[发明专利]一种基于激光与视觉的实时三维成像系统

说明书

[技术领域]

本专利涉及属于计算机视觉、三维成像及体感交互领域，用于快速准确获得物体的三维位置信息。 

[技术背景]

目前，使用双目立体视觉是获得目标三维位置信息的主要手段。常用的方法是由两个摄像头同步获得立体图像对，再根据立体视觉的原理，计算出图像公共视野里每一点的深度信息，生成深度图，再提取出目标对应的深度信息，来确定目标的三维位置信息.但这些设备都存在以下问题： 

1.远距离精度低：以前研究的双目及多日立体视觉在测量近距离目标时(5米以内)具有比较高的精度(1毫米以上)，在较远距离(5米以外)精度很差甚至无法测量。 

2.主动性差：当空间三维场景在摄像机中被投影为二维图像时同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合在单一的图像灰度值里。显然，要从包含了如此之多不利因素的图像里很难准确地求得高精度的深度信息。而在应用中，大部分情况下也是不需要对每一个点求深度信息的。因此，许多计算是没有必要的，也缺乏主动选择目标的能力。 

3.运算量大，实时性差z立体视觉要求能够求解一对立体图像中的每一个对应点，图像所包含的丰富信息，使得逐点对应匹配的速度很慢，而且易产生“病态”计算问题。虽然为解决此问题，在正则化框架下加入了一定约束，使问题转化为求多条件函数的最优解，但大大增加了计算难度和计算量，使视觉处理速度难以提高，无法满足实时性要求，限制了应用领域。为了提高视觉子系统对目标三维定位的主动性，降低立体视觉图像处理的计算量和提高系统的实时性，主动快速的获得目标的位置信息，本发明提供了一种基于激光散斑的实时三维成像系统 

[发明内容]

整个系统由视觉处理子系统，控制子系统及机械机构三大部分组成。视觉处理子系统由视觉处理计算机、摄像机、激光散斑发射器组成。本发明所采用的摄像机为USB相机。控制子系统包括控制计算机(内置DIA板、memo-link子卡)、驱动器、电机(集成轴角编码器)。 

机械机构由轴承及用于安装电机、摄像头和激光散斑发射器的固定支架组成，具有二维自由度，主要起安装和支撑的作用。具体构架为：两个与图像采集卡兼容的摄像机固定在机械机构内的长方体形支架上，在两个摄像机的中点处安放着激光散斑发射器的发射部分也就是半导体激光器，在激光器的正上方安装着激光散斑发射器的接收部分即一个带有直径4厘米焦距8厘米聚焦镜头的线阵CCD。在长方 体固定支架的后方水平放置着一个15瓦的无刷直流电机，电机直径为4厘米长为10厘米内置轴角编码器，用于驱动系统上下转动CY轴方向)到指定角度。在其下方为一个筒装支架，外径为6厘米，内径为4厘米，里面安装了一个15瓦的无刷直流电机，该电机与水平放置电机完全相间，用于驱动系统左右转动ex轴方向)到指定角度。 

由摄像机获取前方目标的图像后，，获得目标位置信息，将其存储在安装于视觉计算机PCI插槽内memo-link主卡的公共存储区内。控制计算机由memo-link子卡从公共存储区获得二维位置信息并将视觉坐标系下目标的位置信息转化为以激光发射器为原点的坐标系下的位置信息，计算出目标偏移原点的控制量，再通过12位的DIA转换器分别将控制量输出到电机的驱动器来驱动电机转动并同时通过电机内置的轴角编码器构成的反馈回路来控制电机准确的转动到要求的角度一一即将目标就位于激光散斑发射器的发射端也就是半导体激光器的正前方，激光器可以准确地照射到待测目标上，激光散斑发射器接收端的聚焦透镜将目标的反射信号汇聚到线阵CCD上，根据线阵CCD的输出用三角测量法计算出目标的距离信息(也就是深度信息)，最后检测到的深度信息和二维位置信息反馈到视觉计算机便显示出了目标的三维位置信息。 

本发明的有益效果是： 

1.精度高。激光散斑发射器有很高的精度，除了能够在近距离(5米以内)的距离内实现立体视觉的精度，尤其是在测量较远距离(＞ 5米)的目标时，有立体视觉无法比拟的精度和稳定性。 

2.造价低。本发明使用了双CPU的结构，该CPU也可以用DSP或者MCU等代替，比类似产品价格低， 

3.实时快速。本发明中目标的深度信息不用对立体图像进行对应点匹配，因此速度快，实时性非常好。 

4.工艺简单。机械部分仅由实现两个自由度的电机和固定摄像头、激光散斑发射器的安装支架组成，加工、安装方便。 

而且本发明还具有体积小重量轻的特点，可以很容易集成到其他系统中，作为一种功能单元存在。