双目立体视觉测距系统误差模型的研究

双目立体视觉测距系统误差模型的研究

第32卷第1期光学技术　　　　　　　　　　　　　　　Vol.32No.1

2006年1月OPTICALTECHNIQUEJan.　2006

文章编号:100221582(2006)0120024203　　

双目立体视觉测距系统误差模型的研究

李海滨,单文军,刘彬

(燕山大学电气学院,河北秦皇岛　066004)

Ξ

摘　要:针对双目立体视觉测距中产生误差的问题,分析了系统中的各个参量,并建立了双目立体视觉测距系统的误差模型。得出引起测量系统误差最大的两个参量是CCD摄像头的对准程度和测量的距离;度低,边缘测量精度高,在视场中心的水平和纵向的测量精度却远高于在边缘的测量精度两个结论差模型可以指导适用于具体应用场合的双目立体视觉测距系统的设计。

关键词:光学测量;双眼视差;CCD;立体视觉;中图分类号:TN386　　　文献标识码:A

Researchoferror-tsystem

,,LIUBin

YanshanUniversity,Qinhuangdao　066004,China)

causederrorsinstereoscopicmeasurementsystemwerestudied.Measuringerrormodelswereweretwoimportantfactorsthatcausebigmeasuringerrors,thedegree-symmetryoftwocamerasandthemeasuring-distance.Themeasuring-accuracyofdistanceinthecenterofviewfieldislowerthantheedgeofviewfield.Butthemeasuring-accuracyofendwiseandcrosswiseinthecenterofviewfieldismuchhigherthantheedge.Basedonthiserror-modeltwoeyesstereoscopicmeasurementsystemisdesigned.

Keywords:opticalmeasurement;binoculardisparity;CCD;stereoscopic;homonymypointsmatching

1　立体视觉的生理学原理

人和其他很多高等动物都能够通过眼睛观察到世界的三维信息。外界的光线信息通过眼球这个光学采集系统,将光信号转变成为神经脉冲,再传送到大脑,经过大脑分析得到世界的三维信息。在近处人既可以通过眼球的调整用单眼来辨认三维物体,但是由于眼球的调节范围有限,分辩力很低,而且单眼的判读距离不超过5m[1],在远处只能通过双眼来辨认三维物体。由于左右眼之间有一定的距离,即瞳距(成年人约为65mm),因此在同一个视角方向不同距离的物体对双眼的张角也就不一样,根据几何光学原理,离观察者不同距离的点落在视网膜上的位置不同,离的越远点越靠近视网膜的中心(黄斑区),这种双眼视网膜上的位置差就被称为双眼视差,它反映了世界物体的深度。人的三维感知就是通过这个视差,再经过大脑加工形成的。例如,在视觉范围内有两点P、Q,当落入左眼视网膜时在PL、QL上,落入右眼视网膜在PR、QR上(见图1)。由图可见OLQL+ORQR大于PLOL+PROR,它们的差,即(OLQL+ORQR)-(PLOL+PROR)就是双眼视差(OL、OR分别为两只眼睛的视觉中心)。对于

固定的点Q,点P距离点Q越远(OLQL+ORQR)

-(PLOL+PROR)的值就越大。也可以用Q、P对两眼的张角来表示双眼的视差。设点P对双眼的张角为角α。点Q对双眼的张角为角β,对于固定的点Q,点P距离点Q越远它们张角的差越大,即β-α越

图1　双眼视差示意图

图2　双眼视深阈值示意图

大。眼睛对空间物体的分辨能力,即体视锐度,由于观测物体的距离不同,其体视锐度也不相同,体视锐度一般用角度来表示,如图2所示,其计算公式为[2]

η=α-α(1)　　′=2

ΔDD+D

其中η为双眼视差;α和α′分别为Q、P两点对两眼的张角;D为注视点离眼睛的距离;a为瞳距。一般人眼睛的视差阈值能达到30″已属于正常,经过训

Ξ收稿日期:2004212203;收到修改稿日期:2005201211　　　　E2mail:hbli@http://doc.guandang.net

基金项目:国家重大技术装备创新研制项目(022ZZ211)

作者简介:李海滨(1978-),男,山西省人,燕山大学讲师,博士,从事智能控制、信号处理、模式识别研究。

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双目立体视觉测距系统误差模型的研究

第1期

[1]

