一種光學多目標三維空間定位方法及系統的製作方法

2023-09-22 01:41:35

一種光學多目標三維空間定位方法及系統的製作方法
【專利摘要】一種光學多目標三維空間定位方法及系統，該方法包括步驟：將具有一維傳感器的兩個線陣相機和面陣相機標定；使用兩個線陣相機和面陣相機同時對目標進行數據採集，獲取兩幅一維圖像數據和一幅二維圖像數據；將所述一維圖像數據分別進行峰值提取處理，得到其中的目標數量及一維坐標；根據所得到的目標的一維坐標在所述二維圖像數據中進行搜索，得到目標在二維圖像中的坐標位置；及，根據上述獲得的一維坐標和二維坐標，結合標定過程得到的坐標轉換關係來重建目標點的空間三維坐標。本發明利用線陣相機中的目標點目標輔助面陣相機的目標點提取，避免了傳統對二維圖像數據進行全圖搜索的情況，數據搜索速度快，對於多目標點的識別與匹配過程較快。
【專利說明】一種光學多目標三維空間定位方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及對多個目標進行三維空間定位技術，具體是一種光學多目標三維空間定位方法及系統。
【背景技術】
[0002]目前行業上進行三維空間定位主要有光學和電磁學兩種方式。電磁學方法容易受到電磁幹擾，在某些環境下無法使用。
[0003]光學方法中常見的是使用兩個二維光學傳感器(例如面陣CCD或者CMOS)進行拍攝，但這種方法需要從整幅二維圖像上提取出多個目標點，就要幾乎對整幅圖像進行檢索，來匹配目標點的像位置，耗時較長。也有完全使用一維光學傳感器(線陣CCD)，對多目標進行識別，這樣至少需要4個一維光學傳感器才能實現多目標的同時檢測，而且在擺放上有一定要求，不能用一個簡單的弧形結構來定位。

【發明內容】

[0004]為了避免現有三維空間定位技術的上述不足，提高定位速度，本發明提供一種光學多目標三維空間定位方法及系統，其利用兩個一維傳感器獲取的數據來輔助二維傳感器上信號的提取，以此在保證精度的同時達到提高速度的目的。
[0005]本發明光學多目標三維空間定位方法，包括以下步驟:
[0006](1)、將具有一維傳感器的兩個線陣相機和具有二維傳感器的面陣相機標定；
[0007](2)、使用兩個線陣相機分別從兩個方向對目標進行數據採集(拍攝)，獲取兩幅一維圖像數據；
[0008](3)、同時通過面陣相機對該目標進行數據採集，獲得一幅二維圖像數據；
[0009](4)、將步驟(2)得到的每一幅一維圖像數據分別進行峰值提取處理，得到其中的目標數量及一維坐標；
[0010](5)、根據步驟(4)得到的目標的一維坐標，在步驟(3)所獲得的二維圖像數據中進行搜索，得到目標在二維圖像中的坐標位置，以及圖像中的目標點與一維傳感器中尖峰的對應關係；
[0011](6)、根據步驟(4)中的兩組一維坐標和步驟(5)中的二維坐標，結合標定過程得到的坐標轉換關係來重建目標點的空間三維坐標。
[0012]其中，所述步驟(4 )中峰值提取處理之前，進一步對所述一維圖像數據進行濾波處理。
[0013]所述步驟(5)中進行搜索之前，進一步對所述二維圖像數據進行低通濾波，並通過自適應閾值將圖像進行二值化。搜索之後，利用區域增長的方法，獲得目標點的光斑範圍，用重心法求得此光斑的中心位置，作為目標點的圖像坐標。
[0014]步驟(6)中，所述的坐標轉換關係是指:由一定數量的已知坐標點對所述線陣相機和所述面陣相機進行標定後，得到相機的內外方位元素，進而得到相機坐標系和世界坐標系的轉換關係。
[0015]步驟(6)的三維空間坐標重建方法具體為:根據標定過程中得到的相機坐標系和世界坐標系的關係聯立方程組，並求出其最小二乘解。
[0016]步驟(1)中所述標定和步驟(6)重建過程中可以採用直接線性變換(DLT)方法。
[0017]所述兩個線陣相機和面陣相機呈弧形定位，可測量範圍為三者可拍攝範圍的交集。
[0018]實現上述方法的一種光學多目標三維空間定位系統，包括:
[0019]信號處理模塊，用於對圖像信號進行處理及三維坐標重建；
[0020]連接於信號處理模塊輸出端的顯示模塊；
[0021]連接於信號處理模塊輸入端的線陣(XD採集卡和面陣(XD採集卡；
[0022]經過標定的用於採集目標的一維圖像數據的兩個線陣相機，連接於線陣C⑶採集卡的輸入端；及
[0023]經過標定的用於採集目標的二維圖像數據的面陣相機，連接於面陣C⑶採集卡的輸入端。
[0024]其中，所述線陣相機含有一維傳感器和柱面透鏡，柱面透鏡的中心對準在一維傳感器的中心，並且一維傳感器距離柱面透鏡鏡的距離約等於焦距；所述面陣相機含有二維傳感器和球面透鏡，球面透鏡的中心對準在二維傳感器的中心，並且二維傳感器距離球面透鏡的距離約等於焦距。
[0025]所述信號處理模塊由計算機或其他圖像信號處理晶片構成，用於對信號進行處理及三維坐標重建。可使用終端顯示器作為顯示模塊，將信號處理模塊的結果顯示出來。
