[发明专利]单相机全方位立体视觉系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人视觉传感器装置，用于地面机器人、无人驾驶飞行器、自动除草机或其它智能系统的全景视觉信息的获取，并可以通过深度恢复算法计算出三维空间的距离信息，具体的说是一种结构紧凑的全方位立体视觉系统。

背景技术

视觉系统能够通过成像硬件设备快速获取周围环境的图像，通过软件模块分析图像中目标的表面特征、计算目标的深度数据，有很大的应用潜力。因此，在地面机器人、无人驾驶飞行器，及其他智能系统中，视觉系统已成为感知环境、辅助目标识别、路径规划等任务的重要手段。传统透视投影相机和全方位相机都是得到广泛使用的视觉系统，后者因较大的可视范围而倍受青睐。

与地面机器人和大型无人机相比，小型/微型无人机具有体积小、轻便灵活、能够垂直起降等优点，可为复杂环境下的侦查、遥感等应用提供理想的平台，但其有限的负载能力却使传感器的配置较为棘手。小型/微型无人机对尺寸和重量的限制是配置传感器要考虑的首要条件；此外，除了前进方向上的前向视野外，飞行器周围全三维空间的场景都需要进行关注。可见，小型/微型无人机对环境感知的要求更高，但负载能力却更差。因此，所设计的视觉系统不仅要体积小、重量轻，而且在视场和分辨率等方面要具有令人满意的性能。

全方位相机可由传统的透视相机加特定形状的反射镜面构成，水平可视范围为360度，垂直可视范围可达90度以上。当反射镜面形状为平面、椭球面、双曲面或抛物面时，相机具有单视点属性，即成像平面上像点的形成，是由于相机捕捉了特定方向上的光线。例如，在众多射向双曲面反射镜的光线中，只有沿焦点方向的光线，经镜面反射后才在位于另一焦点处的相机上成像。其优点是，在成像光路计算的过程中，无需获得光线入射处镜面的表面法向量，从而保证物点到像点几何投影计算的速度和精度，便于快速恢复物体的深度信息。用全方位相机构成立体视觉系统可采用基于双相机和单相机两种基本构成方式：

(1)与由两透视相机构成立体视觉系统的方式类似，基于双相机的全方位立体视觉系统由两个完全相同的全方位相机构成。该系统具有全方位相机视场大的优点，但位于下侧的全方位相机对上侧相机的视场会构成遮挡。更重要的是，该系统在结构紧凑性和重量方面存在一定的局限性，较多的应用于地面机器人中；

(2)基于单相机的全方位立体视觉系统则是利用两个或多个反射镜面之间的特殊位置关系，在一个透视相机上产生同一场景的两个像。具体来说，一种结构是：采用两片双曲面反射镜，一反射镜的焦点与主光轴共线，而另一反射镜的焦点与光轴成一定夹角。该设计虽然实现了单相机成立体像，但存在基线较短、系统装配较困难、对系统结构紧凑性的改善并不明显等弊端。另一种结构如专利200510045648.1所述，由两双曲面反射镜面与一透视相机构成，两镜面主轴均与相机的主光轴共线，减小了系统的横向尺寸、有效的延长了基线，并便于系统装配。但由于透视相机位于反射镜面下侧一定距离处，整个系统的高度仍较大，对小型/微型无人机飞行稳定性会带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更加紧凑的单相机全方位立体视觉系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单相机全方位立体视觉系统，包括一个透明圆筒、两个反射镜面和一个透视相机，所述的反射镜面包括上侧镜面和下侧镜面，上侧镜面安装于透明圆筒的上端，下侧镜面安装于透明圆筒的下端；上侧镜面为双曲面、椭球面、抛物面、平面镜中二者构成的组合镜面，下侧镜面为双曲面或抛物面；下侧镜面顶部设有通光孔；上侧镜面与下侧镜面的外径相同，且上侧镜面与下侧镜面的外径作为系统的直径，该直径小于透明圆筒的内径；所述的透视相机安装于下侧镜面内部，透视相机的镜头外径小于通光孔直径，透视相机主光轴与两反射镜面主轴共线。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)结构紧凑，由于采用相机位于镜面内部、以及三片镜片的组合设计，在保证立体成像系统性能的同时，有效降低了系统的高度，在对视觉系统的体积和重量有严格限制的机器人系统中有良好的应用前景；(2)较大的视场角，能够形成水平360度、垂直向上、向下各一定角度的三维视场，用于深度计算；同时，无法用于深度计算的图像区域，也能够根据运动恢复的相关理论，为机器人导航提供信息；(3)快速、精确的深度计算，本发明的结构保证了立体视觉系统具有合理的基线长，同时，立体像对的共线特征便于匹配像素的搜索，进而有利于提高深度计算的速度。本发明从小型/微型无人机的应用需求出发，但可广泛应用于其他需要获得大范围场景立体视觉信息的智能系统中。

附图说明

图1是本发明单相机全方位立体视觉系统的结构示意图。