基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置和方法，屬于立體視覺(jué)成 像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 立體視覺(jué)成像技術(shù)能夠模擬人眼成像得到目標(biāo)物的三維影像，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用 于三維形貌測(cè)量和增材制造領(lǐng)域。目前在工業(yè)應(yīng)用中多采用雙相機(jī)立體視覺(jué)成像裝置和方 法，即兩個(gè)相機(jī)從不同角度同時(shí)采集目標(biāo)物的兩幅圖像，基于視差原理實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)成像 效果。但這種雙相機(jī)立體視覺(jué)成像裝置需要用到兩個(gè)相機(jī)，裝置的結(jié)構(gòu)大，成本高，且立體 視覺(jué)成像前需要對(duì)每個(gè)相機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。另外，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)成像時(shí)，要求兩相機(jī)時(shí)間同 步，否則會(huì)造成立體視覺(jué)成像的扭曲和畸變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置和方 法，用以解決上述雙相機(jī)立體視覺(jué)成像技術(shù)所存在的問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是：該裝置包 括第一物鏡、第二物鏡、反射鏡、數(shù)字微鏡器件、CCD圖像傳感器和殼體；所述的第一物鏡和 第二物鏡型號(hào)相同，相對(duì)于基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置中心軸對(duì)稱；所述的數(shù) 字微鏡器件放置在CCD圖像傳感器上方，數(shù)字微鏡器件的基面與CCD圖像傳感器所在面成 33°夾角；所述的反射鏡與數(shù)字微鏡器件相向安置，且與CCD圖像傳感器所在面成66°夾 角。
[0005] 所述的第一物鏡以向右48°傾角將目標(biāo)物成像光線投射給所述的反射鏡；所述 的第二物鏡以向左48°傾角將目標(biāo)物成像光線投射給所述的數(shù)字微鏡器件；所述的反射 鏡將來(lái)自第一物鏡的成像光線反射給數(shù)字微鏡器件；所述的數(shù)字微鏡器件由基面和二維微 鏡元陣列組成；所述的微鏡元有on和off兩個(gè)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)為on狀態(tài)時(shí)微鏡元偏轉(zhuǎn)+12°， 從第二物鏡進(jìn)入的成像光線被數(shù)字微鏡器件反射到CCD圖像傳感器的感光面，當(dāng)為off狀 態(tài)時(shí)微鏡元偏轉(zhuǎn)-12°，從第一物鏡進(jìn)入經(jīng)反射鏡反射的成像光線被數(shù)字微鏡器件二次反 射到CCD圖像傳感器的感光面；所述的CCD圖像傳感器接收從數(shù)字微鏡器件反射來(lái)的成像 光線，完成感光成像；所述的殼體用于固定光學(xué)元件，并對(duì)光路進(jìn)行密封以避免外界干擾光 進(jìn)入。
[0006] 本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像方法，是利用上述基于數(shù)字 微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置，并按照以下步驟：
[0007] 步驟一、圖像采集：
[0008] 微調(diào)所述的數(shù)字微鏡器件相對(duì)所述的CCD圖像傳感器的位置，使CCD像元與數(shù)字 微鏡器件的微鏡元配準(zhǔn)，即每個(gè)CCD像元單一映射數(shù)字微鏡器件的一個(gè)微鏡元。
[0009] 控制所述數(shù)字微鏡器件的二維微鏡元陣列以奇偶間隔的排列方式翻轉(zhuǎn)狀態(tài)；其 中，把數(shù)字微鏡器件的微鏡元為+12°偏角的on狀態(tài)稱為偶場(chǎng)微鏡元，把數(shù)字微鏡器件的 微鏡元為-12°偏角的off狀態(tài)稱為奇場(chǎng)微鏡元；這樣，通過(guò)控制所述數(shù)字微鏡器件的二維 微鏡元陣列翻轉(zhuǎn)狀態(tài)將來(lái)自所述第一物鏡和所述第二物鏡所對(duì)應(yīng)目標(biāo)物的成像光線反射 給所述CCD圖像傳感器；所述CCD圖像傳感器接收所述數(shù)字微鏡器件反射的成像光線，得到 一幀數(shù)據(jù)；這幀數(shù)據(jù)包含所述第一物鏡和所述第二物鏡從不同角度對(duì)目標(biāo)物所成的兩幅圖 像信息。
[0010] 將CCD -幀數(shù)據(jù)以奇偶間隔的提取方式分列為奇偶兩個(gè)圖像數(shù)據(jù)矩陣，采用線性 插值法將分開(kāi)的奇偶兩個(gè)圖像數(shù)據(jù)矩陣存在的空像素補(bǔ)全得到IJP 12，分別表征所述第一 物鏡對(duì)目標(biāo)物所成圖像信息和所述第二物鏡對(duì)目標(biāo)物所成圖像信息。
[0011] 步驟二、坐標(biāo)計(jì)算：
