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基于双目立体视觉的距离测量

基于双目立体视觉的距离测量
基于双目立体视觉的距离测量

摘要

立体视觉技术是机器人技术研究中最为活跃的一个分支,是智能机器人的重要标志。双目立体视觉是通过对同一目标的两幅图像提取、识别、匹配和解释,重建三维环境信息的过程。主要包括:视频捕获、摄像机定标、图像预处理和特征提取、立体匹配以及三维重建。通过对双目立体视觉技术的进一步研究,对多目视觉具有重要的启发,为解决智能移动机器人、工业装配机器人、家用机器人、公共服务机器人的视觉问题奠定良好的技术基础。

计算机立体视觉的主要研究内容是由多幅二维的平面图像恢复出被摄物体的三维坐标,而其中基于两幅图像的双目视觉技术则是一个研究热点。双目立体视觉的基本原理是模仿人眼与人类视觉的立体感知过程,从两个视点观察同一景物,以获取不同视角下的感知图像,通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差,以获取景物的三维信息。

一个完整的双目视觉系统通常可分为图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、目标定位和深度图生成等六大部分。本论文主要是图像特征提取、立体匹配这两方面的内容展开研究。首先根据选择的立体视觉成像系统模型阐述了立体视觉测距的基本原理。其次,对图像特征提取等预处理方法进行详尽地分析,通过实例对算法进行实验。同时,对图像匹配问题涉及的内容包括图像匹配方式、质量控制策略等进行了总结。最后,以特征提取与图像匹配研究为基础,针对不同类型的立体图像提出了基于图像边缘特征和图像兴趣点的匹配方法。

关键词:立体视觉摄像机定标特征提取立体匹配深度图

用“双视点投影光栅三维测量”原理,由双摄像机获取图像对,通过计算机进行图像数据处理,不仅可以获取服装设计所需的特征尺寸,还可根据需要获取人体图像上任意一点的三维坐标。

§1.2.2发展趋势

20世纪70年代中期以Matt、Barrow和Tenenbaum等人为代表的一些研究者提出了一整套视觉计算的理论来描述视觉过程,其核心是从图像恢复物体的三维形状。在视觉研究的理论下,以Marr的理论影响

最为深远,并成为这一领域的主导思想IlJ。马尔教授认为:视觉可分为

三个阶段。第一阶段是早期视觉(earlyvision),其目的是拍取观察者周围景物表面的物理特性,如距离、表面方向、材料特性(反射、颜色、。纹理)等,具体来说包括边缘检测、双目立体匹配、由阴影确定形状、由纹理确定形状等。第二阶段是二维半简图(2.5Dsketch)或本征图像(IntrinsicImage)。它是在以观察者为中心的坐标系中描述表面的各种特性。根据这些描述,可以重建物体边界,按表面和体积分割景物。但在以观察者为中心的坐标系中只能得到可见表面的描述,得不到遮挡表面的描述,故称二维半简图。第三阶段是三维模型一视觉信息处理的最后一个层次,是用二维半简图中得到的表面信息建立适用于视觉识别的三维形状描述。这个描述应该与观察者的视角无关,也就是在以物体为中心的坐标系中,以各种符号关系和几何结构描述物体的三维结构和空问关系。

经过近三十年的发展,在马尔的理论框架下,机器人立体视觉取得了一大批成果。但随着机器人立体视觉研究的不断深入,大们发现了马尔视觉理论的局限性,即从景物图像或系列图像求出景物精确的三维几

何场景并定量的确定景物中物体的性质时遇到了困难121。在Marr的理

论中,输入是被动的,给什么图像系统就处理什么图像,整个处理过程基本上是“自底向上”的,没有反馈。处理的目的是不变的,总是要求出场景中物体的形状和它们的空I’日J位置和关系。其理论强调表示的重要性以及从不同层次上去研究信息处理问题,在计算理论和算法实现上又特别强调计算理论的重要性。这些理论多数是建立在对人类感知三维信息分析的基础上。尽管这些方法在数学上是可行的,但由于各种干扰的存在以及逆成像的问题,使得问题本身是病态的。

进入80年代中后期,随着移动式机器人立体视觉研究的发展,大量运用空间几何的方法以及物理知识来研究双目立体视觉,其主要是完成对道路和障碍的识别处理。这一时期引入主动视觉的研究方法,并采

双目视觉成像原理

双目视觉成像原理 1.引言 双目立体视觉(BinocularStereo Vision)是机器视觉的一种重要形式,它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差,来获取物体三维几何信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别,使我们可以获得明显的深度感,建立特征间的对应关系,将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来,这个差别,我们称作视差(Disparity)图。 双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点,非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对运动物体(包括动物和人体形体)测量中,由于图像获取是在瞬间完成的,因此立体视觉方法是一种更有效的测量方法。双目立体视觉系统是计算机视觉的关键技术之一,获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。 2.双目立体视觉系统 立体视觉系统由左右两部摄像机组成。如图一所示,图中分别以下标L和r标注左、右摄像机的相应参数。世界空间中一点A(X,Y,Z)在左右摄像机的成像面CL和CR上的像点分别为al(ul,vl)和ar(ur,vr)。这两个像点是世界空间中同一个对象点A的像,称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点,分别作它们与各自相机的光心Ol和Or的连线,即投影线alOl和arOr,它们的交点即为世界空间中的对象点A(X,Y,Z)。这就是立体视觉的基本原理。 图1:立体视觉系统 3.双目立体视觉相关基本理论说明 3.1双目立体视觉原理 双目立体视觉三维测量是基于视差原理,图2所示为简单的平视双目立体成像原理图,两摄像机的投影中心的连线的距离,即基线距为b。摄像机坐标系的原点在摄像机镜头的光心处,坐标系如图2所示。事实上摄像机的成像平面在镜头的光心后,图2中将左右成像平面绘制在镜头的光心前f处,这个虚拟的图像平面坐标系O1uv的u轴和v轴与和摄像机坐标系的x轴和y轴方向一致,这样可以简化计算过程。左右图像坐标系的原

