專利名稱：一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，用于機器人導(dǎo) 航、三維重建等，屬于機器視覺領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
立體視覺技術(shù)在移動機器人導(dǎo)航、多目標跟蹤、三維測量和三維重建方 面得到了廣泛的應(yīng)用。目前存在很多種應(yīng)用于機器人的立體攝像機，如加拿
大灰點公司(Point Grey Research Inc)生產(chǎn)的Bumblebee系列立體攝像機， Bumblebee2由兩個并排的CCD圖像傳感器構(gòu)成，鏡頭可為焦距為3.8mm或 者6mm的微鏡頭，基線長度是12cm，通過1394線與PC機相連，圖像匹配 等算法在PC機上實現(xiàn)，可構(gòu)建實時的深度圖。美國Videre Design公司生產(chǎn) 基線可以手動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，如STH-MDCS3-VAR型號的立體攝像 機，由兩個并排的CMOS圖像傳感器組成，基線長度可以在5-20cm之間調(diào)節(jié)， 鏡頭可以選擇各種C/CS接口的標準鏡頭，圖像匹配等算法工作在PC機上實 現(xiàn)，可以獲得實時的深度圖，另外的一種STH-MDCS3-VARX型號的攝像機， 基線長度可以在18-60cm之間以步長7cm調(diào)節(jié)，其他各種參數(shù)與 STH-MDCS3-VAR類似。湖南大學(xué)的王耀南，余洪山，梁昂，段峰的發(fā)明專 利(專利申請?zhí)?3124756.3)…仿人多自由度立體雙目視覺裝置，其主要用 途是自動獲取三維環(huán)境信息，具有攝像機的水平旋轉(zhuǎn)，仰俯動作，兩個攝像 機的聚散度調(diào)整四個自由度，可通過計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)各運動部分快速、 動態(tài)的交互調(diào)整，實現(xiàn)了類似人眼睛和頭部的運動功能，具有一定的智能性。 目前雙目立體攝像機主要存在以下問題
雙目立體攝像機的兩個攝像機之間的距離，即基線長度是無法自動調(diào)節(jié)
的，如上面所述，加拿大灰點公司(Point Grey Research Inc)生產(chǎn)的Bumblebee2 的基線長度是固定的，Videre Design公司生產(chǎn)的STH-MDCS3-VAR(X)，基線
長度雖然可以調(diào)節(jié)，但是這種調(diào)節(jié)是在使用之前進行的，無法在工作過程中 實現(xiàn)調(diào)節(jié)。湖南大學(xué)王耀南等的發(fā)明專利---仿人多自由度立體雙目視覺裝置， 兩個攝像機雖然具有自動聚散度調(diào)整的功能，但是這種調(diào)整是憑借攝像機的 旋轉(zhuǎn)形成的，沒有改變基線的長度，并且攝像機旋轉(zhuǎn)之后會給圖像匹配與深 度計算等算法帶來很大的難度。 實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基線長度可 以自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，本實用新型具有高精度的伺服控制性能，可 以精確調(diào)節(jié)基線的長度，從而改變兩個攝像機共同可視范圍的大小，能有效 計算圖像的深度信息，可以應(yīng)用于機器人導(dǎo)航、目標跟蹤、三維重建等領(lǐng)域。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案。它包括立體成像部 分，立體視覺信息處理部分和電機傳動部分。所述的立體成像部分包括兩個 CCD圖像傳感器，兩個CCD圖像傳感器安裝在支架上的兩根平行滑竿上，其中 的一個CCD圖像傳感器與電機傳動部分相連，受其引導(dǎo)可以在支架上沿滑竿
滑動，另一個CCD圖像傳感器與滑竿固定連接。所述的立體視覺信息處理部 分為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器相連，接收來自兩個CCD 圖像傳感器的圖像信息并進行處理；嵌入式圖像處理器與電機傳動部分相連。
所述的電機傳動部分包括有電機、控制電機運動的運動控制卡和皮帶， 皮帶與其中的一個CCD圖像傳感器通過連接塊固定連接，運動控制卡與電機 相連，用來驅(qū)動電機的運動，運動控制卡還與立體視覺信息處理部分的嵌入 式圖像處理器相連。
