一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法。旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對(duì)稱軸和透視相機(jī)的光軸共線，入射光經(jīng)鏡面反射成像到透視相機(jī)，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓。該三維重建方法包括：建立xyz坐標(biāo)系，計(jì)算反射光線、入射光線與水平面之間的夾角及反射點(diǎn)位置，對(duì)被測(cè)物體的各個(gè)空間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，計(jì)算得到其三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)三維重建。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)立體場(chǎng)景的三維重建，并在速度未知情況下，通過(guò)計(jì)算被測(cè)距物體空間點(diǎn)在相機(jī)采集圖像上的光流實(shí)現(xiàn)三維重建；系統(tǒng)可用于無(wú)人駕駛飛機(jī)的導(dǎo)航與避障，可降低相機(jī)采集到的圖像變化速度以及消除相機(jī)在觀察飛機(jī)前方延伸至無(wú)限遠(yuǎn)的水平面時(shí)相機(jī)的透視變形。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法，尤其是涉及一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前普遍應(yīng)用于視頻監(jiān)控、機(jī)器人導(dǎo)航、視頻會(huì)議和場(chǎng)景重建中的全向相機(jī)大多是由傳統(tǒng)透視相機(jī)和反射鏡面組成的相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)，反射鏡面的使用使得全向相機(jī)具有大視場(chǎng)成像特性。根據(jù)是否滿足單一視點(diǎn)特性，全向相機(jī)可以分為單視點(diǎn)折反射相機(jī)和非單視點(diǎn)折反射相機(jī)。由于在實(shí)際應(yīng)用中透視相機(jī)與反射鏡面的安裝會(huì)存在一定程度上的失偏，所以在現(xiàn)實(shí)中使用的實(shí)際上都是非單視點(diǎn)折反射相機(jī)。
[0003]全向相機(jī)的成像特性是由反射鏡面的形狀決定的，典型的反射鏡面包括拋物鏡面、雙曲鏡面、橢圓鏡面以及平面鏡面。在實(shí)際應(yīng)用中為了使全向相機(jī)獲得一定的成像特性，從而設(shè)計(jì)出了具有特殊形狀的反射鏡面。如Chahl的文獻(xiàn)l(ChahlJ S,Srinivasan M V.Reflective surfaces for panoramic imaging[J].AppliedOptics, 1997，36(31):8275-8285.)，設(shè)計(jì)了一種等角鏡面，該鏡面具有入射光線的角度變化與反射光線的角度變化呈線性關(guān)系的特點(diǎn)，這使得入射光線與反射光線之間存在一種簡(jiǎn)單的角度映射關(guān)系，從而易于分析成像結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法，由特殊設(shè)計(jì)的反射鏡面和透視相機(jī)組成的同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際立體場(chǎng)景的三維重建。在系統(tǒng)速度未知的情況下，僅需知道系統(tǒng)距離地面的垂直高度，再通過(guò)使用相機(jī)采集圖像和光流計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景三維重建。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0006]該相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)包括同軸相對(duì)放置的旋轉(zhuǎn)體鏡面和透視相機(jī)，旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對(duì)稱軸和透視相機(jī)的光軸共線，且旋轉(zhuǎn)體鏡面的頂點(diǎn)與透視相機(jī)光心之間的距離固定，被測(cè)物體置于旋轉(zhuǎn)體鏡面的下方，被測(cè)物體空間點(diǎn)的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機(jī)的成像平面，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓；該三維重建方法包括以下步驟:
[0007]I)以透視相機(jī)光心為原點(diǎn)建立xyz坐標(biāo)系，z軸正方向與透視相機(jī)光心指向鏡面中心軸的方向相同，X軸方向位于水平面，y軸正方向?yàn)樨Q直向上；
[0008]2)根據(jù)被測(cè)物體空間點(diǎn)A在相機(jī)成像平面上的成像A’到相機(jī)成像平面中心的距離Π和透視相機(jī)的鏡頭焦距f得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)物體空間點(diǎn)A的反射光線與水平面之間的夾角Θ ;并由反射光線的方向和旋轉(zhuǎn)體鏡面的鏡面輪廓，根據(jù)Snell反射定律得到入射光線與水平面的夾角β以及反射點(diǎn)的位置y0, Z0)，x0, lo、Z0分別為入射光線與鏡面輪廓交點(diǎn)的三維坐標(biāo)；