双目视觉原理

Bumblebee 双目测量基本原理 一.双目视觉原理: 双目立体视觉三维测量是基于视差原理。 图 双目立体成像原理 其中基线距B=两摄像机的投影中心连线的距离;相机焦距为f 。 设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点(,,)c c c P x y z ,分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P 的图像,它们的图像坐标分别为(,)left left left p X Y =,(,)right right right p X Y =。 现两摄像机的图像在同一个平面上,则特征点P 的图像坐标Y 坐标相同,即 left right Y Y Y ==,则由三角几何关系得到: () c left c c rig h t c c c x X f z x B X f z y Y f z ?=???-=???=? ? (1-1) 则视差为:left right D isparity X X =-。由此可计算出特征点P 在相机坐标系下的三维坐标为: left c c c B X x D isp a rity B Y y D isp a rity B f z D isp a rity ? =???= ?? ?= ?? (1-2) 因此,左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面上找到对应的匹配点,就可以确定出该点的三维坐标。这种方法是完全的点对点运算,像面上所有点只要存在相应的匹配点,

就可以参与上述运算,从而获取其对应的三维坐标。 二.立体视觉测量过程 1.图像获取 (1) 单台相机移动获取 (2) 双台相机获取:可有不同位置关系(一直线上、一平面上、立体分布) 2.相机标定:确定空间坐标系中物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系。 (1)内部参数:相机内部几何、光学参数 (2)外部参数:相机坐标系与世界坐标系的转换 3.图像预处理和特征提取 预处理:主要包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、滤波和图像的增强、伪彩色处理等; 特征提取:常用的匹配特征主要有点状特征、线状特征和区域特征等 4.立体匹配:根据对所选特征的计算,建立特征之间的对应关系,将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。 立体匹配有三个基本的步骤组成:1)从立体图像对中的一幅图像如左图上选择与实际物理结构相应的图像特征;2)在另一幅图像如右图中确定出同一物理结构的对应图像特征;3)确定这两个特征之间的相对位置,得到视差。其中的步骤2是实现匹配的关键。 5.深度确定 通过立体匹配得到视差图像之后,便可以确定深度图像,并恢复场景3-D信息。 三.Triclops库中的数据流程 Triclops库中的数据流程如下图所示。系统首先从相机模型中获得raw格式的图像,最终将其处理成深度图像。在系统中有两个主要的处理模块。第一个处理模块是一个应用了低通滤波、图像校正和边缘检测的预处理模块。第二个处理模块用来做立体匹配、结果确认和亚像素插值。最后的处理结果就是一幅深度图像。 1.预处理(Pre-processing)

基于hancon双目立体视觉焊缝检测

基于halcon的双目立体视觉焊缝检测

基于halcon的双目立体视觉焊缝检测 1 前言 现代焊接生产中,对焊接技术和质量的要求愈来愈高。自动化和智能化在焊接生产上的应用日趋广泛。 近年来图像处理技术和机器视觉技术得到空前的发展,如果把机器视觉技术用在焊缝成形质量评判中,可以提高评判效率,为焊接质量评判的智能化打下基础。机器视觉是运用计算机来模拟人的视觉,从不同事物的图像中获取信息,进行相应处理并加以分析、理解,最终应用于实际的检测与测量等。机器视觉检测和测量方法不但可以有效提高生产效率与自动化程度,且易于实现信息的集成,从而满足数字化自动化生产的要求。 机器视觉中的立体视觉技术把二维景物的分析推广到了三维景物,该项技术可方便实现从图像获取到三维景物表面重建的完整体系,对于整个机器视觉的发展具有重要意义。双目立体视觉是立体视觉中的一个重要的分支,它直接模拟人视觉处理景物的方式,可以在各种条件下灵活地测量景的立体信息。

2 双目视觉检测 2.1 基本理论 如图1 所示,设点P为空间焊缝某一特征点,该点在两相机平面O1和O2的投影点依次为P1和P2。 图1 双目视觉原理 根据空间解析几何理论,很显然,式( 3) 中的4个方程均具有平面解析式的形式,前2 方程代表2平面相交,得到的是直线O1P1P 的方程,同理直线O2P2P 的方程由后2 个方程得出。两直线方程相交,即可求出P 点的空间三维坐标。 可见,若采用单相机模型,则理论上仅能解出一条直线的空间方程,无法得出空间点的准确三维坐标,而双目视觉理论则能够克服这个缺陷,从而使焊缝的精确测量有了可能。 2.2图像处理 为实现准确测量的目的,必须对采集到的图像进行数字化处理。首先,经过相机采集到的焊缝图像不可避免地存在一些污染痕迹,这

