本發(fā)明所設計的一種可變焦單雙目視覺傳感裝置屬于機器視覺應用技術領域，具體涉及了在不同的測量環(huán)境和精度要求下能夠適時靈活的實現單目視覺測量功能和雙目視覺測量功能的視覺傳感裝置。

背景技術：
隨著計算機視覺、圖像處理技術的日趨成熟，攝像機視覺傳感和測量技術逐漸向著自動、快速的非接觸式方向發(fā)展，并成為了機器視覺應用技術領域的重要發(fā)展方向。目前常用的視覺傳感和計算機視覺測量技術主要有如下兩種：I)單目視覺測量及導引技術：該技術是僅通過利用一臺攝像機或CCD拍攝圖像，并根據相應單目視覺測量算法進行計算來實現對目標空間位置測量的技術，NaokiYAMAGUTI等利用單目視覺測量算法在不同紋理條件下的目標物體進行測量，通過對所獲取的多幅圖像中目標坐標建立的模型進行深度信息提取，并最終由計算可得到目標的空間位置信息；Saxena等則利用了單目攝像機進行了視覺導航方向的研究，并同時將單目視覺測量技術應用在已知環(huán)境下移動機器人對目標的識別及抓取上，也取得了比較理想的效果。由于單目視覺測量裝置結構簡單，標定方便，并且運算速度快，因而近年來國內外這方面的研究比較活躍。II)雙目視覺測量及導引技術：該技術是利用兩個成一定角度的CCD攝像機對目標進行圖像拍攝，將同一時刻拍攝的兩幅具有視差的圖像，經過特征提取和空間匹配的計算后便可獲取被測物體的深度信息，從而實現導引或避障等功能。目前常用的雙目視覺測量技術根據其所使用的光學系統(tǒng)結構的不同，主要分為兩種類型：1).傳統(tǒng)雙攝像機視覺測量技術。2).鏡像式單攝像機雙目視覺測量技術。Nishimoto利用以零交叉點作為匹配特征的傳統(tǒng)雙目視覺測量方法，并采用松弛方法進行匹配，在實際的工件尺寸測量范圍內達到了比較高的測量精度。張慶均等提出了基于雙目視覺的航天器間相對位置和姿態(tài)的測量方法，利用傳統(tǒng)雙目視覺測量原理，對測量系統(tǒng)中的誤差進行分析與計算，使得最終獲取的航天器間相對空間位姿信息的精度基本能滿足航天測控的要求。但由于傳統(tǒng)的雙目視覺測量技術需要使用兩臺攝像機，而且成本較高，傳感器體積較大等顯著缺點，近年來越來越多的國內外專家學者開始對鏡像式單攝像機雙目視覺測量技術進行研究，其中國內比較有代表性的是由邾繼貴等設計的鏡像式單攝像機雙目視覺傳感器，由單攝像機和一對平面鏡組構成。但其傳感器中由四塊平面鏡組成的光學系統(tǒng)結構復雜，裝置體積大，不利于實際使用。國外對單雙目測量研究時間較長，主要有以下代表，如Teoh等利用三塊平面鏡和單攝像機組成雙目視覺傳感器。兩塊平面鏡固定于攝像機前端，并與攝像機光軸呈45°夾角放置，另一塊可旋轉的平面鏡置于攝像機正前方，位于兩塊固定平面鏡中間，當旋轉平面鏡分別與兩塊平面鏡平行時，能將兩條光路分別反射至攝像機，相當于左右攝像機拍攝的兩幅圖像，這與用兩個平行光軸的攝像機進行雙目視覺的效果相同，但它的測量計算算法復雜，計算無法滿足實時在線檢測的要求。Goshtasby等采用兩塊平面鏡和單攝像機組成雙目視覺傳感器，兩塊平面鏡對稱置于攝像機前，并用鉸鏈連接，可繞中間軸旋轉。但是對稱的設計使得測量范圍較小，應用不夠靈活。綜上所述，目前現有的視覺測量裝置由于系統(tǒng)結構和測量原理的局限性導致單個視覺測量裝置一般只能適用于某種特定的測量場合，要么是單目視覺系統(tǒng)的應用，要么是雙目視覺系統(tǒng)的應用，迄今為止，還不存在一種能夠適時靈活的實現單目視覺測量功能和雙目視覺測量功能的視覺傳感測量裝置。但隨著無人機導引和機器人避障等領域對測量環(huán)境與功能越來越高的要求，提出了將單目視覺測量技術與雙目視覺測量技術合二為一的傳感技術要求。

技術實現要素：