[0026]本發明對於現有技術的有益效果如下:
[0027]本發明利用線陣相機中的目標點目標輔助面陣相機的目標點提取，對於數據的搜索速度較快，對於多目標點的識別與匹配過程較快。
[0028]在預先對各個相機進行標定之後，即可獲得了各個相機相對於世界坐標系的關係，也可以通過一定數據獲得兩個一維傳感器(線陣(XD)數據與二維傳感器(面陣(XD)數據的一定聯繫。根據這個聯繫，就可以通過優先處理的一維傳感器數據來定位二維傳感器數據的檢索起始點，避免了要對二維圖像數據進行全圖搜索的情況，這樣在很大程度上提高了對一幅圖像的處理速度。
[0029]同樣通過這個聯繫，可以自然的將兩個一維傳感器(線陣(XD)和一個二維傳感器(面陣CCD)上的光斑建立對應關係，據此對應關係進行多目標點的識別與匹配，省去了遍歷所有可能組合，來尋找正確組合方式的必要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發明系統框圖；
[0031]圖2是本發明一實施例中的相機CCD與測量目標點的空間位置擺放關係示意圖；
[0032]圖3是本發明的數據處理流程框圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。[0034]參照圖1、2，本發明實現三維空間定位的系統主要包括:信號處理模塊107，連接於信號處理模塊107的顯示模塊108，連接於信號處理模塊107輸入端的線陣(XD採集卡105和面陣(XD採集卡106，與線陣(XD採集卡105輸入端連接的兩個線陣相機C1，以及與面陣(XD採集卡106輸入端連接的面陣相機C2。
[0035]兩個線陣相機C1和面陣相機C2均經過標定處理，兩個線陣相機C1用於採集目標的兩個方向的一維圖像數據，面陣相機C2用於採集目標的第三方向的二維圖像數據。
[0036]信號處理模塊107可由計算機或其他圖像信號處理晶片構成，用於對圖像信號進行處理及三維坐標重建。可使用終端顯示器作為顯示模塊108，將信號處理模塊107的結果顯示出來。
[0037]線陣相機C1含有一維傳感器101 (如線陣(XD)和柱面透鏡103等。柱面透鏡103的中心對準在一維傳感器101的中心，並且一維傳感器101距離柱面透鏡鏡103的距離約等於焦距。由於目標點距離柱面鏡頭103的距離較遠，可視為在無限遠處，這樣的像會聚焦在該透鏡的焦平面上，也就是一維傳感器上。
[0038]面陣相機C2含有二維傳感器102 (如面陣(XD)和球面透鏡104等。球面透鏡104的中心對準在二維傳感器102的中心，並且二維傳感器102距離球面透鏡104的距離約等於焦距。由於目標點距離球面鏡頭的距離較遠，可視為在無限遠處，這樣的像會聚焦在該透鏡的焦平面上，也就是二維傳感器(面陣(XD)上。
[0039]兩個一維傳感器101獲取的一維圖像數據通過線陣(XD採集卡105傳輸至信號處理模塊107，二維傳感器102獲取的二維圖像數據通過面陣(XD採集卡106傳輸至信號處理模塊107，信號處理模塊107根據圖像處理程序依次操作；首先，處理兩個一維傳感器的數據，據此處理結果來分析二維傳感器的數據，再進行目標點的三維空間坐標重建。
[0040]上述兩個線陣相機C1和面陣相機C2擺放方式是多樣的，可以如圖2所示，但不受限於此。圖2中，兩個線陣相機C1和面陣相機C2呈弧形定位，面陣相機C2位於兩個線陣相機C1的兩邊，兩個線陣相機C1垂直擺放，即兩個一維傳感器101垂直擺放，201為所要檢測的目標點，它將會在每個一維傳感器101上形成一條像線202，同時會在二維傳感器102(面陣相機C2中)上形成一個像點203。
[0041]上述兩個線陣相機C1和面陣相機C2可測量範圍為三個鏡頭可拍攝範圍的交集。互相垂直擺放的兩個一維傳感器101可以有效的對目標點在二維傳感器102上成像的位置提供參考信息。在信號處理模塊107中首先對兩個一維傳感器101的信號進行濾波處理，由於濾光片的存在，可以輕鬆的提取出目標點的一維位置；根據這兩個一維位置來確定對二維傳感器102濾波後圖像的檢索起始位置，這樣就可以得到每一個目標點的兩個一維坐標X(1)，X(2)和一個二維坐標(X，y)。再結合對相機標定的結果，就可以重建出目標點的三維空間坐標。
[0042]參照處理流程圖3，步驟如下:
[0043]步驟301、對兩幅一維圖像數據分別濾波處理。濾波過程由於在鏡頭外加裝了紅外濾光片的原因，使得本身波形就比較理想，只需要進行自適應的閾值選擇，將目標點的信號峰保留，而將其它的噪聲信號去除掉即可；
[0044]步驟302、對一幅二維圖像數據進行濾波處理。濾波過程包括低通濾波將噪聲信號去除，通過自適應閾值將圖像進行二值化，僅留下白色的目標點的像和黑色的背景；[0045]步驟303、從濾波後的兩幅一維圖像數據中分別提取到4個一維坐標。濾波後的信號僅剩下目標點的4個信號峰，分別計算每個峰的重心坐標，將其作為該目標點在該線陣相機上的坐標；