机器人双目立体视觉测距技术研究与实现_张蓬

计算机测量与控制.2013.21(7)  Computer Measurement &Control    ·1775  · 收稿日期:2012-11-25; 修回日期:2013-01-23。 基金项目:油气管道受阻瞬态流时空演化规律及智能控制方法研究 (50905186)。 作者简介:张 蓬(1963-),女,北京人,副教授,主要从事机械电子 工程,机器人控制技术方向的研究。 文章编号:1671-4598(2013)07-1775-04 中图分类号:TP391.4文献标识码:A 机器人双目立体视觉测距技术研究与实现 张 蓬,王金磊,赵 弘 (中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京 102249) 摘要:机器人视觉是一种重要的机器人传感技术,主要应用于机器人定位和检测之中;文章阐述了构建机器人双目立体视觉测距系统的方法,并运用Labview对所设计的系统加以实现;完成了图像的采集、预处理和边缘检测;通过在Labview中的C语言接口调用C算法程序,进行了物体特征识别和目标物体测距的算法实现;实验表明焦距、滤波算法和外围光源都会对测量结果会产生较大影响;在相同检测距离不同焦距时得到的检测精度会有一些偏差;并且加入低通滤波,可增加图像识别的精度,进而使特征点匹配和检测的精度都有所提高,对提高系统的检测精度具有实际意义。 关键词:移动机器人;图像识别;测距;双目立体视觉 Research and Implementation of Robotic Binocular Visual Distance Measuring Technology Zhang Peng,Wang Jinlei,Zhao Hong (China University of Petroleum,Beijing 102249,China) Abstract:Robot vision is an important part of the robot sensing technology,mainly used in robot localization and detection.This paperdescribes a method to build a robot binocular stereo visual distance measurement,and uses Labview tool to design and implement a system.The system has functions of the image acquisition,pre-processing and image edge detection.By using C language interface in Labview,Calgorithm can be used for object features identify and target objects ranging.Experiments show that the focal length,the filter algorithm andperipheral light source have a greater impact on the measurement results.Detection accuracy in the same detection distance and different focallengths has a few of deviation.And adding a low-pass filter can increase the accuracy of identification of the image.Then feature pointsmatching and detection accuracy have improved.It has practical significance to improve the detection accuracy of the system.Key words:mobile robots;distance measuring;binocular stereo vision 0 引言 机器人视觉又称为计算机视觉,是一门研究通过图像数据 观察世界的学科。机器人借助各种传感装置(如摄像头,声 纳,里程计,光电编码器等)获取周围场景的图像信息,以感 知和恢复周围的三维环境中的物体的几何形态、颜色、相对位 置、安放姿态和运动等信息,并通过对客观世界的描述,感知 和解释,经过机器人智能运算完成需要完成的任务[1]。机器人 的双目立体视觉技术是基于模仿人眼与人类视觉的立体感知过 程,从两个视点观察同一景物,以获取不同视角下的感知图 像,通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差,以获取景 物的三维信息。双目视觉技术在机器人的定位导航、避障、地 图构建和测距等方面得到了应用。 1 双目立体视觉的系统组成 双目立体视觉是对同一目标的两幅图像提取、识别、匹配 和解释,重建三维环境信息的过程。双目视觉系统通常由图像 采集、摄像机定标、图像预处理、立体匹配和深度图生成等五 大部分组成。 图像采集即通过光学镜头或红外,超声、X射线等对周围场 景和物体进行探测成像,得到关于场景和物体的二维或三维数字 图像[2]。空间点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互 关系是由摄像机成像的几何模型决定的,而这些几何模型参数就 是摄像机参数,求解这些参数的过程为摄像机定标[3]。图像预处 理是对原始图像进行处理,例如图像滤波、图像增强、边缘检测 等,以便从图像中抽取诸如焦点,边缘,线条,边界以及色彩等 关于成像的基本特征[4]。立体匹配是寻找同一空间景物在不同视 点下投影图像中像素间的一一对应关系,从立体匹配实现的技术 上考虑,立体匹配可以分为基于区域的匹配和基于特征的匹配。 深度图生成即是深度信息的可视化过程。 2 双目立体视觉测距算法 双目立体视觉三维测量是通过计算空间点在两幅图像中的 视差来获取景物的三维坐标值。设空间一点P在世界坐标系 下的坐为(X,Y,Z,1),假设两个相同的平行放置的摄像机 镜头光心距离为B,摄像焦距为f,成像模型如图1所示,摄 像机坐标系的原点O与左摄像机光心O1重合,x1—y与x2— y为两成像平面,因水平轴同线,所以Y轴相同[5]。 以立体空间的一个投影面为例,若左右摄像头成像点坐标 分别为(x1,y),(x2,y),那么该点成像平面如图2所示[6]。 通过图2可知在深度d为: d= Bf x2-x1 (1) 据此原理,则可推导出3个投影面坐标:

基于OpenCV的双目立体视觉测距

基于OpenCV的双目立体视觉测距 基于OpenCV的双目立体视觉测距 论文导读:: 双目立体视觉模型。摄像机标定。立体匹配采用OpenCV库中的块匹配立体算法。目前的测距方法主要有主动测距和被动测距两种方法。论文 关键词: 双目立体视觉,摄像机标定,立体匹配,测距 (一)引言基于计算机视觉理论的视觉测距技术是今后发展的一个重要方向,它在机器人壁障系统、汽车导航防撞系统等领域有着广泛的应用前景。目前的测距方法主要有主动测距和被动测距两种方法。论文采用的是被动测距法。被动测距法是在自然光照条件下,根据被测物体本身发出的信号来测量距离,主要包括立体视觉测距法、单目测距法、测角被动测距法等。立体视觉测距法是仿照人类利用双目感知距离信息的一种测距方法,直接模拟人的双眼处理景物,简便可靠,但该方法的难点是选择合理的匹配特征和匹配准则。双目立体视觉系统采用两台摄像机同时从两个不同视点获取同一景物的多幅图像,即立体图像对,通过测量景物在立体图像对中的视差,再利用双目视觉成像原理就可以计算出目标到摄像机的距离。立体匹配采用OpenCV库中的块匹配立体算法,在得到摄像机参数和匹配点后再利用最小二乘法即可算出三维信息。 (二)双目立体视觉模型首先介绍双目视觉所涉及到三个坐标系: 世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系。世界坐标系中的点坐标记为,摄像机坐标系用表示。图像坐标为摄像机所拍摄到的图像的二维坐标,一般有两种表示方法:

