一种基于双目视觉和激光测距的主动实时三维定位系统.pdf

本发明涉及一种基于双目视觉和激光测距的主动实时三维定位系统，由视觉处理子系统，控制子系统及机械机构三大部分组成。摄像头在图像采集卡控制下获取目标图像，交由视觉处理计算机进行处理，获得在图像坐标中的二维位置信息，发送到公共存储区，控制计算机首先从公共存储区获得位置信息经过坐标转换和实时规划，再通过D/A板输出到驱动器驱动电机并同时通过轴角编码器反馈回路控制激光器准确照射到目标，最后将测距仪测得深度信息反馈到视觉计算机从而得出目标的三维位置信息。该系统具有远距离精度高、主动性好、实时快速、成本低、工艺简单等优点。

1.  一种基于双目视觉和激光测距的主动快速实时三维定位系统，其特征在于：它包括视觉处理子系统，控制子系统及机械机构三大部分；其中视觉处理子系统由视觉处理计算机(内置图像采集卡、公共存储区)、摄像头、激光测距仪组成，控制子系统包括控制计算机(内置D/A板)、驱动器、电机(集成轴角编码器)。

2.  如权利要求1所述的一种基于双目视觉和激光测距的主动快速实时三维定位系统，其特征在于：由摄像机获取前方目标的图像后，由图像采集卡将其转换为数字信号，获得目标位置信息并存储在公共存储区内，控制计算机从公共存储区获得二维位置信息，并将二维位置信息从视觉坐标系下转化为以激光发射器为原点的坐标系下，计算出目标偏移原点的控制量，再通过D/A转换器分别将控制量输出到电机的驱动器来驱动电机转动，同时通过电机内置的轴角编码器构成的反馈回路来控制电机准确的转动对准待测目标，由激光测距仪接收端将目标的反射信号汇聚到线阵CCD上，根据三角测量法计算出目标的距离信息(也就是深度信息)，最后检测到的深度信息和二维位置信息反馈到视觉计算机，便综合出目标的三维位置信息。