還包括有上位機，上位機分別與立體視覺信息處理部分和電機傳動部分的 運動控制卡相連。
所述的電機為帶有電機編碼器的直流伺服電機。
本實用新型的雙目攝像機始終保持兩個攝像機的光軸平行，兩個攝像機
的圖像平面在同一個平面，滿足最基本的雙目立體幾何關(guān)系，根據(jù)三角形相 似原理，得出場景中某點的深度2 =與，其中/為焦距，6為基線距離，d為
左右圖像匹配得出的視差。當基線長度變換時，只需改變公式中的6值。同時 從上面的深度計算公式可以看出，為提高深度值的精度可以增大基線長度" 基線長度增大時，兩個攝像機的可視范圍增大，有利于物體的搜索與跟蹤， 但是共同可視范圍減少，由此場景點對應(yīng)的視差值增大，為圖像匹配增加了 難度。根據(jù)上面的原理，根據(jù)不同時間不同地點的任務(wù)需要，可以實時的改 變基線長度，在本實用新型中基線長度的調(diào)節(jié)范圍為5 20cm。
本實用新型通過獲取兩個圖像傳感器的信息來完成多項任務(wù)。如可以獲
取空間物體的三維信息，跟蹤空間中的某個目標。獲取空間物體的三維信息
的工作原理為其中一個圖像傳感器的光軸在運動過程中始終與另外一個圖
像傳感器的光軸平行，兩個傳感器的圖像平面位于同一個平面上，空間中的
一點在兩個圖像平面上的投影位置是不同的，其坐標差值稱為視差，根據(jù)三
角形相似原理，借助兩個圖像傳感器之間的距離，即基線長度，可以獲得空
間該點的深度，同時結(jié)合攝像機定標技術(shù)可以得到這點的三維信息。跟蹤空
間中某個目標的工作原理為首先需要在兩個傳感器的視野中尋找目標或者
人為的指定某個目標，然后運用圖像跟蹤的算法，在當前視野中不斷尋找，
直到找到合適的目標。在各種應(yīng)用情況下的各種任務(wù)中，需要的兩個圖像傳
感器之間的基線長度是不一樣的，當基線長度大時，兩個攝像機的共同可視
范圍小，其可視范圍的并集較大，有利于目標的跟蹤，但是這時候只能計算
較遠處目標的三維信息；當基線長度小時，兩個攝像機的共同可視范圍大，
能計算較近處目標的三維信息，但是兩個攝像機可視范圍的并集比較小，不 利于物體的搜索與跟蹤。同時，通過公式z-^(/為焦距，6為基線距離，rf
為左右圖像匹配得出的視差)可以看出，基線長度大的時候，計算出的物體的 深度信息精度比較大，但是當基線長度大時，又給物體的匹配增加了難度。
本實用新型的有益效果在于相對基線長度固定的雙目攝像機，本實用新 型增加了一個基線長度調(diào)節(jié)的自由度，類似于人眼的會聚功能，這樣可以讓 本實用新型在使用過程中自由的變換基線的長度，使本實用新型工作在適應(yīng) 各項任務(wù)的最佳狀態(tài)，以滿足匹配或者跟蹤等不同任務(wù)的要求，同時這種基
線長度的變化又沒有對算法過程帶來大的難度(從上面的公式看出只需改變 其中一個值)，本實用新型可以適應(yīng)較為復(fù)雜的視覺任務(wù)，具有一定的靈活性。

圖1為本實用新型的基本組成框圖
圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本實用新型的立體視覺模型圖
圖4為本實用新型的功能結(jié)構(gòu)方框圖
圖中1、立體視覺信息處理部分，2、立體成像部分，3、電機傳動部 分，4、支架，5、 CCD圖像傳感器，6、連接塊，7、電機，8、從動輪，9、 皮帶，10、圖像平面，11、基線，12、共同可視范圍，13、上位機，14、運 動控制卡。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖1 4對本實用新型作進一步說明
本實施例包括立體視覺信息處理部分1、立體成像部分2和電機傳動部分 3。如圖1所示，立體視覺信息處理部分1接收立體成像部分2采集的同步圖 像，實時的計算圖像的深度圖，立體視覺信息處理部分1根據(jù)任務(wù)和處理效 果的需要，實時地把基線11的長度調(diào)整指令發(fā)送給電機傳動部分3，電機傳 動部分3作用于立體成像部分1，實現(xiàn)兩個CCD圖像傳感器5之間基線11長 度的調(diào)整。如圖3所示，兩個CCD圖像傳感器5的圖像平面IO共面，當基 線長度11調(diào)整時，兩個圖像傳感器5的共同可視范圍12會發(fā)生變化。
如圖2所示，立體成像部分2包括兩個CCD圖像傳感器5，安裝在具有 兩根平行滑竿的支架4上，其中一個CCD圖像傳感器5固定在支架4上，另 外一個可以由電機傳動部分3引導(dǎo)在支架4上自由滑動。電機傳動部分3包 括一個直流伺服電機7，運動控制卡14和皮帶9。電機7通過皮帶9帶動從 動輪8轉(zhuǎn)動，皮帶9通過連接塊6與一個CCD圖像傳感器5固定連接，由此 電機7通過此連接帶動一個CCD傳感器5沿著滑竿滑動。