是以像素为单位的图像坐标,是以毫米为单位的图像坐标。建立以毫米为单位的图像坐标是因为坐标只表示了像素在数字图像中的行数和列数,并没有表示出该像素在数字图像中的物理位置论文范文。图1为平行双目视觉模型,即参数相同的两个摄像机平行放置,两光 轴互相平行且都平行于z 轴,x 轴共线摄像机标定,两摄像机光心的距离为 B(即基线距)。图中O 1、O2为左右两摄像机的焦点,I1 、I2为左右摄像机的像平面,P1 、P2 分 别是空间点P在左右像平面上的成像点,f是摄像机的焦距。若视差d 定义为?P1- P2?,则点P到立体视觉系统的距离为: 图1 平行双目视觉模型 (三)摄像机标定摄像机标定是为了建立三维世界坐标与二维图像坐标之间的 一种对应关系。系统采用两个摄像机进行图像采集,设定好两个摄像机之间的距离(即基线距),用摄像机同时采集放在摄像机前的标定物。摄像机标定采用的是张正友的标定方法,棋盘格大小为30mm30mm,角点数为117。标定板的规格如图2所示。图2 平面标定板规格张正友的标定方法需要摄像机从不同角度拍摄标定板 的多幅图像。由于两个摄像机是向前平行放置的,且基线距固定,所以只需摆放标定板的位置变化即可。摄像机为针孔成像模型,则空间点与图像点之间的映射关系为: 为方便计算,使标定板所在平面的Z坐标均为0,即Z=0的平面,则上式可变为: 其中,A为摄像机的内参矩阵,为摄像机外参矩阵,s为尺度因子。令,,则上 式可写为: 其中,为透视投影矩阵,它是标定板上的点和其像点之间的映射。在已知空 间点和其对应像点后,可根据最小二乘方程,采用Levenberg-Marquardt算法求解

双目立体视觉的水下应用

双目立体视觉的水下应用 从图像预处理、相机标定、立体匹配三个方面论述了双目视觉在水下场景的应用,比较了与空气环境中应用的不同,对水下双目视觉发展趋势做了分析。 标签:水下双目视觉;相机标定;立体匹配 Abstract:This paper discusses the application of binocular vision in underwater scene from three aspects of image preprocessing,camera calibration and stereo matching,compares the application of binocular vision with that in air environment,and analyzes the development trend of underwater binocular vision. Keywords:underwater binocular vision;camera calibration;stereo matching 引言 双目立体视觉技术利用视差理论恢复像素的深度信息和三维坐标,通过获取左右两个视角下同时采集的两幅图像恢复三维场景信息,还原真实的三维世界,为导航提供目标的位置信息描述,是被动式视觉测量技术的一种。作为计算机视觉的一个重要分支,双目立体视觉技术模型简洁,运算高效,有着广阔的应用前景。而随着海洋科学技术的发展和人类对海洋资源探索的逐渐深入,双目视觉技术逐渐被应用到海洋探测,在对水下目标的监控、海底地形测绘、海流测量、水下军事设施的探测和侦查等方面都有着广泛的应用。 双目立体视觉系统模拟人眼,通过三角测量原理来获取图像的视差,进而得到目标三维信息,一般由以下几个功能模块组成:图像采集,相机标定,立体匹配,三维重建。常规的双目视觉大多是在单一介质的空气中,而由于水下环境的特殊性,往往存在光的散射,吸收效应等不利因素的干扰,相关技术方法也应随环境作适应性调整。本文从图像处理,相机标定,立体匹配这三个方面在水下场景的应用做了论述,阐明了与单一空气介质环境中的不同,并对水下双目立体视觉技术的发展做了展望。 1 成像模型 双目立体视觉用到的模型一般是线性的针孔模型,该模型是双目立体视觉中成像的基本模型,将相机理想化,并把空间点投影视为中心,投影未考虑镜头畸变和环境等其他因素,所以也叫线性摄像机模型。而水下成像模型则是考虑到折射的影响,对此做相应补偿和修正。 在双目立体视觉系统中,为了研究空间点和像点的投影关系,通常会用到4个坐标系:世界坐标系OW-XWYWXW、相机坐标系O-xyz、图像物理坐标系O-XY和图像像素坐标系Of-uv。

