基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置及方法與流程
2023-05-09 03:57:32
本發明涉及攝像測量技術領域，尤其涉及一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置及方法。
背景技術：
隨著攝像測量學的快速發展，以及攝像機、計算機、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、現場可編程門陣列(Programmable Gate Array，FPGA)等硬體性能的提高與成本的降低，攝像測量在許多領域中的應用越來越普及。
利用攝像單元對目標進行拍攝，從而獲取目標的數字圖像是攝像測量的基礎而重要的環節，它直接影響目標的標定要求和成像質量，科學合理的設計攝像單元與目標之間的光路具有重要意義。在實際應用中，由於具體應用場景的限制，經常會遇到拍攝距離短而視場大的情況，這時一般採用以下方法來解決：(1)使用短焦廣角鏡頭甚至魚眼鏡頭來擴大攝像單元的視場角，但是廣角鏡頭的像差很難控制，尤其是畸變通常較大，其成像質量較普通焦段的鏡頭要差，從而不僅對目標標定工作和測量算法提出了更高的要求，而且影響測量的精度。(2)使用多個攝像機從不同方位進行拍攝，每個攝像機經過標定後建立各自的模塊坐標系，然後將多個模塊坐標系統一到一個全局坐標系下。這種方法提高了攝像單元的複雜度和成本，增加了標定和測量算法的工作量，同時還會引入一些新的誤差。
例如，在非接觸四輪定位測量儀研製過程中，需要利用攝像單元拍攝被結構光照射的車輪的圖像。如圖1所示，如果採用普通焦段的鏡頭(最大視場角為2θ)，並讓攝像單元C正對車輪側面(直徑W)拍攝，此時車輪與攝像單元C之間需要留有較長的空間距離d才能將整個車輪納入鏡頭視場內。考慮到用戶的車輛檢測區等實際應用場景的空間一般較緊湊，汽車兩側空間有限，通常需要將測量設備與車輪側方之間的距離控制在較短距離d'以內，此時車輪對d'處所張視場角為2θ'，比2θ要大許多，配有普通焦段鏡頭的攝像單元已無法拍攝車輪的完整圖像。在這種情況下，傳統解決方法的測量精度低、實施和操作的便易性不足、設備的成本高等已不能很好的滿足需求。
上述內容僅用於輔助理解本發明的技術方案，並不代表承認上述內容是現有技術。
技術實現要素：
本發明的主要目的在於提供一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置及方法，旨在解決在空間受限位置處對成像目標進行測量處理時，測量精度低、實施和操作的便易性不足、設備的成本高的技術問題。
為實現上述目的，本發明提供一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置，所述裝置包括：平面反射鏡、攝像單元和處理單元；
所述平面反射鏡，用於將成像目標的光路折轉至所述攝像單元所處方向；
所述攝像單元，用於根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
所述處理單元，用於對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理。
優選地，所述光路的光軸與所述平面反射鏡之間呈45度。
優選地，所述平面反射鏡的長度不小於預設長度閾值。
優選地，所述預設長度閾值根據下式確定，
AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)
其中，AB為所述預設長度閾值，l＝dopt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d為所述成像目標與預設矩形之間的最小距離；所述預設矩形的斜對角線為所述平面反光鏡；dopt為攝像單元對所述成像目標實現最優成像時，所述攝像單元與所述成像目標之間的距離；w為所述成像目標的寬度；θ為攝像單元的最大半視場角。
優選地，所述處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理時，將所述攝像單元拍攝的圖像視為由虛擬攝像設備所拍攝，且所述虛擬攝像設備與所述攝像單元的攝像參數相同，所述虛擬攝像設備為所述攝像單元在所述平面反光鏡所形成的虛像。