為了解決上述國內外現有技術中所存在的視覺傳感裝置難以滿足在不同的測量環(huán)境和精度要求下的兼容性問題，如單目視覺測量裝置的測量算法復雜，深度測量精度偏低，并且測量范圍有限，而傳統(tǒng)的雙目視覺測量系統(tǒng)必須使用兩臺攝像機才能滿足深度測量精度的成像要求，系統(tǒng)成本較高且體積大，裝置功能單一；本發(fā)明提供了一種能夠在實際環(huán)境中，根據不同的測量需求，通過自動調整攝像機焦距及機位至合適的位置，進而實現在單目視覺空間測量功能和雙目立體視覺測量功能之間靈活地自動切換的視覺傳感裝置。本發(fā)明裝置的總設計圖如圖1所示，包括：鏡像式光學系統(tǒng)：其主要結構特征為兩個呈一定角度放置的平面鏡，該鏡像式光學系統(tǒng)的安裝位置、尺寸和幾何結構可由雙目視覺任務的要求確定，但鏡像式光學系統(tǒng)應置于雙目測量預置工位時攝像機的正前方，兩平面鏡組的交線與攝像機光軸垂直相交；通過平面鏡反射成像的原理，由單攝像機拍攝一次即可得到一幅具有視差的圖像，相當于兩個視場減半的虛擬攝像機從不同方向采集的圖像，根據實際的使用環(huán)境對攝像機的焦距進行計算并調整至所要求的值，構建出虛擬的雙攝像機立體視覺系統(tǒng)，然后將空間特征點在兩個虛擬攝像機所成像平面上分別對應的坐標值傳遞給數字信息處理裝置，經過計算就可以得到空間點的三維坐標，從而實現雙目立體視覺測量的功能。高精度承載云臺：其主要特征為將圖像采集系統(tǒng)中的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機安裝在云臺之上，該云臺可根據用戶實際需求，通過數字信息處理裝置發(fā)送的編碼指令實現高精度定量調整攝像機縮放和焦距等參數及攝像機的全方位(上下、左右)定位移動的功能；因此，該高精度承載云臺可保證安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機調整焦距至所要求的值并且精確定位至某個單目測量預置工位，進行單目視覺導引或測量工作；并可接受相應的命令將安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機精確定位到確定的雙目測量預置工位，然后接受數字信息處理裝置發(fā)送的指令自動調整攝像機至所要求的焦距值，與鏡像式光學系統(tǒng)共同構成雙目立體視覺傳感裝置，以實現雙目視覺導引或測量的功能。圖像采集系統(tǒng)：其特征主要由一臺可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機及相應的圖像采集卡組成，安裝在高精度承載云臺之上，負責對可變焦單雙目視覺傳感裝置中的被測目標圖像進行實時的拍攝及顯示，并將所獲得的圖像數據傳遞到數字信息處理裝置中，以便數字信息處理裝置能按照單雙目視覺傳感裝置的相關策略進行后續(xù)的分析和計算。數字信息處理裝置：當本發(fā)明裝置處于具體的視覺測量功能時，圖像采集系統(tǒng)所拍攝的圖像數據將會傳遞給數字信息處理裝置以進行后續(xù)的測量計算和分析。當僅要求單目視覺功能時，該數字信息處理裝置可發(fā)送指令控制高精度承載云臺與安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機精確定位至某個單目測量預置工位，并調整焦距至所要求的值，進行單目視覺導引或測量工作；當僅要求雙目視覺功能時，該數字信息處理裝置可發(fā)送指令控制高精度承載云臺將安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機精確定位至唯一確定的雙目視覺預置工位，并自動調整攝像機至所要求的焦距值，使得CCD圖像傳感器或模擬攝像機與鏡像式光學系統(tǒng)共同構成雙目立體視覺傳感裝置，以實現雙目視覺導引或測量的功能；當要求單雙目視覺功能時，可對數字信息處理裝置根據任務要求編程控制高精度承載云臺將安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機在單目視覺工位和雙目視覺工位間適時進行自動切換，從而實現單雙目視覺測量、導引或避障等功用。