一种快速双目立体匹配方法

邮局订阅号:82-946120元/年技术创新 软件时空 《PLC 技术应用200例》 您的论文得到两院院士关注 一种快速双目立体匹配方法 A Fast Stereo Matching Method for Binocular Images (苏州大学) 梅金燕龚声蓉赵勋杰 MEI Jin-yan GONG Sheng-rong ZHAO Xun-jie 摘要:在双目立体视觉中立体匹配是关键技术之一。为了提高匹配速度,提出一种新的立体匹配方法。首先根据极线约束条件限定同名点搜索区域,然后在极线约束区域使用活动轮廓分割出物体区域,进一步缩小匹配点搜索范围。在匹配算法方面,使用了邻域差值模板匹配方法。实验证明,提出的方法能够显著地提高匹配速度,并有较好的匹配精度。关键词:立体匹配;极线约束;活动轮廓;领域差值模板中图分类号:TP391文献标识码:A Abstract:Stereo matching is crucial for the distance measurement with binocular stereo system.Since the two cameras are hardly to be strictly parallel,matching based on epipolar constraint can not be applied directly.Analysing the system ’s module,a new mach -ing method was proposed in this paper.Firstly,the correct loaction area was selected based on the epipolar constraint.Secondly,the background was excluded out of the former area by active counter model.Finaly,the corresponding point is matched via feature tem -plate which is formed of neighborhood difference.The experimental results show that the proposed algorithm can improve stereo matching speed and it is more effective in the situation of detecting more than one point on the surface of the same object.Key words:Stereo matching;Epipolar constraint;Active counter;Neighborhood difference template 文章编号:1008-0570(2012)10-0415-03 引言 双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支,它是一种由两幅图像获取物体三维几何信息的方法。它利用两个摄像机对同一景物从不同的视角成像,然后根据视差和投影模型来获取景物的三维信息。双目立体视觉由于直接模拟了人类双眼视觉的生理构造,因此,在许多领域有着广阔的应用前景,如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。 在双目立体视觉中,通过立体匹配方法寻找空间同一物点在左、右两幅图像上对应的投影点(同名点)进而获得视差。立体匹配方法大体可以分为基于区域灰度和基于特征两类匹配方法。基于区域灰度的匹配方法简单,容易实现,但对于左图像中的每一像点,都要与右图像中所有点进行相 关运算,计算量大,实时性差,且对光照因素比较敏感。通过极线约束,可以沿物点对应极线搜索同名点,将二维搜索限制到一维搜索,提高匹配的速度。但是,在两图极线不平行时这种匹配方法不适合。针对这种情况,文献对整个图像平面投影进行校正,使两个图像重投影后极线平行,对校正后的图像进行相关匹配。然而,平面投影校正忽略了极线的方向性,在极点距离图像较近时图像失真严重,方法比较复杂。文献提出了基于极线局部校正的匹配算法,使基于灰度的匹配方法可以得到有效的应用,然而,该方法匹配时间较长,效率较低。文献在分析双目成像形成极线约束的基础上,从行和列两个方向上缩小第二幅图像待 匹配特征点坐标的搜索范围,提高了匹配速度,但是搜索范围通常包括前景和后景,匹配正确与否易受后景影响。 针对上述问题,本文提出了一种快速立体匹配方法。首先根据极线约束限定同名点搜索区域,然后通过检测物体轮廓去除背景区域,进一步约束搜索区域。最后,采用邻域差值模板进行匹配,将特征匹配和区域匹配两种方法结合起来,减小光照因素的影响。 1极线约束原理 在如图1所示的双目立体视觉系统中,假设三维空间点P 是两个摄像机均可见的空间场景物上的一点,点P 在光心点为 C L 和C R 相机像面I L 、I R 上的投影分别为P L 、P R ,由光心、 像点和空间点形成的平面称为极平面。两光心连线与像平面的交点分别为E L 、E R 。极平面与左像面I L 的交线P L E L 图1双目立体视觉中的极线几何关系 称为点P R 在图像I L 中的极线,交线P R E R 也有同样的定义。无论与P L 对应的P 点距离远近,它在右图上的投影点总是在P L 的极线P R E R 上。对于任意P L ,只需要在它的极线上寻找对应点 P R ;反之亦然。 这是双目视觉的一个重要特点,称之为极线约束。通过极线约束,我们可以由一个投影点知道其对应的极线,但不知道它对应点的具体位置,即极限约束是点与直线的对应,而不是点与点的对应。尽管如此,极限约束给出了对应点重要的约束条件,它将对应点匹配从整幅图像寻找限定在一条直线上需找对应点。因此,极大地减小了搜索地范围,对点的匹配具有 梅金燕:硕士研究生 基金项目:基金申请人:龚声蓉;项目名称:基于二型模糊概率图模型的多摄像头目标检测研究;基金颁发部门:国家自然科学基金委员会(61170124) 415--

双目立体视觉技术的实现及其进展

双目立体视觉技术的实现及其进展 摘要:阐述了双目立体视觉技术在国内外应用的最新动态及其优越性。指出双目体视技术的实现分为图像获取、摄像机标定、特片提取、立体匹配和三维重建几个步骤,详细分析了各个步骤的技术特点、存在的问题和解决方案,并对双目体视技术的发展做了展望。 关键词:双目立体视觉计算机视觉立体匹配摄像机标定特征提取 双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支,即由不同位置的两台或者一台摄像机(CCD)经过移动或旋转拍摄同一幅场景,通过计算空间点在两幅国像中的视差,获得该点的三维坐标值。80年代美国麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双睛匹配上,使两张有视差的平面图产生在深度的立体图形,奠定了双目立体视觉发展理论基础。相比其他类的体视方法,如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等,双目本视直接模拟人类双眼处理景物的方式,可靠简便,在许多领域均极具应用价值,如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。 1 双目体视的技术特点 双目标视技术的实现可分为以下步骤:图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建,下面依次介绍各个步骤的实现方法和技术特点。 1.1 图像获取 双目体视的图像获取是由不同位置的两台或者一台摄像机(CCD)经过移动或旋转拍摄同一幅场景,获取立体图像对。其针孔模型如图1。假定摄像机C1与C2的角距和内部参数都相等,两摄像机的光轴互相平行,二维成像平面X1O1Y1和X2O2Y2重合,P1与P2分别是空间点P在C1与C2上的成像点。但一般情况下,针孔模型两个摄像机的内部参数不可能完成相同,摄像机安装时无法看到光轴和成像平面,故实际中难以应用。 上海交大在理论上对会摄式双目体视系统的测量精度与系统结构参数之间的关系作了详尽分析,并通过试验指出,对某一特定点进行三角测量。该点测量误差与两CCD光轴夹角是一复杂的函数关系;若两摄像头光轴夹角一定,则被测坐标与摄像头坐标系之间距离越大,测量得到点距离的误差就越大。在满足测量范围的前提下,应选择两CCD之间夹角在50℃~80℃之间。 1.2 摄像机的标定 对双目体视而言,CCD摄像机、数码相机是利用计算机技术对物理世界进行重建前的基本测量工具,对它们的标定是实现立体视觉基本而又关键的一步。通常先采用单摄像机的标定方法,分别得到两个摄像机的内、外参数;再通过同一世界坐标中的一组定标点来建立两个摄像机之间的位置关系。目前常用的单摄像机标定方法主要有: (1)摄影测量学的传统设备标定法。利用至少17个参数描述摄像机与三维物体空间的结束关系,计算量非常大。 (2)直接线性变换性。涉及的参数少、便于计算。 (3)透视变换短阵法。从透视变换的角度来建立摄像机的成像模型,无需初始值,可进行实时计算。 (4)相机标定的两步法。首先采用透视短阵变换的方法求解线性系统的摄像机参数,再以求得的参数为初始值,考虑畸变因素,利用最优化方法求得非线性解,标定精度较高。 (5)双平面标定法。 在双摄像机标定中,需要精确的外部参数。由于结构配置很难准确,两个摄像机的距离

