基于halcon的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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1、基于HALCON的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作者：段德山摘要雙目立體視覺(jué)的研究一直是機(jī)器視覺(jué)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。使用雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)可以確定任意物體的三維輪廓，并且可以得到輪廓上任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)可以應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。本文將主要介紹如何基于HALCON實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，以及立體視覺(jué)的基本理論、方法和相關(guān)技術(shù)，為搭建雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)和提高算法效率提供了參考。關(guān)鍵詞雙目視覺(jué)三維重建立體匹配攝像機(jī)標(biāo)定視差雙目立體視覺(jué)是機(jī)器視覺(jué)的一種重要形式，它是基于視差原理并由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)一般由雙攝像機(jī)從不同角

2、度同時(shí)獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，或由單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。?HALCON是在世界范圍內(nèi)廣泛使用的機(jī)器視覺(jué)軟件。它擁有滿足您各類機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用需求的完善的開(kāi)發(fā)庫(kù)。HALCON也包含Blob分析、形態(tài)學(xué)、模式識(shí)別、測(cè)量、三維攝像機(jī)定標(biāo)、雙目立體視覺(jué)等杰出的高級(jí)算法。HALCON支持Linux和Windows，并且可以通過(guò)C、C++、C#、VisualBasic和Delphi語(yǔ)言訪問(wèn)。另外HALCON與硬

3、件無(wú)關(guān)，支持大多數(shù)圖像采集卡及帶有DirectShow和IEEE1394驅(qū)動(dòng)的采集設(shè)備，用戶可以利用其開(kāi)放式結(jié)構(gòu)快速開(kāi)發(fā)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用軟件。一．雙目立體視覺(jué)相關(guān)基本理論介紹1．1雙目立體視覺(jué)原理雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量是基于視差原理，圖1所示為簡(jiǎn)單的平視雙目立體成像原理圖，兩攝像機(jī)的投影中心的連線的距離，即基線距為b。攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)鏡頭的光心處，坐標(biāo)系如圖1所示。事實(shí)上攝像機(jī)的成像平面在鏡頭的光心后，圖1中將左右成像平面繪制在鏡頭的光心前f處，這個(gè)虛擬的圖像平面坐標(biāo)系O1uv的u軸和v軸與和攝像機(jī)坐標(biāo)系的x軸和y軸方向一致，

4、這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。左右圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)光軸與平面的交點(diǎn)O1和O2?？臻g中某點(diǎn)P在左圖像和右圖像中相應(yīng)的坐標(biāo)分別為P1(u1,v1)和P2(u2,v2)。假定兩攝像機(jī)的圖像在同一個(gè)平面上，則點(diǎn)P圖像坐標(biāo)的Y坐標(biāo)相同，即v1=v2。由三角幾何關(guān)系得到：?????????????上式中（xc，yc，zc）為點(diǎn)P在左攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，b為基線距，f為兩個(gè)攝像機(jī)的焦距，（u1，v1）和（u2，v2）分別為點(diǎn)P在左圖像和右圖像中的坐標(biāo)。視差定義為某一點(diǎn)在兩幅圖像中相應(yīng)點(diǎn)的位置差：???由此可計(jì)算出空間中某點(diǎn)P在左攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

5、??因此，只要能夠找到空間中某點(diǎn)在左右兩個(gè)攝像機(jī)像面上的相應(yīng)點(diǎn)，并且通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定獲得攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，就可以確定這個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。?1．2雙目立體視覺(jué)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及精度分析?由上述雙目視覺(jué)系統(tǒng)的基本原理可知，為了獲得三維空間中某點(diǎn)的三維坐標(biāo)，需要在左右兩個(gè)攝像機(jī)像面上都存在該點(diǎn)的相應(yīng)點(diǎn)。立體視覺(jué)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為交叉擺放的兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度觀測(cè)同一被測(cè)物體。圖2和圖3分別為實(shí)物圖與原理圖。這樣通過(guò)求得兩個(gè)圖像中相應(yīng)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，便可以由雙目立體視覺(jué)測(cè)量原理求取三維空間坐標(biāo)。事實(shí)上，獲取兩幅圖像也可以由一個(gè)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)，如一個(gè)攝像機(jī)通過(guò)給定方

6、式的運(yùn)動(dòng)，在不同位置觀測(cè)同一個(gè)靜止的物體，或者通過(guò)光學(xué)成像方式將兩幅圖像投影到一個(gè)攝像機(jī)，都可以滿足要求。?各種雙目視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，這些結(jié)構(gòu)適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)要求大測(cè)量范圍和較高測(cè)量精度的場(chǎng)合，采用基于雙攝像機(jī)的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)比較合適；對(duì)測(cè)量范圍要求比較小，對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)體積和質(zhì)量要求嚴(yán)格，需要高速度實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)象，基于光學(xué)成像的單攝像機(jī)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)便成為最佳選擇。?基于雙攝像機(jī)的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)必須安裝在一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)上，在進(jìn)行雙目視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定以及應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要確保攝像機(jī)的內(nèi)參(比如焦距)和兩個(gè)攝像機(jī)相對(duì)位置關(guān)系不

7、能夠發(fā)生變化，如果任何一項(xiàng)發(fā)生變化，則需要重新對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。視覺(jué)系統(tǒng)的安裝方法影響測(cè)量結(jié)果的精度。測(cè)量的精度可由下式得出：??上式中⊿z表示測(cè)量得出的被測(cè)點(diǎn)與立體視覺(jué)系統(tǒng)之間距離的精度，z指被測(cè)點(diǎn)與立體視覺(jué)系統(tǒng)的絕對(duì)距離，f指攝像機(jī)的焦距，b表示雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的基線距，⊿d表示被測(cè)點(diǎn)視差精度。????????為了得到更高的精度，應(yīng)該使攝像機(jī)的焦距以及基線長(zhǎng)度增大，同時(shí)應(yīng)該使被測(cè)物體盡可能的靠近立體視覺(jué)系統(tǒng)。另外這個(gè)精度和視差的精度有直接的關(guān)系。在HALCON中一般情況下視差結(jié)果可以精確到1/5~1/10個(gè)像素，如果一個(gè)像素代

8、表7.4μm那么視差的精度可以達(dá)到1μm。圖4表示深度測(cè)量的精度和各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系（假設(shè)視差精度為1μm）。?如果b和z之間的比值過(guò)大，立體圖像對(duì)之間的交迭區(qū)域?qū)⒎浅Ｐ?，這樣就