本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明裝置對目標進行測量時，可依據前一幀的測量結果或實際的測量需求，通過編程向高精度承載云臺發(fā)送控制指令，不僅可實現對單目攝像機在水平方向0-360°、豎直方向0-180°的精確轉動控制而且可實現在不同測量工位焦距的自動調節(jié)以獲取不同視場角的拍攝畫面，解決了單目視覺裝置在使用過程中攝像機的拍攝死角和單一視角的問題，極大的擴展了測量裝置的適用場景。與傳統(tǒng)的雙目視覺測量技術相比，不僅解決了拍攝相機過多，設備復雜等問題，而且避免了由于手工安裝所帶來的繁瑣的操作步驟和兩個攝像機的安裝誤差等因素的影響，提高了測量精度。(2)本發(fā)明裝置只需一臺安裝在高精度承載云臺上的可變焦CCD或可變焦攝像機，即可通過編碼控制指令使該CCD或攝像機定位在某個確定的測量工位以便完成單目視覺空間測量、雙目立體視覺測量的功能。攝像機的標定是攝像機進行非接觸測量的前提，而在對本裝置的攝像機進行標定時，由于兩虛擬攝像機為同一個攝像機的虛擬鏡像，單目和雙目測量時攝像機的內參完全相同，因此只需利用張正友方法標定出可變焦CCD在不同典型使用焦距值下的各內參值并建立查找表(方法參見“王睿.單目主動視覺導引關鍵技術研究.[D].北京北京航空航天大學,2006)，并且根據所獲得的攝像機在雙目工位時的內外參數，再對雙目工位時的兩虛擬攝像機的結構參數進行標定，即完成了單雙目視覺測量的標定工作，這樣不但減少了標定工作量，還避免了傳統(tǒng)雙目視覺傳感裝置需要多次標定而帶來的標定誤差，提高了裝置的測量精度。(3)本發(fā)明裝置兼具單目視覺測量和雙目視覺測量的功能，能根據測量環(huán)境和任務要求的不同在一定范圍內選擇合適的視覺傳感結構。該裝置適用于具有多種視覺導引和測量精度的視覺傳感測量任務，如無人機導引降落、機器人避障等。與目前常用的單目或雙目測量裝置的單一測量用途相比，適用范圍更廣泛，而且測量方式更靈活。附圖說明圖1為本發(fā)明一種可變焦單雙目視覺傳感裝置的總體設計結構圖圖2為本發(fā)明中的鏡像式光學系統(tǒng)結構圖圖3為本發(fā)明中的攝像機標定流程圖圖4為本發(fā)明中的單攝像機雙目視覺傳感裝置幾何計算模型圖5為本發(fā)明中的可變焦單雙目視覺傳感裝置工作流程圖具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明一種可變焦單雙目視覺傳感裝置由4個主要部分組成：鏡像式光學系統(tǒng)、高精度承載云臺、圖像采集系統(tǒng)、數字信息處理裝置。整個裝置的具體功能實現如下：(1)可變焦單雙目視覺傳感裝置的攝像機參數標定。攝像機標定是指利用數學方法對從數字圖像中獲得的數據進行處理，為專業(yè)測量攝像機與非量測攝像機之間提供聯系。對于可變焦單雙目視覺傳感裝置而言，要實現從左右兩幅對應圖像中提取特征點的空間三維坐標，需要確定攝像機的圖像坐標系與物體空間中的三維參考坐標系之間的對應關系，通過攝像機標定獲得已知測量模型的一些參數，包括：攝像機內參、兩虛擬攝像機的結構參數等。由于兩虛擬攝像機是由鏡像式光學系統(tǒng)組成，因此內參與單攝像機內參完全相同，只需利用標定方法標定攝像機外參即可，極大簡化了測量系統(tǒng)的結構和標定過程，減少了計算量。(2)單目視覺測量功能。當用戶選用可變焦單雙目視覺測量裝置的單目視覺測量功能時，此時可將安裝于高精度承載云臺上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機迅速精確的定位至某個單目測量預置工位，并調整焦距至所要求的值，對其采集到的圖像使用數字信息處理裝置進行相關的預處理，繼而能夠實現單目視覺測量或導引的任務。當該裝置的載體為移動物體，如在運動的無人機或無人智能車上時，還可將預處理后的圖像通過數字信息處理裝置，采用光流法對其載體的運動進行估計，獲取所觀測目標與其載體之間的相對運動信息(速度、位移等)；在進行單目視覺工件測量時，可與結構光投射器配合，然后利用幾何約束法或基于特征點的單目視覺測量方法，即可得到工件的尺寸和結構參數。