一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)及其測距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)及其測距方法。旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線且距離固定，被測物體置于下方，被測物體空間點的入射光經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，旋轉體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓。先建立一個仿真環(huán)境，配置系統(tǒng)參數(shù)得到軸心距與光流值之間的關系式；再實際測距，相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機成像平面上成像處的光流值；使用關系式計算被測物體空間點到相機光軸的軸心距，實現(xiàn)測距。本發(fā)明利用旋轉體鏡面的等光流特性，使被測物體空間點與相機光軸、光流之間形成對應關系，因而可直接對場景進行測距；可用于無人機的導航和避碰中，檢測距離地面高度及與障礙物的距離。
【專利說明】一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)及其測距方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機視覺領域的一種測距系統(tǒng)及其測距方法。具體來說是涉及一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)及其測距方法。

【背景技術】
[0002]與其他的傳感器(超聲波距離傳感器，激光雷達等)相比，圖像傳感器信息量大，價格便宜，且技術成熟。然而圖像傳感器由于攜帶信息量大以及其信息的模糊性，使得提取圖像中的有效信息變得極為困難。光流是物體在圖像中的變化，因此蘊含著大量關于物體運動的信息。大量證據(jù)，如文獻 I (Srinivasan, Mandyam V., and Shaowu Zhang."Visualmotor computat1ns in insects."Annu.Rev.Neurosc1.27 (2004): 679-696.),表明很多昆蟲通過光流信息來控制飛行的速度、估計飛行的高度、躲避障礙、控制著陸和起飛等。因此光流信息也被廣泛的用在飛行器導航中，文獻2 (M.V.Srinivasan.，S.ff.Zhang, J SChahI, G Stange and M Garratt, “An overview of insect inspired guidance forapplicat1n in ground and airborne platforms，，，Proc Inst Mech Engnrs PartG, 218，2004, pp.375-388.)介紹了光流在不同運動平臺中控制平臺運動的方法。
[0003]折反射系統(tǒng)與傳統(tǒng)的透視相機相比，具有更大的視場。因此被廣泛的使用在監(jiān)控、視頻會議、場景重建和移動機器人導航當中。折反射全向相機一般由一個普通透視相機和一個旋轉體反射鏡面組成。來自物體的入射光線先經(jīng)過鏡面反射后再進入透視相機。通過設計反射鏡面可以得到不同種類的折反射相機，通過折反射相機系統(tǒng)來得到光流，從而得到系統(tǒng)運動特性并進一步控制系統(tǒng)運動。文獻3 (Yagi, Yasushi, et al."Stabilizat1nfor mobile robot by using omnidirect1nal optical flow."IntelligentRobots and Systems’ 96)使用雙曲鏡面構成折反射相機，文獻4 (J.S.Chahl andΜ.V.Srinivasan, “Reflective surfaces for panoramic imaging”，Applied Optics36，1997，pp.8275-8285.)提出了一種鏡面，使得所構成的折反射系統(tǒng)為恒定角增益系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]結合光流和折反射相機的特點，針對現(xiàn)有折反射相機存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)及其測距方法。通過特殊形狀的反射鏡面結合透視相機構成折反射相機測距系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0006]一、一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)
[0007]包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光經(jīng)鏡面反射成像到透視相機的成像平面上，旋轉體鏡面是具有等光流特性的鏡面輪廓。
[0008]以透視相機光心為原點建立極坐標系，該極坐標系下所述的具有等光流特性的鏡面輪廓為以下公式:

γΘ G(0)+d)n , /?
