照度計、距離尺的數(shù)值。計算標準量塊最遠兩端的空間距離。表1和圖5分別為標準量塊的統(tǒng)計分析和實測結果。

表1 統(tǒng)計分析

圖5 每個標準量塊的20組實測數(shù)據(jù)

從表1和圖5的數(shù)據(jù)還可以看出，在鏡頭焦距許可范圍內，采用三維測量系統(tǒng)對不同的標準量塊進行測量，線性度較好，平均相對誤差小于2%，最大的測量偏差小于0.30 mm。但測量結果存在一定的結果波動，故對其誤差產生的原因進行分析：

（1）角點提取誤差。本文中所用提取函數(shù)的精度只到亞像素級，對后續(xù)計算有一定影響；

（2）鏡頭封裝誤差。鏡頭封裝不可能達到理論要求水平，存在一定誤差；

（3）相機標定誤差。相機在標定過程中會涉及魚眼校正等預處理過程，導致搭建的三維模型的理論矩陣存在變動，影響后續(xù)計算；

（4）人為因素。操作員每次對標準量塊測量兩端的選擇，對測量結果有一定影響。

4 結論

本文基于雙目視覺測量的原理提出了一種微型三維測量系統(tǒng)的研究，介紹了雙目視覺測量的構成及內部結構，對過程數(shù)據(jù)進行了比較與分析，包括魚眼畸變校正、雙目標定、三維重建等。實驗結果表明，測量相對誤差控制在2%以內。

相對傳統(tǒng)的內窺鏡，本文開發(fā)的系統(tǒng)具有更為顯著的性能優(yōu)點。雖然多次測量的結果已經很接近實際值，但還是存在一定波動，后續(xù)有待進一步改進。

[1]楊東林, 盧棟, 馮大偉. 基于圖像處理的三維工業(yè)內窺鏡研究[J]. 儀器儀表學報, 2009, 30(6): 1285-1289.

[2]李少偉, 王晴, 黃桂平. 一種具有雙目立體量測功能工業(yè)內窺鏡的設計與系統(tǒng)集成[J]. 測繪工程, 2012, 21(1): 67-69.

[3]劉菲. 基于相位測量法的光學三維形貌測量研究[D]. 山東: 山東師范大學, 2008.

[4]郭俊鋒, 劉鵬, 焦國華, 等. 三維測量工業(yè)內窺鏡的雙目光學系統(tǒng)[J]. 光學精密工程, 2014, 22(9): 2337-2344.

[5]牛海濤, 趙勛杰. 采用棋盤格模板的攝像機標定新方法[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(1): 133-137.

[6]Bradski G R, Kaehler A. Learning OpenCV [J]. Oreilly Media, 2008.

Exploration on Micro-endoscope based on Binocular Stereovision Principle

LIU Xian-ming, CHEN Hong-yu, MA Tian-yue, SU Xin-jian, WANG Zhong-kai
(Shenzhen Yateks Optoelectronic Technology Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong,518000, China)

In order to expand the function of traditional endoscope, a portable micro 3D measurement system is presented based on binocular stereovision measurement. The external and internal structure of binocular stereovision measurement is introduced, and its process data are compared and analyzed, in which the methods include fish-eye distortion correction, binocular calibration and 3D reconstruction. The experiments show that, there are somewhat fluctuations in the systematical measurement results, which can be very close to the actual value after averaging on repeated measurements. The relative error of binocular stereovision measurement is less than 2%, holding obvious advantages of performance compared with the traditional endoscope.

Micro-endoscope; 3D Measurement; Binocular Stereovision; Fish-eye Correction

Q436

A

2095-8412 (2016) 06-1173-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.032

劉先名(1988-)，男，漢族，湖北洪湖人，碩士，中級。研究方向：設備檢測、故障診斷。

E-mail: liuxianming456@qq.com