此外，為實現上述目的，本發明還提供一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量方法，所述方法包括以下步驟：
平面反射鏡將成像目標的光路折轉至攝像單元所處方向；
所述攝像單元根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理。
優選地，所述光路的光軸與所述平面反射鏡之間呈45度。
優選地，所述平面反射鏡的長度不小於預設長度閾值。
優選地，所述預設長度閾值根據下式確定，
AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)
其中，AB為所述預設長度閾值，l＝dopt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d為所述成像目標與預設矩形之間的最小距離；所述預設矩形的斜對角線為所述平面反光鏡；dopt為攝像單元對所述成像目標實現最優成像時，所述攝像單元與所述成像目標之間的距離；w為所述成像目標的寬度；θ為攝像單元的最大半視場角。
優選地，所述處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理時，將所述攝像單元拍攝的圖像視為由虛擬攝像設備所拍攝，且所述虛擬攝像設備與所述攝像單元的攝像參數相同，所述虛擬攝像設備為所述攝像單元在所述平面反光鏡所形成的虛像。
本發明可在空間受限位置處利用反射鏡將光路折轉至其它方向，使得攝像單元能夠在相應位置處採用最佳成像角度和距離來拍攝成像目標的完整圖像，並將圖像送入處理單元進行測量處理，攝像單元不需要配備特殊的廣角鏡頭，採用普通焦段鏡頭即可滿足要求，也不需要採用多個攝像單元對同一目標進行多方位拍攝，單個攝像單元即可攝入目標的完整圖像，因此，在實際使用中，測量設備的精度高，易於實施，可操作性更好。
另外，本發明的數位化與自動化程度高，能以攝像單元和處理單元為核心硬體設備，可以方便地利用處理單元控制攝像單元，並對所述攝像單元獲取的圖像數據進行存儲、複製、傳輸和自動化處理。
附圖說明
圖1為現有技術中短距離大視場攝像測量方式的示意圖；
圖2為本發明基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置第一實施例的結構框圖；
圖3為本發明一種實施例中基於反射鏡的折轉光路攝像測量方式的原理示意圖；
圖4為本發明一種實施例中反射鏡尺寸與拍攝距離的關係；
圖5為本發明基於反射鏡的折轉光路攝像測量方法第一實施例的流程示意圖。
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
參照圖2，本發明第一實施例提供一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量裝置，所述裝置包括：平面反射鏡、攝像單元和處理單元；
所述平面反射鏡，用於將成像目標的光路折轉至所述攝像單元所處方向；
可理解的是，所述成像目標即為需要進行攝像測量的對象，所述成像目標的光路即為所述成像目標發出光的傳播路徑。
所述攝像單元，用於根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
在具體實現中，所述攝像單元的鏡頭朝向所述平面反射鏡，從而能夠根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
當然，所述攝像單元可為攝像機，當然，也可為圖像傳感器，本實施例對此不加以限制。
所述處理單元，用於對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理。
需要說明的是，所述處理單元即為具有圖像測量處理功能的設備，例如：上位機或伺服器等，本實施例對此不加以限制。