练可以达到3″到5″。立体视深的大小为ΔD=Dtan(α-α)(1+tanα)/tanα(2)′tanα′′当η为视差阈值,且αµη时,(2)式可近似为

ΔD=D2η(1+tan2α)/a(3)

在明视距离下tan2α约为1/15,所以在比明视距离远的地方,误差与距离平方成正比,如果取立体视差阈值为6″,在2m距离下立体视深的分辨力约为118mm。

李海滨,等:　双目立体视觉测距系统误差模型的研究

在O2X2Y2Z2的几何光学投影为

100

X

θθ2sin2Y-d2-v20cos

X2

Y2=-θθd2sinθ2-Ysin2+Zcos2

Z2

00-v(5)

2　测量原理

采用双目立体视觉测

量可以直接获得物体的三维面形,因此越来越受到人们的关注,其测量原理图如

图3所示,模仿人的眼睛工CCD作原理,两个CCD,进而根据,进行识别得到空间点D的三维位置信息。

图3中,CCD1、CCD2为两个图像传感器L为对焦距离;v1、v2分别为两个光学系统的像距;d1、d2分别为两个光学中心到所要求的对称中心的距离;L1、

θL2分别为两个光学系统的物距;θ1、2分别为两个光学系统光轴与所要求的对称线的夹角。

空间坐标系中的点在O1X1Y1Z1的几何光学投影为

1

X1Y1=Z(5)两式解得由(4)、

θθX=-(d2sinθ2-Ysin2+Zcos2)X2/v2(6)

Y=P1/P2Z=P3/P(7)(8)

θ1d1tan1-Y2-v2tan2)-Yv1θ1)(Y2d2tan2+v2d2)

θP2=(Y1tanθ1-v1)(Y2-v2tan2)+

(Y1+v1tanθθ1)(Y2tan2+v2)

θP3=(Y1tanθ1-v1)(Y2d2tan2+v2d2)+

(Y1d1tanθθ1-v1d1)(Y2tan2+v2)

这样通过对两幅图像上同名点的识别就可以根据式

(6)～(8)求出这个点在空间的三维坐标位置。

3　参数分析及实验结果

在实际的测量中为了保证两幅图像匹配的精度,要求θ1和θ2相等且值足够小,d1和d2相等,v1和v2相等。因此令θ、d1=d2=d、v1=1=θ2=θ

v2=v,由于θ值比较小因此tanθν1,这样在计算

2

00

X

θθ1sin1Y-

d1-v10cos

θθθθd1sin1-Ysin1+Zcos1

==d

-

00-v(4)

误差时,将1+tan2θ近似等于1,这样使结果简洁便于分析,因此而带来的误差不超过总误差的1%。这样求得θ、d、v对X、Y、Z的偏导数为θX1/v-Zsinθ+cos

(9)

θ-Ycosθ-sinθdcossinθ-sinθ

θX1/v+cos

dθ)X1/v2=-sin+cosv-(dsinθ-Ysinθ+Zcosθ

vvv

5Y/5θ=2dv(Y1+Y2)(Y1Y2+v2)/[2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2v2tanθ]25Y/5d=-v(Y1+Y2)/[2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2v2tanθ]

22

5Y/5v=2d(v-Y1Y2)(Y1+Y2)tanθ/[2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2vtanθ]

(10)

2θ+v(Y)24()22=[2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2v2tanθ]222θ-(Y)θ=d2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2v2tanθ

)+8YYvdθd(Y-Y)(v2-YY2θ=-22

v[2Y1Y2tanθ+(Y1-Y2)v+2vtanθ]

(11)

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双目立体视觉测距系统误差模型的研究

光　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第32卷

由于d、v和θ是独立的,根据系统误差合成原理可以得到X、Y、Z的系统误差。

ΔX′=Δθ+Δd+Δv(12)

dv

ΔY′=Δθ+Δd+Δv(13)

dv

ΔZ′=Δθ+Δd+Δv(14)

dv

由以上的结果可以看出当tanθ较小时,X、Y和Z对θ的导数值比对d、v的值大,因此较小的偏差就可以引起较大的误差,所以在 …… 此处隐藏：5682字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……