双目视觉的图像立体匹配系统-说明文档

双目视觉的图像立体匹配系统文档 1 引言 计算机视觉技术的发展将光与影的艺术和计算机的逻辑性紧密结合起来,而双目立体视觉技术更将这种结合从平面二次元上升到立体的角度,为我们的生产生活提供了新的技术和工具,例如已经被普遍运用的3D电影技术,研发中的虚拟现实、谷歌视觉眼镜、汽车自动驾驶技术,即将上市的淘宝虚拟实景购物等,不断改变着我们的生活,另外双目立体视觉在军事、医学、工业等领域都有其重要的作用,是机器感知物体几何层级的基础,因此对双目视觉的理论研究成为推动立体视觉乃至计算机视觉技术在各个领域创造更高价值的重要因素。 在双目视觉的研究和运用中,最重要的一个阶段无疑为将平面图像转化为可计算机可识别的立体模型,这里将用到立体匹配技术,目前双目视觉研究领域用到的立体匹配算法及其衍生算法有很多种,算法的效率和匹配精度将直接影响到算法运用的响应时间和准确度[1],当今各种视觉智能设备的发展需要将立体匹配过程直接嵌入到单片机中,这种场景下,算法的效率和匹配精度将直接决定不同运算性能的嵌入式设备的选择和产品推广后的用户体验度,也将直接决定设备成本,因此研究出更加速度快、精度高的立体匹配算法在各领域都具有划时代的重要意义。 2 系统方案设计 2.1 双目视觉的图像立体匹配系统 说起立体视觉系统,要从人的双眼说起,人眼是一个典型的双目视觉系统,每只眼睛是一个摄像机,两只平行的眼睛是两台平行的摄像机,因为两只眼睛的位置不同,看到的图像是有差异的,这个差异就是立体视觉的基础,视觉信号传入大脑,大脑利用其强大的匹配能力,就可以基本确定图像中的物体的立体信息,或者叫做图像的深度信息。随着人们知识和生产生活的发展,需要通过仿真立体视觉的原理,让计算机获取到图像从2D向3D发展,即获取图像的深度信息,以实现一些和空间视觉有关的需求,这就出现了机器立体视觉技术。

双目视觉传感器系统

双目视觉传感器系统 视觉检测广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量:微电子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自动检测;软质、易脆零部件的检测;各种模具三维形状的检测;机器人的视觉导引等。最具有吸引力的是由视觉传感器阵列组成的大型物体(如白车身)空间三维尺寸多传感器视觉检测系统。 双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成,基于立体视差的原理,可完成视场内的所有特征点的三维测量,尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务,如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此,双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三维测量,就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系(即全局标定)。因此,在实际测量之前,先要对摄像机进行参数标定。一般方法是,传感器被提供给整个系统使用前,就离线完成传感器的内部参数及结构参数的标定,采用一标准二维精密靶标及一维精密导轨,通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标,通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的对应关系求得这些参数。 这种方法的缺点是:标定过程中,需要精确调整靶标与导轨的垂直关系,而且需多次准确移动导轨;同时标定过程的环境与实际测量的情形有差异;传感器在安装的过程中,易引起部分参数的变化,需多次的拆卸;摄像机还需进行全局标定。由此可知标定的劳动强度大,精度难以保证。本文提出了一种现场双目传感器的标定方法,只需先确定摄像机的部分不易变化的参数,其它参数在摄像机安装到整个系统后进行标定。该方法大大地减少了上述因素的影响,能得到满意的标定精度。 双目视觉测量探头由2个CCD摄像机和1个半导体激光器组成,如下图所示。