本發明可在空間受限位置處利用反射鏡將光路折轉至其它方向，使得攝像單元能夠在相應位置處採用最佳成像角度和距離來拍攝成像目標的完整圖像，並將圖像送入處理單元進行測量處理，攝像單元不需要配備特殊的廣角鏡頭，採用普通焦段鏡頭即可滿足要求，也不需要採用多個攝像單元對同一目標進行多方位拍攝，單個攝像單元即可攝入目標的完整圖像，因此，在實際使用中，測量設備的精度高，易於實施，可操作性更好。
另外，本發明的數位化與自動化程度高，能以攝像單元和處理單元為核心硬體設備，可以方便地利用處理單元控制攝像單元，並對所述攝像單元獲取的圖像數據進行存儲、複製、傳輸和自動化處理。
為便於獲取所述圖像，參照圖3，所述光路的光軸(即對應圖3中的「光軸2」)與所述平面反射鏡之間呈45度，當然，還可為其他角度，本實施例對此不加以限制。
為防止所述平面反光鏡的長度過小，從而導致所述圖像不完整，本實施例中，所述平面反射鏡的長度不小於預設長度閾值。
為便於確定所述預設長度閾值，本實施例中，所述預設長度閾值根據下式確定，
AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)
其中，AB為所述預設長度閾值，l＝dopt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d為所述成像目標與預設矩形之間的最小距離；所述預設矩形的斜對角線為所述平面反光鏡；dopt為攝像單元對所述成像目標實現最優成像時，所述攝像單元與所述成像目標之間的距離；w為所述成像目標的寬度；θ為攝像單元的最大半視場角。
可理解的是，所述預設長度閾值的計算公式的推導過程如下：
參照圖3，其中，W為成像目標，M為平面反射鏡，C為攝像單元，C′為攝像單元C經平面反射鏡M所成的虛像，光軸1為C直接正對W拍攝時的光軸，光軸2為C經過M對W拍攝時的光軸。
假設在應用場景中，攝像單元C需要放置在距離成像目標W為dopt的位置時才能實現最優成像(即將C置於圖3中C′處)，但是由於實際空間條件的限制，使得攝像單元C正對成像目標W的距離不能超過dmax。為了能夠繼續採用配有普通焦段鏡頭的攝像單元C，可以將一面與光軸1呈45度夾角且中心O位於光軸1上的平面反射鏡M插入光路中，並使攝像單元C繞O點逆時針旋轉到上方，且光軸2與M成45度夾角，這就使得成像目標W向右發出的光線被平面反射鏡M反射至圖3上方，最後在攝像單元C的新位置處聚焦成像，從而解決了成像目標W右側空間不足的問題。依據平面反射鏡的光學成像特性，此時攝像單元C經平面反射鏡M所成的虛像C′恰好位於dopt處，從而實現了與直接將C置於dopt處拍攝成像目標W時相同的效果，為了分析的方便，可以將C′視為與C具有相同攝像參數的虛擬攝像設備，因此，所述處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理時，可將所述攝像單元拍攝的圖像視為由虛擬攝像設備所拍攝，且所述虛擬攝像設備與所述攝像單元的攝像參數相同，所述虛擬攝像設備為所述攝像單元在所述平面反光鏡所形成的虛像。
設攝像單元的最大視場角為2θ，成像目標W處的視場寬度為w，這樣尺寸小於等於w的所有目標均可被該攝像單元攝入完整圖像。
下面說明本實施例中拍攝光路和測量裝置的幾何參數及其計算。
1、平面反射鏡M的中心O與攝像單元C的距離l。
以M的中心O為中心，視場寬度w為邊長畫一個正方形(即所述「預設矩形」)，其邊長分別平行於光軸1和光軸2。如上所述，M與兩光軸的夾角均為45度，這樣M便位於正方形的對角線上。設d為目標W與正方形左邊長的距離，則l＝dopt–d–(w/2)。
2、平面反射鏡M的最小尺寸AB。
由虛擬攝像設備C′與目標W之間的光路圖可知，攝像單元的最大半視場角θ＝arctan[(w/2)/dopt]＝arctan{(w/2)/[d+(w/2)+l]}。
設平面反射鏡M與攝像單元C的最大視場角邊線的夾角分別為α與β，由於∠COB＝α+θ＝π/4，則α＝(π/4)–θ，又由三角形COB內角關係可知β＝(3π/4)–θ。
由三角形正弦定理可得，AO/sinθ＝l/sinα，OB/sinθ＝l/sinβ，於是AB＝AO+OB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)。
3、平面反射鏡M兩端點A、B距離目標M的距離dmin和dmax。