[0009]3)對(duì)被測(cè)物體的各個(gè)空間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，得到被測(cè)物體空間點(diǎn)到相機(jī)光軸的軸心距h ；
[0010]4)將步驟3)中得到的被測(cè)物體空間點(diǎn)A到相機(jī)光軸的軸心距h代入以下公式計(jì)算得到被測(cè)物體空間點(diǎn)A的三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)三維重建:
[0011]xA = h.sin α
[0012]yA = h.cos α

【權(quán)利要求】
1.一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于: 該相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)包括同軸相對(duì)放置的旋轉(zhuǎn)體鏡面和透視相機(jī)，旋轉(zhuǎn)體鏡面的中心對(duì)稱軸和透視相機(jī)的光軸共線，且旋轉(zhuǎn)體鏡面的頂點(diǎn)與透視相機(jī)光心之間的距離固定，被測(cè)物體置于旋轉(zhuǎn)體鏡面的下方，被測(cè)物體空間點(diǎn)的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機(jī)的成像平面，旋轉(zhuǎn)體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓；該三維重建方法包括以下步驟: 1)以透視相機(jī)光心為原點(diǎn)建立xyz坐標(biāo)系，Z軸正方向與透視相機(jī)光心指向鏡面中心軸的方向相同，X軸方向位于水平面，I軸正方向?yàn)樨Q直向上； 2)根據(jù)被測(cè)物體空間點(diǎn)A在相機(jī)成像平面上的成像A’到相機(jī)成像平面中心的距離η和透視相機(jī)的鏡頭焦距f得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)物體空間點(diǎn)A的反射光線與水平面之間的夾角Θ ;并由反射光線的方向和旋轉(zhuǎn)體鏡面的鏡面輪廓，根據(jù)Snell反射定律得到入射光線與水平面的夾角β以及反射點(diǎn)的位置y0, Z0)，X0, y0, Z0分別為入射光線與鏡面輪廓交點(diǎn)的三維坐標(biāo)； 3)對(duì)被測(cè)物體的各個(gè)空間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，得到被測(cè)物體空間點(diǎn)到相機(jī)光軸的軸心距h； 4)將步驟3)中得到的被測(cè)物體空間點(diǎn)A到相機(jī)光軸的軸心距h代入以下公式計(jì)算得到被測(cè)物體空間點(diǎn)A的三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)三維重建:
xA = h.sin α
yA = h.cos α
其中，χΑ、yA、ΖΑ分別為重建后的被測(cè)物體空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，α為被測(cè)物體空間點(diǎn)在相機(jī)成像平面的成像和其中心的連線與豎直方向的夾角，β為由被測(cè)物體空間點(diǎn)的入射光線與水平面的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于: 所述的對(duì)被測(cè)距物體的各個(gè)空間點(diǎn)的測(cè)距具體采用以下方法: 2.1)采用該相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)建立一個(gè)仿真環(huán)境，配置仿真參數(shù)通過(guò)以下公式得到仿真環(huán)境下系統(tǒng)常數(shù)c的值:
其中，V'為仿真環(huán)境下相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)在光軸方向上的運(yùn)動(dòng)速度，h'為仿真環(huán)境下被測(cè)物體空間點(diǎn)到光軸的軸心距，f是仿真環(huán)境下透視相機(jī)的焦距，L'是仿真環(huán)境下被測(cè)距空間點(diǎn)在相機(jī)采集圖像上的光流值； 2.2)采用該相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)距，透視相機(jī)采集圖像后，計(jì)算得到被測(cè)物體空間點(diǎn)在相機(jī)米集圖像上的光流L ； 2.3)然后通過(guò)以下公式計(jì)算得到被測(cè)物體空間點(diǎn)到相機(jī)光軸的軸心距h，從而通過(guò)相機(jī)采集圖像和光流計(jì)算實(shí)現(xiàn)測(cè)距:
其中，V是相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)在光軸方向上的運(yùn)動(dòng)速度，f是透視相機(jī)的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸心距等光流折反射相機(jī)測(cè)距系統(tǒng)的三維重建方法，其特征在于:本方法用于通過(guò)計(jì)算任意被測(cè)物體空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)三維重建。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104200514SQ201410362762
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】項(xiàng)志宇, 馬子昂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)