(3)雙目視覺測量功能。當用戶選用可變焦單雙目視覺傳感裝置的雙目視覺測量功能時，此時數字信息處理裝置將會通過編程向高精度承載云臺發(fā)送控制指令使安裝在其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機迅速精確的復位至確定的雙目測量預置工位并自動調整攝像機的焦距以獲取所要求的焦距值，從而實現自動切換至雙目視覺測量的功能，然后對圖像采集系統(tǒng)獲取的目標圖像進行特征提取，并將圖像特征坐標帶入立體視覺數學模型中進行計算，可得到特征點的空間三維坐標，完成雙目視覺測量的參數獲取任務。為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚、直觀，下面將結合附圖及具體實例進行詳細描述，可變焦單雙目視覺傳感裝置的整體工作流程圖如圖5所示。如圖2所示為鏡像式光學系統(tǒng)的結構圖，由圖可知其主要由高精度云臺1、光學系統(tǒng)固定板2、平面鏡夾3、攝像機4、鏡頭套筒5、平面反射鏡6、平面鏡固定墊板7這幾個部分組成。其中的鏡頭套筒是為了保護攝像機和鏡頭，還可以防止測量時攝像機和鏡頭產生相對移動而導致相機參數發(fā)生變化。鏡頭套筒通過螺釘安裝在固定面板上面，鏡頭部位留有調節(jié)鏡頭焦距和光圈的孔槽。平面鏡結構和高精度承載云臺的位置是固定的，通過在平面鏡夾上銑出帶角度的凹槽用于平面鏡的精確安裝。但是因為平面鏡易碎的性質，不能直接用螺釘固定，而用膠粘的方式容易受環(huán)境溫度的影響而松脫，因此在鏡片的背部設計了鏡片夾和金屬墊片，將平面鏡固定在傳感器固定板上。在實際使用之前，為確定物體的三維世界坐標系到攝像機圖像坐標系的映射關系，需對系統(tǒng)進行參數標定，由于和一般測量功能所使用的定焦攝像機相比，本裝置需在不同的單目預置工位或雙目工位上使用，而攝像機在不同的工位時對其焦距值的要求也會不同，因此，針對實際使用時對單目預置工位和雙目工位的具體要求，應預先調整攝像機至不同的焦距并分別運用張正友的平面二維棋盤式靶標的方法對單攝像機成像系統(tǒng)的內外參數的標定，然后根據所獲得的攝像機在雙目工位時的內參數，再對雙目工位時的兩虛擬攝像機的結構參數進行標定，并將標定結果制作成查找表以便本裝置在攝像機的不同焦距下工作時進行選擇使用。攝像機的標定流程如圖3所示，針對單目攝像機的內參標定，首先對可變焦攝像機或CCD拍攝的圖像進行坐標畸變校正，考慮到攝像機鏡頭的一次和二次徑向畸變，設點P的畸變圖像坐標為Pd＝(xd,yd)T，無畸變圖像坐標為Pu＝(xu,yu)T，通過公式計算可得到畸變校正后的圖像坐標，其中k1和k2分別為攝像機的一次和二次徑向畸變系數。然后對坐標圖像建立攝像機的透視投影模型并由公式計算可得歸一化后的圖像坐標Pn＝(xn,yn)T，從而實現圖像坐標的歸一化，其中fx和fy分別為攝像機在x，y方向上的有效焦距，單位為像素。最后將測量坐標系通過空間旋轉平移進行轉換得到空間點的三維坐標，通過求取映射投影坐標與實際探測坐標的最小偏差后，根據公式和方向矢量的正交性約束，就可求解出單攝像機的標定參數，其中A為攝像機的內參，R,T為攝像機的外參，且R為坐標系單位正交旋轉矩陣，T為平移矢量，λ為坐標轉換比例因子，對標定結果進行誤差評價后即可獲得攝像機標定的精度。在雙目工位時，兩虛擬攝像機的內參相同，等于在該焦距值的單攝像機所標定出的內參，由于兩虛擬攝像機是由單攝像機經過平面鏡組反射成像形成，而平面鏡組是唯一能成完善像的光學元件，不會帶來額外的像差，因此兩虛擬攝像機的一次和二次徑向畸變系數相同，等于單攝像機的一次和二次徑向畸變系數；若設Rl、Tl和Rr、Tr分別為左右虛擬攝像機的外部參數，其值可運用張正友標定方法獲得，由攝像機的透視投影模型可知，左、右兩虛擬攝像機坐標系和與世界坐標系之間的位置轉換存在公式：消去得到兩虛擬攝像機坐標的位置關系方程：因此，兩虛擬攝像機之間結構參數可由其位置轉換矩陣Rs,Ts表示，即：當選用經過上述過程標定過的攝像機進行可變焦單攝像機單目視覺測量時，此時攝像機位于某個單目視覺測量工位。