單像機寬視場立體視覺動態測量技術及感測器

《單像機寬視場立體視覺動態測量技術及感測器》是依託北京航空航天大學，由周富強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：單像機寬視場立體視覺動態測量技術及感測器
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：周富強
• 項目類別：面上項目

項目摘要

圍繞寬視場三維動態測量，將立體視覺測量與寬視場無捲曲畸變成像技術結合，研究單攝像機寬視場立體視覺動態測量關鍵技術，研製由高解析度單攝像機和組合四稜錐面反射鏡組構成的寬視場立體視覺感測器，旨在滿足更寬視場範圍內的三維測量的前提下，解決傳統雙目立體視覺存在的測量精度和測量速度之間的固有矛盾，以期構建能滿足動態實時測量需求的高精度寬視場三維測量模式。研究內容包括測量系統總體方案、寬視場無捲曲畸變成像技術、多虛擬雙目寬視場立體視覺測量技術、研製單攝像機寬視場視覺感測器，建立感測器模型，研究感測器現場標定技術，研究單圖像子區域同名特徵對應匹配方法，研製測量系統樣機。單攝像機寬視場立體視覺動態測量技術，為寬視場三維感知測量提供一種新技術途徑，對提高機器系統的環境定量感知能力具有重要意義，將在三維場景重建、逆向工程、自動機器導引、鐵路及高速公路環境監測、先進制造業、線上生產作業等領域具有廣泛套用前景。

結題摘要

基於折反射成像與雙目視覺的立體視覺測量技術將廣泛套用於先進制造、逆向工程、機器人導航等領域內起著非常重要的作用。項目圍繞寬視場三維測量，構建基於立體視覺技術與無捲曲畸變的多虛擬雙目成像技術相結合的單像機寬視場立體視覺三維測量模式，研製由高解析度單攝像機和組合四稜錐面反射鏡組構成的寬視場立體視覺感測器，解決常規多感測器雙目視覺測量由於圖像同步採集制約難以滿足動態測量的難題，旨在滿足更寬視場範圍內的三維測量的前提下，解決傳統雙目立體視覺存在的測量精度和測量速度之間的固有矛盾，構建能夠滿足在動態環境條件下無人機、機器人的視覺導航導引需求。 取得主要成果： ① 提出了無捲曲畸變的多虛擬雙目成像的寬視場立體視覺測量方案，基於高解析度單像機和四稜鏡錐面反射鏡組，研製了新型單攝像寬視場機立體視覺感測器。 ② 建立了單攝像機寬視場立體視覺感測器的幾何設計模型，對四稜鏡錐面反射鏡組的幾何尺寸、相互位置、與攝像機光軸的夾角及工作距離等參數進行了計算，推導出單像機寬視場立體視覺感測器的最佳化設計方法。 ③ 建立了唯一攝像機坐標系的多虛擬雙目視覺的一體化測量模型，提出基於組合靶標的寬視場立體視覺感測器兩步標定方法。 ④ 針對鏡像雙目的單攝像機-雙成像點模式，建立了單攝像機鏡像雙目極線約束模型，確定了對應匹配點在同一圖像中不同子區域的共線關係，縮小了同名特徵匹配的搜尋範圍，提高匹配效率及準確性。 ⑤ 面向高精度立體視覺測量，提出了基於空間三維距離誤差最小化的立體視覺模型參數的多約束最佳化方法，有效地提高了雙目視覺的標定精度和測量精度。 ⑥ 提出了局部小平面直接映射的單攝像機高精度視覺測量方法，有效地避免了單攝像機模型中畸變對測量精度的影響。 ⑦ 提出一種適應硬體實現的改進直線段特徵提取（LSD）算法，基於FPGA硬體實現了算法中的圖像平滑、梯度計算、水平角計算、梯度偽排序、區域增長和矩形近似等關鍵模組。 ⑧ 研製了單像機寬視場立體視覺感測器原理樣機，搭建實驗測試系統，開發了感測器標定及測量軟體。 單攝像機寬視場三維視覺測量技術，為寬視場三維感知測量提供一種新技術途徑，對於提高機器系統的寬視場環境定量感知能力具有重要意義，將在三維場景重建、逆向工程、機器人導航、視頻智慧型監控、先進制造業、線上生產作業等領域具有廣闊的套用前景。