[0046]步驟304、利用線陣相機中的目標點目標輔助面陣相機的目標點提取。由於相機擺放位置的相對關係是固定的，對一個目標點來說，其線陣坐標與面陣坐標之間有一定關係，對線陣相機的信號處理較快，於是將線陣坐標作為已知，用來推算其面陣坐標的存在範圍，以減小搜索範圍；
[0047]步驟305、將步驟303過程中所提取的兩組一維坐標(4個一維坐標/組)，通過步驟304給出了該目標點的一個存在範圍，從濾波後的二維圖像數據的該存在範圍內搜索目標點，並將所有目標點所成像的像素位置通過重心法計算其中心，進而得到目標點的二維坐標；
[0048]步驟306、預先相機標定，得到一組轉換矩陣(3個相機/組)；
[0049]步驟307、通過步驟306得到一組轉換矩陣，該一組轉換矩陣結合步驟303所提取的兩組一維坐標、步驟305得到的一組二維坐標一起重建為一組目標點的三維空間坐標。
[0050]本發明中對相機標定和三維重建的具體過程包括以下過程:
[0051 ] ( 1)大地坐標到相機坐標的變換
[0052]設大地坐標系0wXwYwZw、相機坐標系OJAZ。和圖像坐標系0lXy。(X。，Y。，Z。)為標誌點在相機坐標系中的坐標，(XW，YW，ZW)為標誌點的大地坐標，(x，y)為像點在圖像坐標系中的坐標，(Xt, Yt，Zt)為相機透鏡中心在大地坐標系中的坐標。為推導大地坐標系和相機坐標系間的變換關係，增加輔助坐標系0UVW，相機透鏡中心在輔助坐標系中的坐標為。
【權利要求】
1.一種光學多目標三維空間定位方法，其特徵在於，包括以下步驟: (I )、將具有一維傳感器的兩個線陣相機和具有二維傳感器的面陣相機標定； (2)、使用兩個線陣相機分別從兩個方向對目標進行數據採集，獲取兩幅一維圖像數據； (3)、同時通過面陣相機對該目標進行數據採集，獲得一幅二維圖像數據； (4)、將步驟(2)得到的每一幅一維圖像數據分別進行峰值提取處理，得到其中的目標數量及一維坐標； (5)、根據步驟(4)得到的目標的一維坐標，在步驟(3)所獲得的二維圖像數據中進行搜索，得到目標在二維圖像中的坐標位置，以及圖像中的目標點與一維傳感器中尖峰的對應關係； (6)、根據步驟(4)中的兩組一維坐標和步驟(5)中的二維坐標，結合標定過程得到的坐標轉換關係來重建目標點的空間三維坐標。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中峰值提取處理之前，進一步對所述一維圖像數據進行濾波處理。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟(5)中進行搜索之前，進一步對所述二維圖像數據進行低通濾波，並通過自適應閾值將圖像進行二值化。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(6)中所述的坐標轉換關係是指:由一定數量的已知坐標點對所述線陣相機和所述面陣相機進行標定後，得到相機的內外方位元素，進而得到相機坐標系和世界坐標系的轉換關係。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述兩個線陣相機和面陣相機呈弧形定位，可測量範圍為三者可拍攝範圍的交集。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(I)所述標定過程和步驟(6)重建過程中採用直接線性變換(DLT)方法。
7.實現權利要求1-6任何一項所述方法的一種光學多目標三維空間定位系統，其特徵在於，包括: 信號處理模塊，用於對圖像信號進行處理及三維坐標重建； 連接於信號處理模塊輸出端的顯示模塊； 連接於信號處理模塊輸入端的線陣CCD採集卡和面陣CCD採集卡； 經過標定的用於採集目標的一維圖像數據的兩個線陣相機，連接於線陣CCD採集卡的輸入端 '及 經過標定的用於採集目標的二維圖像數據的面陣相機，連接於面陣CCD採集卡的輸入端。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述線陣相機含有一維傳感器和柱面透鏡，柱面透鏡的中心對準在一維傳感器的中心，並且一維傳感器距離柱面透鏡鏡的距離約等於焦距；所述面陣相機含有二維傳感器和球面透鏡，球面透鏡的中心對準在二維傳感器的中心，並且二維傳感器距離球面透鏡的距離約等於焦距。
9.根據權利要求7或8所述的系統，其特徵在於，所述信號處理模塊包括計算機和圖像處理晶片。
【文檔編號】G01C11/08GK103712604SQ201310713928
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】吳劍, 李昂 申請人:清華大學深圳研究生院