[0009]r = Γοβ/η cot—^?θ
[0010]其中，r為鏡面上的反射點到相機光心的距離，Θ為反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角，^為鏡面頂點和相機光心之間的距離，G( Θ )為入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解，Qci為鏡面臨界偏轉角度。
[0011]所述的入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解與鏡面臨界偏轉角度之和G ( Θ ) + ω ^通過以下公式求解得到:
?ω Vf (sin2(<i) + θ)\
_2] ?θ=τ?{ cos^e )~1
Vf
[0013]—= C
hL
[0014]其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距，h是被測物體空間點到相機光軸的軸心距，L是相機采集圖像上的光流，ω是入射光線經(jīng)過鏡面反射后的角度偏轉，c表示系統(tǒng)常數(shù)。
[0015]所述的反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角Θ為零時，角度偏轉的微分方程解G(O) =O0
[0016]二、一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的測距方法
[0017]該相機測距系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，旋轉體鏡面是具有等光流特性的鏡面輪廓；該測距方法具體包括以下步驟:
[0018]I)采用該相機測距系統(tǒng)建立一個仿真環(huán)境，配置仿真參數(shù)通過以下公式得到仿真環(huán)境下系統(tǒng)常數(shù)c的值:
V'f'
[0019]—— = c
h'U
[0020]其中，V'為仿真環(huán)境下相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，h'為仿真環(huán)境下被測物體空間點到光軸的軸心距，P是仿真環(huán)境下透視相機的焦距，L'是仿真環(huán)境下被測距空間點在相機采集圖像上的光流值；
[0021]2)采用該相機測距系統(tǒng)進行實際測距，透視相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機采集圖像上的光流L ；
[0022]3)然后通過以下公式計算得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h，從而通過相機采集圖像和光流汁算實現(xiàn)測距:
Vf Vf h'L'
[0023]h =——=-—
CL LVf'
[0024]其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026]本發(fā)明的系統(tǒng)在勻速直線運動時，對于空間上所有同軸心距的物點，該系統(tǒng)具有等光流特性。在已知相機配置和運動速度的情況下，可由相機采集圖像上計算得到的光流直接計算出被測物體空間點距離相機光軸的軸心距。該系統(tǒng)可用于無人機的導航和避碰中，檢測出無人機距離地面的高度以及與障礙物的距離。
[0027]本發(fā)明克服了已有光流測量的不足，因為折反射系統(tǒng)的使用，使得系統(tǒng)的視場遠大于傳統(tǒng)的透視相機；其次因為鏡面的等光流特性，對光流的分析和處理就變得更容易。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的相機測距系統(tǒng)的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖更加充分地描述本發(fā)明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體視為空間點，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，通過透視相機采集得到成像圖像，旋轉體鏡面是具有等光流特性的鏡面輪廓。本發(fā)明系統(tǒng)可安裝在無人機等飛行器上，進行光學測距。
[0031]本發(fā)明系統(tǒng)滿足在光軸的運動方向上，空間上等間距的點對應于相機成像平面上等間距的像素點的特點，這使得空間點到相機光軸的軸心距和圖像光流之間存在一種簡單的對應關系，使用該相機測距系統(tǒng)可直接實現(xiàn)測距。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明的相機測距系統(tǒng)以透視相機光心為原點建立極坐標系，該極坐標系下所述的具有等光流特性的鏡面輪廓為以下公式1:

rO G(0) + (1l)O r
[0033]r = roeZ0 cot—^αθ(i)
[0034]其中，r為鏡面輪廓上的反射點到相機光心的距離，Θ為鏡面輪廓上的反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角，A為鏡面頂點和相機光心之間的距離，G( Θ )為入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解，Qci為鏡面臨界偏轉角度。
[0035]入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解與鏡面臨界偏轉角度之和G( Θ )+ Coci通過以下公式2和公式3求解得到:
「 ? ?ω Vf.,?、
[0036]— = — ^-TT^)-1(2)d0 hi V cos2 θ J\r -f
[0037]—= cC3)
hL
[0038]其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距，h是被測物體空間點到相機光軸的軸心距，L是被測物體空間點在相機采集圖像上的光流，ω是入射光線經(jīng)過鏡面反射后的角度偏轉，c表示系統(tǒng)常數(shù)。當反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角Θ為O時，角度偏轉的微分方程解G(O) =O0
[0039]本發(fā)明的系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體視為空間點，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，旋轉體鏡面具有等光流特性的鏡面輪廓；方法具體包括以下步驟:
[0040]I)采用該相機測距系統(tǒng)建立一個仿真環(huán)境，配置仿真參數(shù)通過以下公式4得到仿真環(huán)境下系統(tǒng)常數(shù)c的值:
[0041]= C(4) h'L'
[0042]其中，V'為仿真環(huán)境下相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，h'為仿真環(huán)境下被測物體空間點到光軸的軸心距，P是仿真環(huán)境下透視相機的焦距，L'是仿真環(huán)境下被測距空間點在相機采集圖像上的光流值；
[0043]2)采用該相機測距系統(tǒng)進行實際測距，透視相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機采集圖像上的光流L ；
[0044]3)然后通過以下公式5計算得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h，從而通過相機采集圖像和光流計算實現(xiàn)測距:
[0045]h = ^L=v-n^(5)
CL LV'f'
[0046]其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距。
[0047]當本發(fā)明的系統(tǒng)沿著相機光軸方向勻速直線運動時，在相機成像平面上所得到的光流值與物點到相機光軸的軸心距成反比。光流的絕對值大小由系統(tǒng)的運動速度、距離地面的高度、透視相機的焦距、鏡面形狀以及透視相機與鏡面的位姿關系唯一確定。
[0048]由此，本發(fā)明通過調(diào)整鏡面設計參數(shù)以及相機參數(shù)，光流大小、系統(tǒng)運動速度以及系統(tǒng)高度之間的比例關系可以進行調(diào)整，從而得到合適的等光流。等光流特性是指在相機光軸的運動方向上，空間上等間距的點在相機成像平面上的成像等間距的分布。在鏡面和透視相機參數(shù)確定的情況下，系統(tǒng)高度、速度和光流之間存在簡單的比例關系，通過光流大小和系統(tǒng)速度可以很方便的得到系統(tǒng)高度。本發(fā)明可采用不同的仿真環(huán)境，可以得到不同的等光流折反射相機系統(tǒng)及其相關參數(shù)，進行進一步的實際測距。
[0049]本發(fā)明的設計原理如下:
[0050]如附圖1，點A在鏡面上的反射點為點P，點P與點A的連線PA與相機光軸方向的夾角為β，映射到相機光軸方向上的長度為s ;點O與點P的連線OP長度為r，0P與相機光軸方向的夾角為Θ ;由Snell反射定律可以得到點P處的入射光線和反射光線滿足以下公式6:
[0051]β = Θ + 2 tan-1(6)
[0052]設入射光線經(jīng)過鏡面反射后的角度偏轉ω為公式7:
[0053]ω = 2 tan-1(7)
[0054]那么可以得到以下公式8:
[0055]β = Θ + ω(8)
[0056]等式兩邊對Θ微分得到公式9:
[0058]另一方面，假設相機測距系統(tǒng)與地面平行且距離地面的高度為h，顯然有
S= 已知系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度V = — ^，可以得到公式10:
tan ρat
[0059]^ = - sin2 β(10)
dt h
[0060]考慮到透視相機的成像原理，η表示點A在相機成像平面上的成像到成像平面中心的距離，f表示透視相機的焦距，有以下公式11:
[0061]dn cos Θ =--~^:?θC11)
_COS Θ
[0062]設光流L = 3，式η兩邊對t求微分得到以下公式12:
[0063]^ = - jCOS2 Θ112；
[0064]結合式10和式12可以得到以下公式13:
[0065]^ =(13)
d9 hL Vcos^ O J
[0066]將式8和式9帶入式13，可以得到以下公式14:
[0067]-1(14)
dB hL V cos2 Θ }
[0068]以上該微分方程的解為公式15(其中G( Θ )是式14的數(shù)值積分解，G(O) = 0，是微分方程的初值):
[0069]ω = G( θ ) + ω0(15)
[0070]通過給定參數(shù)ω。、f、V、h、L的值，式15可以確定。結合式7和15，假設有公式16:
[0071]G⑷τω(> — tan"1 (r—)(16)
2\ dr/
[0072]上式簡單變化后得到公式17:
「 ](ΙΘ0(0)+6>0 drG(0)+6>o j/i/ ^ <-r \
[0073]r— = tan~^ — = cot-^~- ?θ(17)
dr2r2
[0074]對式17兩邊積分可以得到以下公式18(Γ(Ι是鏡面頂點和相機光心之間的距離):
[0075]Inr = Inr0 + J?cot哪廣 d0 ^ r = r0cotmr^de(18)
[0076]由此得到鏡面輪廓方程在極坐標系下的表示，鏡面的形狀由系統(tǒng)的運動速度V、距離地面的高度h、透視相機的鏡頭焦距f、相機光心到鏡面頂點的距離以及設計鏡面的臨界條件ω (I等參數(shù)決定。
[0077]本發(fā)明的實施例:
[0078]使用同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)建立一個仿真環(huán)境，仿真參數(shù)為:系統(tǒng)運動速度V' = 0.2m/s,系統(tǒng)距離地面的高度h' = 1m,透視相機的焦距f' = 16mm,相機分辨率為1280*960，相機成像平面大小為6.4mm*4.8mm，相機采集圖像上的光流值U =3pixels/s,鏡面頂點到相機光心的距離r' ^ = 0.1m,設計鏡面的臨界條件ω ' q = -ji/2。因此，仿真環(huán)境下得到系統(tǒng)常數(shù)c = v^=mm/pixels,
[0079]使用該相機測距系統(tǒng)安裝在無人駕駛飛機的底部進行實際測距，已知無人駕駛飛機的飛行速度為V = 0.2km/s，透視相機的焦距為f = 16_，透視相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機采集圖像上的光流L = 3pixels/s,通過公式h = ^-='



CL L V j
可以計算得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h = 10km，從而通過以上相機采集圖像和光流計算可以得到此時無人駕駛飛機距離地面的高度10km。
[0080]上述具體實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)，其特征在于:包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光經(jīng)鏡面反射成像到透視相機的成像平面上，旋轉體鏡面是具有等光流特性的鏡面輪廓。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)，其特征在于:以透視相機光心為原點建立極坐標系，該極坐標系下所述的具有等光流特性的鏡面輪廓為以下公式:
其中，r為鏡面上的反射點到相機光心的距離，Θ為反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角，^為鏡面頂點和相機光心之間的距離，G( Θ )為入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解，Qci為鏡面臨界偏轉角度。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)，其特征在于:所述的入射光線經(jīng)鏡面反射后的角度偏轉的微分方程解與鏡面臨界偏轉角度之和G(0) + o^通過以下公式求解得到:
其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距，h是被測物體空間點到相機光軸的軸心距，L是相機采集圖像上的光流，ω是入射光線經(jīng)過鏡面反射后的角度偏轉，c表示系統(tǒng)常數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射點和相機光心之間的連線與相機光軸形成的夾角Θ為零時，角度偏轉的微分方程解 G(O) = O。
5.應用在權利要求1所述系統(tǒng)的一種同軸心距等光流折反射相機測距系統(tǒng)的測距方法，其特征在于:該相機測距系統(tǒng)包括同軸相對放置的旋轉體鏡面和透視相機，旋轉體鏡面的中心對稱軸和透視相機的光軸共線，且旋轉體鏡面的頂點與透視相機光心之間的距離固定，被測物體置于旋轉體鏡面的下方，被測物體空間點的入射光線經(jīng)鏡面反射成像到透視相機，旋轉體鏡面是具有等光流特性的鏡面輪廓；該測距方法具體包括以下步驟: I)采用該相機測距系統(tǒng)建立一個仿真環(huán)境，配置仿真參數(shù)通過以下公式得到仿真環(huán)境下系統(tǒng)常數(shù)c的值:
其中，V'為仿真環(huán)境下相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，h'為仿真環(huán)境下被測物體空間點到光軸的軸心距，是仿真環(huán)境下透視相機的焦距，L'是仿真環(huán)境下被測距空間點在相機采集圖像上的光流值；2)采用該相機測距系統(tǒng)進行實際測距，透視相機采集圖像后，計算得到被測物體空間點在相機米集圖像上的光流L ； 3)然后通過以下公式計算得到被測物體空間點到相機光軸的軸心距h，從而通過相機采集圖像和光流計算實現(xiàn)測距:
其中，V是相機測距系統(tǒng)在光軸方向上的運動速度，f是透視相機的焦距。
【文檔編號】G01C3/30GK104165617SQ201410363073
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權日:2014年7月28日
【發(fā)明者】項志宇, 馬子昂 申請人:浙江大學