立體成像部分的CCD圖像傳感器5為逐行掃描方式，更適合于動態(tài)環(huán)境 下圖像的采集，可以配備各種型號的標準C/CS接口的鏡頭。
立體視覺信息處理部分1為一塊嵌入式圖像處理器，本實施例選用的是 一塊DSP處理器，上面配有編解碼芯片、RS232串行接口和IEEE1394串行 總線接口，該處理器既可以通過RS232接口與運動控制卡14相連實現(xiàn)電機7 的控制，也可以與上層的上位機13通過1394接口相連實現(xiàn)圖像信息的實時 傳輸。
電機傳動部分的電機7為直流伺服電機，設(shè)有電機編碼器，通過皮帶9 與其中的一個CCD圖像傳感器5連接，可以精確定位圖像傳感器的位置。運 動控制卡14上的RS232接口既可以與立體視覺信息處理部分1的DSP處理 器相連也可以與上位機13相連，滿足多種應(yīng)用環(huán)境。
CCD圖像傳感器5采集的同步圖像信息傳輸?shù)搅Ⅲw視覺信息處理部分1， 在立體視覺信息處理部分1完成兩個圖像的匹配工作，根據(jù)匹配效果的好壞 確定基線11的長度，然后通過串口把基線11長度調(diào)節(jié)的指令發(fā)送給運動控 制卡14，運動控制卡14驅(qū)動電機7，電機7通過皮帶9，帶動其中的一個圖 像傳感器5到達指定的位置。同時立體視覺處理部分1還可以把圖像傳感器5 采集到的圖像或者處理過的圖像通過1394接口發(fā)送給上位機13，上位機13 可以做一些高層的工作，如跟蹤目標，機器人的導(dǎo)航等，上位機13可以根據(jù) 任務(wù)的需要調(diào)節(jié)基線11的長度，然后通過串口把指令發(fā)送給運動控制卡14, 由運動控制卡14驅(qū)動電機7實現(xiàn)圖像傳感器5的運動。
權(quán)利要求1、一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，包括有立體成像部分(2)，所述的立體成像部分(2)包括有兩個CCD圖像傳感器(5)；其特征在于還包括有立體視覺信息處理部分(1)和電機傳動部分(3)；其中所述的立體視覺信息處理部分(1)為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器(5)相連，接收來自兩個CCD圖像傳感器(5)的圖像信息并進行處理，兩個CCD圖像傳感器(5)安裝在支架(4)上的兩根平行滑竿上，其中的一個CCD圖像傳感器(5)與電機傳動部分(3)相連，受其引導(dǎo)可在支架(4)上沿滑竿滑動，另一個CCD圖像傳感器(5)與滑竿固定連接；電機傳動部分(3)與嵌入式圖像處理器相連；
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，其特征 在于所述的電機傳動部分(3)包括有電機(7)、控制電機(7)運動的運 動控制卡(14)和皮帶(9)，皮帶(9)與其中的一個CCD圖像傳感器(5) 通過連接塊(6)固定連接，運動控制卡(14)與電機(7)相連，用來驅(qū)動 電機(7)的運動，運動控制卡(14)與立體視覺信息處理部分(1)的嵌入 式圖像處理器相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，其特征 在于還包括有上位機(13)，上位機(13)分別與立體視覺信息處理部分(1) 和電機傳動部分(3)的運動控制卡(14)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，其特征 在于所述的電機(7)為帶有電機編碼器的直流伺服電機。
專利摘要本實用新型是一種基線長度自動調(diào)節(jié)的雙目立體攝像機，用于機器人導(dǎo)航、三維重建等，屬于機器視覺領(lǐng)域。它包括立體成像部分、立體視覺信息處理部分和電機傳動部分。立體成像部分包括兩個CCD圖像傳感器，兩個CCD圖像傳感器安裝在兩根平行滑竿上，其中的一個CCD圖像傳感器與電機傳動部分相連，受其引導(dǎo)可以在支架上沿滑竿滑動，另一個CCD圖像傳感器與滑竿固定連接。立體視覺信息處理部分為一塊嵌入式圖像處理器，與兩個CCD圖像傳感器相連，嵌入式圖像處理器與電機傳動部分相連。相對基線長度固定的雙目攝像機，本實用新型增加了一個基線長度調(diào)節(jié)的自由度，可以在使用過程中變換基線的長度，以滿足匹配或者跟蹤等不同任務(wù)的要求。
文檔編號H04N13/02GK201188667SQ20082008026
公開日2009年1月28日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者于乃功, 亮 孫, 勝 王, 秦永鋼, 阮曉鋼, 龔道雄 申請人:北京工業(yè)大學(xué)