一种基于双目视觉和激光测距的主动实时三维定位系统
所属技术领域：
本发明为一种基于双目视觉和激光测距的主动实时三维位置信息获取系统，属于图像处理和自动化领域，用于快速准确获得物体的三维位置信息。
背景技术：
目前，使用双目立体视觉是获得目标三维位置信息的主要手段。常用的方法是由两个摄像头同步获得立体图像对，再根据立体视觉的原理，计算出图像公共视野里每一点的深度信息，生成深度图，再提取出目标对应的深度信息，来确定目标的三维位置信息。但这些设备都存在以下问题：
1.远距离精度低：以前研究的双目及多目立体视觉在测量近距离目标时(5米以内)具有比较高的精度(1毫米以上)，在较远距离(5米以外)精度很差甚至无法测量。
2.主动性差：当空间三维场景在摄像机中被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合在单一的图像灰度值里。显然，要从包含了如此之多不利因素的图像里很难准确地求得高精度的深度信息。而在应用中，大部分情况下也是不需要对每一个点求深度信息的。因此，许多计算是没有必要的，也缺乏主动选择目标的能力。
3.运算量大，实时性差：立体视觉要求能够求解一对立体图像中的每一个对应点，图像所包含的丰富信息，使得逐点对应匹配的速度很慢，而且易产生“病态”计算问题。虽然为解决此问题，在正则化框架下加入了一定约束，使问题转化为求多条件函数的最优解，但大大增加了计算难度和计算量，使视觉处理速度难以提高，无法满足实时性要求，限制了应用领域。
为了提高视觉子系统对目标三维定位的主动性，降低立体视觉图像处理的计算量和提高系统的实时性，主动快速的获得目标的位置信息，本发明提供了一种新的确定目标三维位置信息的方法以及应用该方法实现的一套定位系统。
发明内容：
整个系统由视觉处理子系统，控制子系统及机械机构三大部分组成。
视觉处理子系统由视觉处理计算机(内置图像采集卡、memo-link主卡)、摄像机、激光测距仪组成。本发明所采用的内置图像采集卡安装在PCI插槽里，并与所采用的摄像机能兼容。memo-link是一种用于两个计算机间高速通信的设备，该设备由主卡和子卡两块组成，用RS485接口互连，在本发明中memo-link被视为该系统的公共存储区。
控制子系统包括控制计算机(内置D/A板、memo-link子卡)、驱动器、电机(集成轴角编码器)。
机械机构由轴承及用于安装电机、摄像头和激光测距仪的固定支架组成，具有二维自由度，主要起安装和支撑的作用。具体构架为：两个与图像采集卡兼容的摄像机固定在机械机构内的长方体形支架上，在两个摄像机的中点处安放着激光测距仪的发射部分也就是半导体激光器，在激光器的正上方安装着激光测距仪的接收部分即一个带有直径4厘米焦距8厘米聚焦镜头的线阵CCD。在长方体固定支架的后方水平放置着一个15瓦的无刷直流电机，电机直径为4厘米长为10厘米内置轴角编码器，用于驱动系统上下转动(Y轴方向)到指定角度。在其下方为一个筒装支架，外径为6厘米，内径为4厘米，里面安装了一个15瓦的无刷直流电机，该电机与水平放置电机完全相同，用于驱动系统左右转动(X轴方向)到指定角度。
其主要技术方案为：
由摄像机获取前方目标的图像后，传入图像采集卡，由图像采集卡将摄像机获取目标的图像转换为数字信号，并获得目标位置信息，将其存储在安装于视觉计算机PCI插槽内memo-link主卡的公共存储区内。控制计算机由memo-link子卡从公共存储区获得二维位置信息并将视觉坐标系下目标的位置信息转化为以激光发射器为原点的坐标系下的位置信息，计算出目标偏移原点的控制量，再通过12位的D/A转换器分别将控制量输出到电机的驱动器来驱动电机转动并同时通过电机内置的轴角编码器构成的反馈回路来控制电机准确的转动到要求的角度——即将目标就位于激光测距仪的发射端也就是半导体激光器的正前方，激光器可以准确地照射到待测目标上，激光测距仪接收端的聚焦透镜将目标的反射信号汇聚到线阵CCD上，根据线阵CCD的输出用三角测量法计算出目标的距离信息(也就是深度信息)，最后检测到的深度信息和二维位置信息反馈到视觉计算机便显示出了目标的三维位置信息。
本发明的有益效果是：
1.精度高。激光测距仪有很高的精度，除了能够在近距离(5米以内)地距离内实现立体视觉的精度，尤其是在测量较远距离(＞5米)的目标时，有立体视觉无法比拟的精度和稳定性。
2.具有主动性。在应用中可以根据使用要求对感兴趣的点求距离信息一也就是深度，而不必对整幅图像逐点求解，减少了不必要的计算。
3.造价低。本发明使用了双CPU的结构，该CPU也可以用DSP或者MCU等代替，比类似产品价格低，
4.实时快速。本发明中目标的深度信息是由激光测距仪测得的，可以达到100Hz以上的测试频率。而且不用对立体图像进行对应点匹配，因此速度快，实时性非常好。
5.工艺简单。机械部分仅由实现两个自由度的电机和固定摄像头、激光测距仪的安装支架组成，加工、安装方便。
而且本发明还具有体积小重量轻的特点，可以很容易集成到其他系统中，作为一种功能单元存在。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本发明的系统示意图
图2是机械机构的正视图
图3是机械机构的俯视图
图4是视觉子系统工作流程图
图5是控制子系统工作流程图
图6是控制子系统框图
图1，2，3中：1.目标，2.摄像机，3.激光测距仪的发射部分也就是半导体激光器，4.激光测距仪的接收部分即线阵CCD，5.Y轴电机(实现上下运动)，6.X轴电机(实现左右运动)，7.长方体支架8.视觉处理计算机(内置图像采集卡)，9.公共存储区，10.控制计算机(内置D/A板，驱动器)。
具体实施方式：
该系统实现三维定位的具体步骤如下：
第一步：双目摄像机2将视野中的目标1的图像，送至视觉处理计算机8内的图像采集卡
第二步：图像采集卡将图像信号转换成数字信号，交由视觉处理计算机8(图3)进行处理，计算出目标在视觉平面的二维位置并将该信息发送到公共存储区9里。
第三步：控制计算机10读取公共存储区9中的位置数据，由控制程序(图4)根据摄像机2和半导体激光发射器3的安装位置进行坐标转换和实时运动规划。
第四步：控制程序将驱动信号发送至控制计算机10的内置D/A板。D/A板转为模拟信号后给驱动器驱动对应的X，Y轴电机5、6，使半导体激光器3准确照射到目标1上(图5)。
第五步：根据从目标1上获取的反射光通过激光测距仪的接收部分即线阵CCD4输出用三角测量法可以获得目标1的深度信息并传送给视觉处理计算机8综合处理后得到目标1的三维信息。