[0012] 本發(fā)明基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置的幾何光學(xué)模型相當(dāng)于兩個(gè)虛擬 相機(jī)同時(shí)從所述第一物鏡和所述第二物鏡向目標(biāo)物成像。
[0013] 定義從所述第一物鏡向目標(biāo)物成像的第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系為0"χ"γ"ζα， 定義從所述第二物鏡向目標(biāo)物成像的第二虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系為〇 ε2Χε2Υε2Ζε2;定義所述 第一物鏡對(duì)目標(biāo)物所成1的圖像坐標(biāo)系為0 W1V1，定義所述第二物鏡對(duì)目標(biāo)物所成I2的圖 像坐標(biāo)系為O 2U2V2;定義兩虛擬相機(jī)之間的距離，即基準(zhǔn)距為b。
[0014] 目標(biāo)物上任意一點(diǎn)P，在I1的圖像坐標(biāo)為（U1, V1)，在I2的圖像坐標(biāo)為（u2, v2)， 在第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)為（x"，y"，ζα)，在第二虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)為 (x C2, ye2, ζε2);根據(jù)相機(jī)成像原理，P點(diǎn)在第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)與在^的圖像坐 標(biāo)之間關(guān)系為：
[0015]
[0016] P點(diǎn)在第二虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)與在12的圖像坐標(biāo)之間關(guān)系為：
[0017]
C23
[0018] 式（1)和（2)中的f為第一物鏡和第二物鏡的焦距。
[0019] 定義世界坐標(biāo)系為OwXwYwZ w，第一虛擬相機(jī)坐標(biāo)系的)("軸、第二虛擬相機(jī)坐標(biāo)系的 Xc2軸和世界坐標(biāo)系的X w軸同向，第一虛擬相機(jī)坐標(biāo)系的Y "軸和Z α軸方向是世界坐標(biāo)系 的Yw軸和Z w軸以X ￥為軸旋轉(zhuǎn)42°所得，第二虛擬相機(jī)坐標(biāo)系的Y C2軸和Z C2軸方向是世界 坐標(biāo)系的Yw軸和Z w軸以X ￥為軸旋轉(zhuǎn)-42 °所得；P點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)（X w，yw，zw)與在 第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)之間關(guān)系為：
[0020] (3)
[0021] P點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)（xw，yw，zw)與在第二虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)之間關(guān) 系為：
[0022] UiN 丄 丄 CUOUO Λ J < 〇/ i
(4)
[0023] 整合公式（I)、（2)、（3)、（4)，得到下面關(guān)系方程：[0024]
[0025] 公式（5)中，（Ul，V1)和（u2, V2)通過(guò)I1和在I 2得到，當(dāng)所述第一物鏡和所述第二 物鏡選型確定時(shí)f為已知，則得到： (5 )
[0026]
(S)
[0027] 將公式（6)代回公式（5)，得到P點(diǎn)的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)：
[0028]
<7)
[0029] 可見(jiàn)，對(duì)于目標(biāo)物的任意一點(diǎn)的三維空間世界坐標(biāo)都能通過(guò)公式（7)得到，如此 求得目標(biāo)物的所有點(diǎn)的世界坐標(biāo)值，便實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物的立體成像。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0031] 本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置和方法，通過(guò)數(shù)字微鏡器件 的二維微鏡元陣列狀態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)了從兩個(gè)方向?qū)δ繕?biāo)物的立體成像。與現(xiàn)有技術(shù)相比， 本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置僅使用一個(gè)CCD圖像傳感器，結(jié)構(gòu)緊 湊，成本較低。本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像方法從不同方向?qū)ν荒?標(biāo)物采集的兩幅視差圖像不存在同步時(shí)差，適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)物的立體視覺(jué)成像。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明提供的數(shù)字微鏡器件奇偶分場(chǎng)翻轉(zhuǎn)示意圖；