在焦距可調的情況下，首先對圖像采集系統(tǒng)獲得的圖像進行預處理并將被測目標標記出來，將其置于合適的焦距位置，然后根據透鏡成像公式便可求得被測目標相對于單目攝像機的空間信息，從而實現單目測量的功能。單目視覺測量的處理速度很快，但由于深度測量精度較低，所以通常用來作為對被測目標的位置進行預估計測量。同時還可利用無須標定的可變焦單攝像機實施單目視覺的目標跟蹤和導引。當選用標定過的攝像機進行可變焦單攝像機雙目視覺測量時，此時攝像機將如圖5可變焦單雙目視覺傳感裝置流程圖中所示，被精確調整定位于確定的雙目視覺測量工位。其幾何計算模型如圖4所示，其中主要涉及到單目視覺測量工位1、雙目視覺測量工位2、雙虛擬攝像機3等具體位置的確定和相關參數的計算。為保證測量視場范圍的要求，必須選擇合適的攝像機焦距與視場角，假設雙攝像機虛擬基線v1v2的長度為B，夾角為δ，攝像機焦距為f，攝像機視場角為2θ，平面鏡m1m2與x軸夾角分別為α,β，通過幾何關系得到兩虛擬攝像機光軸夾角為λ＝2β-2α，虛擬基線B的長度為B＝2d·sin(δ/2)，其視場角為θ＝arctan(wccd/2f)，平面鏡的高度h＝d·hccd/f，其中wccd為CCD的靶面寬度，hccd為CCD靶面高度。由于攝像機CCD靶面尺寸，鏡頭焦距f，測量范圍w和工作距離L的關系滿足針孔成像模型的幾何關系，對于鏡像式雙目系統(tǒng)，由于成像的測量范圍需要在CCD的一半視野范圍內完全呈現，且目標到平面鏡軸的距離L與平面鏡軸到攝像機鏡頭距離d之間滿足透視投影關系因此，根據圖4中數學模型的幾何關系即可求得視場角θ。在實際應用中，假設被測的目標大小為1m×1m大小，為保證在視場中成像完整，取測量視場范圍為1.2m×1.2m，并且為了盡量降低鏡頭畸變，虛擬攝像機的光軸交匯角不宜過大，而角度過小易造成公共視場太小，所以設計光軸交匯角λ＝2β-2α＝30°，根據上述計算公式和參考常用CCD尺寸選型，計算得到各參數的數值如下表所示：對計算結果進行分析可知，當被測目標與測量裝置距離越遠時，平面鏡組與水平面夾角越小，CCD靶面寬度越大，攝像機的視場角越小，焦距越大，此時得到的目標成像尺寸也同時縮小，而且當測量裝置與被測目標距離過小時，會造成使用的平面鏡組尺寸過大，成本較高，因此，為保證可變焦單雙目視覺傳感裝置安裝時的簡單易行及合理的成本控制，通常選擇的CCD靶面尺寸為1/2"≤wccd≤2/3"，并且可以在較大范圍內對可變焦CCD或可變焦攝像機的焦距進行調整，使得鏡像式雙目立體視覺測量功能在公共視場內有較高的測量精度。當需要進行無人機導引或機器人避障等綜合性用途時，需要將以上單目視覺測量功能和雙目視覺測量功能統(tǒng)一起來，數字信息處理裝置通過控制總線向高精度承載云臺發(fā)送指令使得安裝于其上的可變焦CCD圖像傳感器或可變焦模擬攝像機在單目測量預置工位和雙目測量預置工位之間進行迅速精確的自動切換，以滿足在任務的不同階段對視覺傳感結構的需求。對于可變焦單雙目視覺傳感裝置中所使用的高精度承載云臺，為保證云臺轉動至任意角度的快速穩(wěn)定性，以及較小的重復定位誤差，所選用的高精度承載云臺至少應滿足以下條件：(1).旋轉角度范圍：前后俯仰角：-85°～85°，水平旋轉角：0°～360°，以滿足可變焦攝像機對拍攝死角的觀測需求；(2).轉動速度為：0.1°～50°/s，重復定位精度：≤0.03°，以保證高精度承載云臺能夠迅速精確的擺動至所要求的預置工位；(3).自動識別并支持PELCO-D、PELCO-P、GPL-10、VISCA等控制協議，以適應多種制式的攝像機和控制要求；(4).支持64～256個預置位設置，以滿足單目視覺測量工位和雙目視覺測量工位對預置位的需求；(5).能夠通過自主開發(fā)實現對位移、速度、加速度等參數的精確控制，以保證測量精度。