龔文超 朱鳳波 劉 潔

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

1 引言

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

雙目測(cè)距技術(shù)運(yùn)用兩個(gè)攝像頭對(duì)同一場(chǎng)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(cè)量模型，從而實(shí)現(xiàn)景物距離的實(shí)時(shí)計(jì)算［2］。

2 機(jī)器視覺應(yīng)用與測(cè)量方法

隨著計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，利用攝像機(jī)獲取環(huán)境圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺信息的信息化處理成為了可能。計(jì)算機(jī)視覺觀測(cè)技術(shù)能夠使計(jì)算機(jī)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(kuò)展了視覺信息處理的廣度和深度。

以計(jì)算機(jī)視覺理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究如何感知環(huán)境中物體的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)要素即為機(jī)器視覺。

機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要涉及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用、各類檢驗(yàn)和監(jiān)視應(yīng)用、視覺導(dǎo)航應(yīng)用、圖像自動(dòng)解釋應(yīng)用、人機(jī)交互應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域和場(chǎng)合，并取得了很多實(shí)用的成果［3～6］。

在數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺理論研究的基礎(chǔ)上，三維曲面非接觸式測(cè)量技術(shù)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，并由此研究出了與眾多領(lǐng)域相適應(yīng)的測(cè)量方法，主要包括：1）激光干涉測(cè)量法。該方法是基于光波疊加原理，利用光的干涉原理對(duì)物理進(jìn)行測(cè)量，在干涉場(chǎng)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(cè)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(diǎn)或直線條紋，從CCD相機(jī)中獲得光束影像，根據(jù)光學(xué)三角關(guān)系計(jì)算反射點(diǎn)三維坐標(biāo)來進(jìn)行測(cè)量。3）雙目立體視覺測(cè)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(cè)量?；诠鈱W(xué)三角法測(cè)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(cè)量。

3 基于軸線平行結(jié)構(gòu)的雙目視覺測(cè)距原理

雙目立體視覺測(cè)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(yùn)用兩臺(tái)不同位置的攝像機(jī)（CCD）拍攝同一場(chǎng)景，計(jì)算空間點(diǎn)在圖像中的視差，從而獲取該點(diǎn)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(gè)攝像機(jī)的圖像平面和北側(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形，兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以獲得兩攝像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖1為簡(jiǎn)單的平視雙目立體成像原理圖，兩臺(tái)攝像機(jī)的投影中心連線的距離，即基線距離B。兩臺(tái)攝像機(jī)在同一時(shí)刻聚焦到時(shí)空物體的同一特征點(diǎn)P，分別在“左眼”和“右眼”上獲取了點(diǎn)P的圖像，他們?cè)谧笥覉D像上的成像點(diǎn)分別是pl和pr，將兩臺(tái)攝像機(jī)的圖像放在同一平面上，則特征點(diǎn)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(cè)量原理

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

因此，通過計(jì)算被測(cè)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(jì)算出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)算，平面上所有點(diǎn)只要存儲(chǔ)在相應(yīng)的匹配點(diǎn)，就可以通過計(jì)算從而獲取對(duì)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(cè)距原理

雖然軸線平行結(jié)構(gòu)的雙目視覺測(cè)距系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但該結(jié)構(gòu)是理想的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)際應(yīng)用中容易受到攝像機(jī)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(cè)距系統(tǒng)傾向于采用軸線匯聚結(jié)構(gòu)［11～12］。

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

圖2 軸線匯聚結(jié)構(gòu)雙目測(cè)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(diǎn)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(cè)距原理的基礎(chǔ)來，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)。

5.1 硬件架構(gòu)

雙目測(cè)距系統(tǒng)硬件由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及顯示設(shè)備構(gòu)成。CCD攝像機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)字信息；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能是處理圖像數(shù)據(jù)，實(shí)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(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 雙目測(cè)距系統(tǒng)硬件架構(gòu)

5.2 軟件架構(gòu)

測(cè)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(jī)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(cè)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(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn)圖像采集初始化，并對(duì)圖像信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換；數(shù)字圖像特征檢測(cè)與特征提取模塊負(fù)責(zé)對(duì)圖像特征進(jìn)行精細(xì)檢測(cè)與精確提??；數(shù)字圖像特征立體匹配模塊功能為實(shí)現(xiàn)數(shù)字特征立體匹配算法；目標(biāo)距離測(cè)量模塊功能為：在精確檢測(cè)與提取特征信息的基礎(chǔ)上，解算三維坐標(biāo)，實(shí)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(cè)距系統(tǒng)開啟工作時(shí)，首先通過鏡頭將被測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；然后經(jīng)過圖像處理器對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(jī)器視覺的應(yīng)用與測(cè)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(cè)距原理，在此理論基礎(chǔ)上，建立了雙目視覺測(cè)距系統(tǒng)軟件、硬件架構(gòu)，并分別對(duì)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?yàn)楹罄m(xù)雙目視覺測(cè)距系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。