[0034] 圖3為本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置的幾何光學(xué)模型圖。
[0035] 圖中：1-第一物鏡，2-第二物鏡，3-反射鏡，4-數(shù)字微鏡器件，5-CXD圖像傳感器， 6_殼體，7-目標(biāo)物。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置，包括第一物鏡1、第 二物鏡2、反射鏡3、數(shù)字微鏡器件4、C⑶圖像傳感器5和殼體6 ;所述的第一物鏡1和第二 物鏡2型號(hào)相同，相對(duì)于基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置中心軸對(duì)稱；所述的數(shù)字 微鏡器件4放置在C⑶圖像傳感器5上方，數(shù)字微鏡器件4的基面與C⑶圖像傳感器5所 在面成33°夾角；所述的反射鏡3與數(shù)字微鏡器件4相向安置，且與CCD圖像傳感器5所 在面成66°夾角。
[0038] 所述的第一物鏡1以向右48°傾角將目標(biāo)物7成像光線投射給所述的反射鏡3 ; 所述的第二物鏡2以向左48°傾角將目標(biāo)物7成像光線投射給所述的數(shù)字微鏡器件4 ;所 述的反射鏡3將來(lái)自第一物鏡1的成像光線反射給數(shù)字微鏡器件4 ;所述的數(shù)字微鏡器件4 由基面和二維微鏡元陣列組成；所述的微鏡元有on和off兩個(gè)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)為on狀態(tài)時(shí)微 鏡元偏轉(zhuǎn)+12°，從第二物鏡2進(jìn)入的成像光線被數(shù)字微鏡器件4反射到C⑶圖像傳感器5 的感光面，當(dāng)為off狀態(tài)時(shí)微鏡元偏轉(zhuǎn)-12°，從第一物鏡1進(jìn)入經(jīng)反射鏡3反射的成像光 線被數(shù)字微鏡器件4二次反射到CCD圖像傳感器5的感光面；所述的CCD圖像傳感器5接 收從數(shù)字微鏡器件4反射來(lái)的成像光線，完成感光成像；所述的殼體6用于固定光學(xué)元件， 并對(duì)光路進(jìn)行密封以避免外界干擾光進(jìn)入。
[0039] 本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像方法，是利用上述基于數(shù)字 微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置，并按照以下步驟：
[0040] 步驟一、圖像采集：
[0041] 微調(diào)所述的數(shù)字微鏡器件4相對(duì)所述的C⑶圖像傳感器5的位置，使CXD像元與 數(shù)字微鏡器件4的微鏡元配準(zhǔn)，即每個(gè)CCD像元單一映射數(shù)字微鏡器件4的一個(gè)微鏡元。
[0042] 控制所述數(shù)字微鏡器件4的二維微鏡元陣列以奇偶間隔的排列方式翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，如 圖2所示；其中，把數(shù)字微鏡器件4的微鏡元為+12°偏角的on狀態(tài)稱為偶場(chǎng)微鏡元，把數(shù) 字微鏡器件4的微鏡元為-12°偏角的off狀態(tài)稱為奇場(chǎng)微鏡元；這樣，通過(guò)控制所述數(shù)字 微鏡器件4的二維微鏡元陣列翻轉(zhuǎn)狀態(tài)將來(lái)自所述第一物鏡1和所述第二物鏡2所對(duì)應(yīng)目 標(biāo)物的成像光線反射給所述CCD圖像傳感器5 ;所述CCD圖像傳感器5接收所述數(shù)字微鏡 器件4反射的成像光線，得到一幀數(shù)據(jù)；這幀數(shù)據(jù)包含所述第一物鏡1和所述第二物鏡2從 不同角度對(duì)目標(biāo)物7所成的兩幅圖像信息。
[0043] 將CCD -幀數(shù)據(jù)以奇偶間隔的提取方式分列為奇偶兩個(gè)圖像數(shù)據(jù)矩陣，采用線性 插值法將分開(kāi)的奇偶兩個(gè)圖像數(shù)據(jù)矩陣存在的空像素補(bǔ)全得到IJP 12，分別表征所述第一 物鏡1對(duì)目標(biāo)物7所成圖像信息和所述第二物鏡2對(duì)目標(biāo)物7所成圖像信息。
[0044] 步驟二、坐標(biāo)計(jì)算：
[0045] 本發(fā)明基于數(shù)字微鏡器件的立體視覺(jué)成像裝置的幾何光學(xué)模型如圖3所示，相當(dāng) 于兩個(gè)虛擬相機(jī)同時(shí)從所述第一物鏡1和所述第二物鏡2向目標(biāo)物7成像。
[0046] 定義從所述第一物鏡1向目標(biāo)物7成像的第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系為 OcA1YeiZei,定義從所述第二物鏡2向目標(biāo)物7成像的第二虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系為 Oc2Xe2Ye2Ze2;定義所述第一物鏡1對(duì)目標(biāo)物7所成I屈圖像坐標(biāo)系為0 W1V1，定義所述第二 物鏡2對(duì)目標(biāo)物7所成12的圖像坐標(biāo)系為0 2U2V2;定義兩虛擬相機(jī)之間的距離，即基準(zhǔn)距為 b〇
[0047] 目標(biāo)物7上任意一點(diǎn)P，在I1的圖像坐標(biāo)為（u η V1)，在I2的圖像坐標(biāo)為（u 2, v2)， 在第一虛擬相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)為（x"，y"，ζα)