双目立体视觉技术简介

双目立体视觉技术简介 1. 什么是视觉 视觉是一个古老的研究课题,同时又是人类观察世界、认知世界的重要功能和手段。人类从外界获得的信息约有75%来自视觉系统,用机器模拟人类的视觉功能是人们多年的梦想。视觉神经生理学,视觉心里学,特别是计算机技术、数字图像处理、计算机图形学、人工智能等学科的发展,为利用计算机实现模拟人类的视觉成为可能。在现代工业自动化生产过程中,计算机视觉正成为一种提高生产效率和检验产品质量的关键技术之一,如机器零件的自动检测、智能机器人控制、生产线的自动监控等;在国防和航天等领域,计算机视觉也具有较重要的意义,如运动目标的自动跟踪与识别、自主车导航及空间机器人的视觉控制等。人类视觉过程可以看作是一个从感觉到知觉的复杂过程,从狭义上来说视觉的最终目的是要对场景作出对观察者有意义的解释和描述;从广义上说,是根据周围的环境和观察者的意愿,在解释和描述的基础上做出行为规划或行为决策。计算机视觉研究的目的使计算机具有通过二维图像信息来认知三维环境信息的能力,这种能力不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息(如形状、位置、姿态运动等),而且能进一步对它们进行描述、存储、识别与理解,计算机视觉己经发展起一套独立的计算理论与算法。 2. 什么是计算机双目立体视觉 双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式,它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差,来获取物体三维几何信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别,使我们可以获得明显的深度感,建立特征间的对应关系,将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来,这个差别,我们称作视差(Disparity)图像,如图一。 图一、视差(Disparity)图像 双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点,非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对运动物体(包括动物和人体形体)测量中,由于图像获取是在瞬间完成的,因此立体视觉方法是一种更有效的测量方法。 双目立体视觉系统是计算机视觉的关键技术之一,获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。 双目立体视觉的开创性工作始于上世纪的60年代中期。美国MIT的Roberts通过从数字图像中提取立方体、楔形体和棱柱体等简单规则多面体的三维结构,并对物体的形状和空间关系

基于HALCON的双目立体视觉系统实现

基于HALCON的双目立体视觉系统实现 段德山(大恒图像公司) 摘要双目立体视觉的研究一直是机器视觉中的热点和难点。使用双目立体视觉系统可以确定任意物体的三维轮廓,并且可以得到轮廓上任意点的三维坐标。因此双目立体视觉系统可以应用在多个领域。本文将主要介绍如何基于HALCON实现双目立体视觉系统,以及立体视觉的基本理论、方法和相关技术,为搭建双目立体视觉系统和提高算法效率提供了参考。 关键词双目视觉三维重建立体匹配摄像机标定视差 双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式,它是基于视差原理并由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉系统一般由双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像,或由单摄像机在不同时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像,并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息,重建物体三维轮廓及位置。双目立体视觉系统在机器视觉领域有着广泛的应用前景。 HALCON是在世界范围内广泛使用的机器视觉软件。它拥有满足您各类机器视觉应用需求的完善的开发库。HALCON也包含Blob分析、形态学、模式识别、测量、三维摄像机定标、双目立体视觉等杰出的高级算法。HALCON支持Linux和Windows,并且可以通过C、C++、C#、Visual Basic和Delphi语言访问。另外HALCON与硬件无关,支持大多数图像采集卡及带有DirectShow和IEEE 1394驱动的采集设备,用户可以利用其开放式结构快速开发图像处理和机器视觉应用软件。 一.双目立体视觉相关基本理论介绍

1.1 双目立体视觉原理 双目立体视觉三维测量是基于视差原理,图1所示为简单的平视双目立体成像原理图,两摄像机的投影中心的连线的距离,即基线距为b。摄像机坐标系的原点在摄像机镜头的光心处,坐标系如图1所示。事实上摄像机的成像平面在镜头的光心后,图1中将左右成像平面绘制在镜头的光心前f处,这个虚拟的图像平面坐标系O1uv的u轴和v轴与和摄像机坐标系的x轴和y轴方向一致,这样可以简化计算过程。左右图像坐标系的原点在摄像机光轴与平面的交点O1和O2。空间中某点P在左图像和右图像中相应的坐标分别为P1(u1,v1)和P2(u2,v2)。假定两摄像机的图像在同一个平面上,则点P图像坐标的Y坐标相同,即v1=v2。由三角几何关系得到: 上式中(xc,yc,zc)为点P在左摄像机坐标系中的坐标,b为基线距,f为两个摄像机的焦距,(u1,v1)和(u2,v2)分别为点P在左图像和右图像中的坐标。 视差定义为某一点在两幅图像中相应点的位置差:

基于双目立体视觉的动态体积测量系统.

基于双目立体视觉的动态体积测量系统 王畅1,赵彩霞2,韩毅1 1. 长安大学汽车学院,陕西西安(710064) 2. 长安大学电控学院,陕西西安(710064) E-mail :wangchang0905@https://www.doczj.com/doc/486296757.html, 摘要:以双目立体视觉为基础,设计了一种动态体积测量系统。系统主要应用于粉末状药物的流散性分析。系统中采用三台数字式CCD 摄像机对被测物进行图像采集,利用Visual C++.net以及OpenGL 对测量过程中所得到图像进行三维重构,还原物体的三维形状,同时得到在每个测量时刻药堆的体积, 实现了对药堆的连续非接触式测量。 关键词:双目立体视觉;非接触式测量;三维重构 中图分类号:TP29 文献标识码:A 1. 引言 药品生产过程中,药物的流散性直接影响到药品自动压装的生产工艺。本文设计了一种用于动态测量粉末状药物体积的非接触式测量系统,通过药堆体积随时间增长的关系曲线来判断药物的流散性能。系统模拟药品的填装过程,采用一个玻璃漏斗,下面安装一个透明量杯。药品从漏斗下落时,安装在量杯周围的摄像机对量杯底部的药堆进行实时图像采集,通过图像处理及三维重构得到采集过程被测对象的形状和体积。 2. 系统构成

系统的主要测量对象是粉末状药物或者其他粉末状物质,在药物下落过程中,药堆的体积不断增长。系统中的三台数字摄像机从三个不同角度对药堆进行图像采集,对采集到的图像进行三维重构后得到特定时刻序列上的三维形状及体积。图1是系统的组成图。 图1:系统组成图 2.1计算机 系统中采用两台计算机分工协作,一台用于控制系统的工作,另外一台用于图像处理及