設WO為平面反射鏡M的中心到目標W的距離，則有
dmin＝WO–AO*cos(π/4)＝d+(w/2)–l*(sinθ/sinα)*cos(π/4)
dmax＝WO+OB*cos(π/4)＝d+(w/2)+l*(sinθ/sinβ)*cos(π/4)
4、測量設備的尺寸與拍攝距離的關係。
假設w＝700，d＝250，l的變化區間為[350,1550]，則根據以上推算出的各幾何參數之間的關係可得出平面反射鏡尺寸AB及其兩端距離被攝目標W的距離dmin、dmax與拍攝距離之間的關係，參見圖4。這樣就可根據實際應用場景的條件合理設置各參數的大小。
在具體實施過程中，可按照以下流程來實現：
1、根據成像目標處所需視場寬度大小、攝像單元的視場角等參數來確定合理的拍攝距離dopt。
2、根據實際場景的空間限制條件來計算所需平面反射鏡的長度AB及其兩端距離被攝目標W的長度dmin、dmax。
3、放置平面反射鏡和攝像單元，此時測量系統距離被攝目標W的最大橫向距離為dmax，從而利用折轉光路的方式有效解決了短距離大視場的成像問題。
4、標定攝像單元與平面反射鏡之間的姿態關係以使攝像機所拍攝的圖像能恢復為正對目標拍攝時的正常圖像。
5、將所得數據送入處理單元進行測量處理，得出所需信息。
參照圖5，本發明第一實施例提供一種基於反射鏡的折轉光路攝像測量方法，所述方法包括以下步驟：
S10：平面反射鏡將成像目標的光路折轉至攝像單元所處方向；
可理解的是，所述成像目標即為需要進行攝像測量的對象，所述成像目標的光路即為所述成像目標發出光的傳播路徑。
S20：所述攝像單元根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
在具體實現中，所述攝像單元的鏡頭朝向所述平面反射鏡，從而能夠根據所述平面反射鏡折轉的光路拍攝所述成像目標的圖像；
當然，所述攝像單元可為攝像機，當然，也可為圖像傳感器，本實施例對此不加以限制。
S30：處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理。
需要說明的是，所述處理單元即為具有圖像測量處理功能的設備，例如：上位機或伺服器等，本實施例對此不加以限制。
本發明可在空間受限位置處利用反射鏡將光路折轉至其它方向，使得攝像單元能夠在相應位置處採用最佳成像角度和距離來拍攝成像目標的完整圖像，並將圖像送入處理單元進行測量處理，攝像單元不需要配備特殊的廣角鏡頭，採用普通焦段鏡頭即可滿足要求，也不需要採用多個攝像單元對同一目標進行多方位拍攝，單個攝像單元即可攝入目標的完整圖像，因此，在實際使用中，測量設備的精度高，易於實施，可操作性更好。
另外，本發明的數位化與自動化程度高，能以攝像單元和處理單元為核心硬體設備，可以方便地利用處理單元控制攝像單元，並對所述攝像單元獲取的圖像數據進行存儲、複製、傳輸和自動化處理。
為便於獲取所述圖像，參照圖3，所述光路的光軸(即對應圖3中的「光軸2」)與所述平面反射鏡之間呈45度，當然，還可為其他角度，本實施例對此不加以限制。
為防止所述平面反光鏡的長度過小，從而導致所述圖像不完整，本實施例中，所述平面反射鏡的長度不小於預設長度閾值。
為便於確定所述預設長度閾值，本實施例中，所述預設長度閾值根據下式確定，
AB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)
其中，AB為所述預設長度閾值，l＝dopt–d–(w/2)，α＝(π/4)–θ，β＝(3π/4)–θ，d為所述成像目標與預設矩形之間的最小距離；所述預設矩形的斜對角線為所述平面反光鏡；dopt為攝像單元對所述成像目標實現最優成像時，所述攝像單元與所述成像目標之間的距離；w為所述成像目標的寬度；θ為攝像單元的最大半視場角。
可理解的是，所述預設長度閾值的計算公式的推導過程如下：
參照圖3，其中，W為成像目標，M為平面反射鏡，C為攝像單元，C′為攝像單元C經平面反射鏡M所成的虛像，光軸1為C直接正對W拍攝時的光軸，光軸2為C經過M對W拍攝時的光軸。
