雙目視覺測距系統軟硬件設計研究?

龔文超 朱鳳波 劉 潔

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

1 引言

隨著計算機技術和光電技術的發展，機器視覺技術應運而生。在圖像處理技術領域中，有一種采用CCD攝像機作為圖像傳感器采集數據的非接觸式測量方法，這種方法具有精度高、速度快、成本低等諸多優點，在三維測量方面具有廣泛的應用前景［1］。

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

2 機器視覺應用與測量方法

隨著計算機信號處理技術的不斷發展，利用攝像機獲取環境圖像信息，從而實現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能夠使計算機具備環境信息認知的能力，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，重點研究如何感知環境中物體的形狀、位置、姿態、運動要素即為機器視覺。

機器視覺的應用領域非常廣泛，主要涉及工業自動化生產線應用、各類檢驗和監視應用、視覺導航應用、圖像自動解釋應用、人機交互應用、虛擬現實應用等多個領域和場合，并取得了很多實用的成果［3～6］。

在數字圖像處理和計算機視覺理論研究的基礎上，三維曲面非接觸式測量技術獲得了長足發展，并由此研究出了與眾多領域相適應的測量方法，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行測量，在干涉場中產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信息。2）激光掃描法。該方法是基于光學三角形，從激光光源向實物表面投射一亮點或直線條紋，從CCD相機中獲得光束影像，根據光學三角關系計算反射點三維坐標來進行測量。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）結構光三維視覺測量。基于光學三角法測量原理，利用光源和成像系統之間的三角幾何信息進行三維形面測量。

3 基于軸線平行結構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。

雙目立體視覺是基于視差原理，由三角法原理進行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面和北側物體之間構成一個三角形，兩個攝像機之間的位置關系，便可以獲得兩攝像機公共視場內物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。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的圖像坐標的“Y”坐標一定是相同的。由三角幾何關系可以得到如下關系式［7-10］：

圖1 軸線平行結構雙目視覺測量原理

設視差為D=Xl-Xr。由此可計算出特征點P在攝像機坐標系下的三維坐標為

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

4 基于軸線匯聚結構的雙目視覺測距原理

雖然軸線平行結構的雙目視覺測距系統原理簡單，計算方便，但該結構是理想的結構形式，實際應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，雙目視覺測距系統傾向于采用軸線匯聚結構［11～12］。

空間參考點P在已標定攝像機Cl和Cr上的像點分別為pl和pr，如圖2所示。

圖2 軸線匯聚結構雙目測距原理

其投影矩陣分別為M1和M2，由矩陣變換關系可得：

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

矩陣令M1、M2的表達形式為

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

可得目標距離：

5 系統軟硬件架構

在充分理解雙目系統測距原理的基礎來，設計系統軟硬件架構。

5.1 硬件架構

雙目測距系統硬件由CCD攝像機、圖像采集卡、計算機系統以及顯示設備構成。CCD攝像機的功能是獲取目標圖像信息；圖像采集設備的功能是將圖像信息轉化為計算機數字信息；計算機系統的功能是處理圖像數據，實現2D圖像坐標到3D空間位置的恢復，最后輸出和顯示測量結果。系統硬件構成如圖3所示。

圖3 雙目測距系統硬件架構

5.2 軟件架構

測量系統軟件結構方案采用模塊化，各軟件功能模塊及其相互關系如圖4所示，軟件架構主要由攝像機標定模塊、圖像采集與信息處理模塊、數字圖像特征檢測與特征提取模塊、數字圖像特征立體匹配模塊、目標距離測量模塊以及數據輸出模塊等構成。

圖4 軟件系統模塊結構圖

攝像機標定模塊負責系統標定以及坐標系轉換；圖像采集與信息處理模塊負責實現圖像采集初始化，并對圖像信息進行數字化轉換；數字圖像特征檢測與特征提取模塊負責對圖像特征進行精細檢測與精確提取；數字圖像特征立體匹配模塊功能為實現數字特征立體匹配算法；目標距離測量模塊功能為：在精確檢測與提取特征信息的基礎上，解算三維坐標，實現距離在線解算，并通過數據輸出模塊輸出相應信息。

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

6 結語

本文從機器視覺的應用與測量方法著手，詳細敘述了基于軸線平行結構和軸線匯聚結構的雙目視覺測距原理，在此理論基礎上，建立了雙目視覺測距系統軟件、硬件架構，并分別對軟硬件架構功能模塊進行了深入研究。論文的研究成果能夠為后續雙目視覺測距系統的工程實現和實際應用提供一定的基礎。