三维重构。三维重构对计算机的性能有很高的要求,特别是对CPU 的运算速度和内存大小有很高要求。对三幅图像进行三维重构时运算量非常大,普通计算机运算起来耗时长,以Pentium 4,2.6G 的CPU ,512MB 内存进行运算时需要5分钟左右,同时容易造成死机。为了提高处理速度以及稳定性, 图像处理计算机采用了Intel Corel Q6600四核处理器,主频为 2.4G ,内存大小为4G 。用该计算机对一帧图像进行重构只需5秒左右。 2.2摄像机系统 与普遍应用的图像采集系统不同,本系统中没有采用图像采集卡采集图像。系统中所选用的摄像机是数字式的,三台数字式摄像机输出数字图像,经千兆以太网交换机与计算机的千兆网卡相连。系统中采用德国BASLER scA1000-30gm数字式黑白摄像机。该摄像机采用3/1〞SONY CCD芯片,分辨率为1034×779,采集频率为30帧每秒。摄像机内置了千兆以太网输出端口,使用六类网线进行数据传输时,传输速率能够达到320MB/s,在采集速度为30帧每秒的情况下能够很好的满足系统要求。摄像机镜头采用computar M1214-MP 2/3〞镜头,焦距为12mm ,手动调节光圈。 系统中的三台摄像机在空间以120°对称安装,摄像机俯拍角度为18.4°,镜头离地高度为175mm 。图2是单个摄像机的安装示意图。 图2:摄像机安装示意图

双目视觉测量系统的参数选择和误差分析(精)

双目视觉测量系统结构参数设计及误差分析 摘要:通过对双目视觉测量系统的研究,建立了双目视觉测量系统的误差模型,并分析了系统结构参数对测量结果的影响。在理论上对系统结构参数(两光轴夹角、基线距离等参数与测量精度之间的关系进行了系统、详尽的分析,得出了测量系统的位置误差对距离方向上的精度影响较大;光轴夹角的变化对测量误差影响不大,而距离方向的误差随着基线距离的增加而减小的结沦。本文建立的误差模型对具体的双目视觉测量系统的设计具有指导作用。 关键词:光学测量;双目视觉;误差分析;结构参数。 0 引言 近来,由于传统的测量方法低速低效,不能满足发展迅速的先进工艺制造的需求。因此,高效、智能、高精度的视觉测量方法的研究越来越受到关注。根据国内外研究,视觉测量技术将会在未来军用民用领域得到广泛应用。但是,目前视觉测量技术仍不能避免一些干扰因素,诸如视线噪声、相机性能、透镜畸变、特征提取和计算机视觉结构的影响,测量精度难以满足工业要求。因此,如何提高测量精度是工业视觉测量方法面临的最大问题。 由于图像一点的三维坐标不能反应一个相机拍摄图片的所有信息,而两个相机拍摄一点图片不能用三角函数的方法进行三维计算。因此,常常在视觉系统中加入镜面或结构光来实现双目视觉的功能。双目视觉系统具有柔性结构,易于安装并且价格低廉,被广泛应用。但是,当视觉系统选择不同的结构参数,测量精度会受到很大影响。目前,大多数视觉结构根据仿真实验确定,很少有理论依据。而且大多数视觉系统强调物体识别而不是测量精度。为了提高测量精度和扩展应用范围,对于结构参数的综合分析十分必要。 本文确立了双目测量系统结构参数的数学模型,通过分析结构参数和测量点的特征关系,明确结构参数的误差分布曲线。根据matlab的仿真结果,确定了在误差最小的范围内的最有价值的结构参数分布。 1 双目视觉系统的数学模型 1.1双目视觉系统的三维结构模型 双目视觉系统的结构参数主要包括扩:两个相机的光轴与基线形成的夹角 (α1, α2,基线是两台照相机物镜光学中心的连线(用B表示);两台照相机的焦点(f1 ,f 2和物距。这些参数中一个变化就会引起其他几个参数的变化。

双目视觉传输系统摄像机标定与立体匹配

密级: NANCHANG UNIVERSITY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR (2013 —2017 年) 题目双目视觉相机标定与立体匹配算法研究学院:信息工程学院系电子系 专业班级:卓越通信131班 学生:婷学号:6102213916 指导教师:其纶职称:讲师 起讫日期:

双目视觉相机标定与立体匹配算法研究 专业:通信工程学号:6102213916 学生:婷指导教师:其纶 摘要 本文基于双目视觉图像传输系统重点研究了摄像机标定与立体匹配两个模块。在摄像机标定中,重点阐述了三大坐标系、两种摄像机模型以及正友平面标定法,基于Matlab实现了立体标定过程并对实验结果进行了分析;在立体标定中,重点阐述了基于全局误差能量最小化立体匹配算法和基于线性生长立体匹配算法的原理,基于Matlab仿真了立体匹配算法的实现过程,并就可靠度与计算量两个指标对两种匹配算法进行了比较分析。 关键词:双目视觉,摄像机标定,立体匹配,正友平面标定,摄像机坐标系三维重建,模板匹配

Binocular vision image transmission system design Abstract Based on the binocular visual image transmission system, this paper focuses on the camera calibration and stereo matching .In the camera calibration, this study was expounded the three coordinates, the two kinds of camera models and ilf plane calibration method, camera calibration was implemented based on Matlab and the experiment results are analyzed; In stereo calibration, this study was expounded the principle of stereo matching algorithm based the global error energy minimization and stereo matching algorithm based on linear growth, and the implementation process of the stereo matching algorithm based on Matlab, and the reliability and the amount of calculation of two indicators of the two matching algorithms are analyzed in comparison. Keyword: Binocular vision, camera calibration, stereo matching, ilf plane calibration, the camera coordinate system of 3 d reconstruction, template matching

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