假設在應用場景中，攝像單元C需要放置在距離成像目標W為dopt的位置時才能實現最優成像(即將C置於圖3中C′處)，但是由於實際空間條件的限制，使得攝像單元C正對成像目標W的距離不能超過dmax。為了能夠繼續採用配有普通焦段鏡頭的攝像單元C，可以將一面與光軸1呈45度夾角且中心O位於光軸1上的平面反射鏡M插入光路中，並使攝像單元C繞O點逆時針旋轉到上方，且光軸2與M成45度夾角，這就使得成像目標W向右發出的光線被平面反射鏡M反射至圖3上方，最後在攝像單元C的新位置處聚焦成像，從而解決了成像目標W右側空間不足的問題。依據平面反射鏡的光學成像特性，此時攝像單元C經平面反射鏡M所成的虛像C′恰好位於dopt處，從而實現了與直接將C置於dopt處拍攝成像目標W時相同的效果，為了分析的方便，可以將C′視為與C具有相同攝像參數的虛擬攝像設備，因此，步驟S30中，所述處理單元對所述攝像單元拍攝的圖像進行測量處理時，可將所述攝像單元拍攝的圖像視為由虛擬攝像設備所拍攝，且所述虛擬攝像設備與所述攝像單元的攝像參數相同，所述虛擬攝像設備為所述攝像單元在所述平面反光鏡所形成的虛像。
設攝像單元的最大視場角為2θ，成像目標W處的視場寬度為w，這樣尺寸小於等於w的所有目標均可被該攝像單元攝入完整圖像。
下面說明本實施例中拍攝光路和測量裝置的幾何參數及其計算。
1、平面反射鏡M的中心O與攝像單元C的距離l。
以M的中心O為中心，視場寬度w為邊長畫一個正方形(即所述「預設矩形」)，其邊長分別平行於光軸1和光軸2。如上所述，M與兩光軸的夾角均為45度，這樣M便位於正方形的對角線上。設d為目標W與正方形左邊長的距離，則l＝dopt–d–(w/2)。
2、平面反射鏡M的最小尺寸AB。
由虛擬攝像設備C′與目標W之間的光路圖可知，攝像單元的最大半視場角θ＝arctan[(w/2)/dopt]＝arctan{(w/2)/[d+(w/2)+l]}。
設平面反射鏡M與攝像單元C的最大視場角邊線的夾角分別為α與β，由於∠COB＝α+θ＝π/4，則α＝(π/4)–θ，又由三角形COB內角關係可知β＝(3π/4)–θ。
由三角形正弦定理可得，AO/sinθ＝l/sinα，OB/sinθ＝l/sinβ，於是AB＝AO+OB＝l*(sinθ/sinα)+l*(sinθ/sinβ)。
3、平面反射鏡M兩端點A、B距離目標M的距離dmin和dmax。
設WO為平面反射鏡M的中心到目標W的距離，則有
dmin＝WO–AO*cos(π/4)＝d+(w/2)–l*(sinθ/sinα)*cos(π/4)
dmax＝WO+OB*cos(π/4)＝d+(w/2)+l*(sinθ/sinβ)*cos(π/4)
4、測量設備的尺寸與拍攝距離的關係。
假設w＝700，d＝250，l的變化區間為[350,1550]，則根據以上推算出的各幾何參數之間的關係可得出平面反射鏡尺寸AB及其兩端距離被攝目標W的距離dmin、dmax與拍攝距離之間的關係，參見圖4。這樣就可根據實際應用場景的條件合理設置各參數的大小。
在具體實施過程中，可按照以下流程來實現：
1、根據成像目標處所需視場寬度大小、攝像單元的視場角等參數來確定合理的拍攝距離dopt。
2、根據實際場景的空間限制條件來計算所需平面反射鏡的長度AB及其兩端距離被攝目標W的長度dmin、dmax。
3、放置平面反射鏡和攝像單元，此時測量系統距離被攝目標W的最大橫向距離為dmax，從而利用折轉光路的方式有效解決了短距離大視場的成像問題。
4、標定攝像單元與平面反射鏡之間的姿態關係以使攝像機所拍攝的圖像能恢復為正對目標拍攝時的正常圖像。
5、將所得數據送入處理單元進行測量處理，得出所需信息。
需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者系統不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者系統所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括該要素的過程、方法、物品或者系統中還存在另外的相同要素。
上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
以上僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。