基于单图像传感器的双孔相机成像测量技术

摘要

我们的生产生活中每时每刻都离不开测量，对目标物体的位置进行测量在人类的生产生活中发挥着不可或缺的作用，能够在工业生产中便捷的获取所需的信息。在课题组的测量项目研究过程中发现，机器人就可以抓取视线范围内的物体，但如果目标物体处于视觉盲区中，或处于窄小空间中，机器人抓取就会出现偏差，由于研究范围的特殊性，需要对窄小空间中或主体视觉盲区中小型目标物体的位置进行测量。
　　针对这个问题，本论文将结合计算机与照相机，设计一种基于单图像传感器的双孔相机成像测量技术，利用照相机来捕捉小型物体，利用基于单图像传感器的双孔成像方法在一幅图片中形成多个成像，利用后期的数字图像处理技术来改善获取图片的质量，从而最后利用MATLAB编程来对目标物体进行计算分析，该设计对于课题组项目当中研究的位置测量具有十分重要的工程应用价值。
　　本课题将激光信号安置于小型的目标物体上，随着目标物体的位置改变，通过照相机捕捉到的激光信号的成像变化就会反映目标物体的位置信息，在小孔成像的基础上，建立空间几何关系，构建数学模型，此时用双孔照相机采集激光信号的成像信息，对其通过数字图像处理技术获取图像中激光信号的中心，由二维图像到三维空间的过程中利用坐标间的转换关系，在多次程序设计仿真过程中，不仅有效地计算了照相机的外部参数而且分析了照相机的内部参数，并得到激光信号的三维坐标、照相机有效焦距、径向透镜畸变参数，最终可以在节省测量器件成本的基础上对目标物体进行位置测量。
　　该设计的创新之处在于将双目视觉中的捕捉目标物体不同角度的两幅图像改成了捕捉一幅图像，但两种角度的图像信息都包含在其中。将普通照相机改成了双孔照相机，在一个CCD芯片前设置两个小孔同时进行捕捉，这样提高了捕捉图片的便捷度和准确度，方便安置，节省空间。
　　该设计技术优势在于成本低、便捷、精度和多功能性，并且建立了可操作性的数学模型和可行性的理论框架，本次实验结果均是真实数据，经验证所得数据支持所得到的结论，验证了系统的基本功能，最后对精度进行了计算，满足设计要求和技术指标，为该系统进一步的发展和实用性打下了坚实的理论和实验基础。实验结果表明:将双孔用于实际的窄小空间的工程应用中，可以做到对小型目标物体准确的位置测量，确保误差维持在10.00％以内。未来工程应用中可以将该双孔照相机安置在需要不时抓取物件的机械臂上、行动不便的人的指头上等来辅助测量视觉盲区中的目标物体位置，在未来日常生产生活中的目标物体定位中发挥着难以预估的作用。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展动态

1．2．1 双目视觉的现状与发展

1．2．2 数字图像处理的应用

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构安排

2 双孔成像的基本原理

2．1 人眼视图获取

2．1．1 双目视觉的原理

2．1．2 双目视觉的应用

2．2 双孔成像技术的总体构成

2．2．1 双孔成像的基本原理

2．2．2 双孔成像的应用

2．2．3 误差因素及改进方法

2．3 本章小结

3 基于小孔成像的误差因素分析

3．1 小孔成像模型分析

3．2 透 镜成像的原理及应用

3．2．1 影响因素及改进方法

3．2．2 透镜成像的原理

3．2．3 实际存在问题分析

3．3 本章小结

4 数学模型建立及理论分析

4．1．1 二维平面数学模型

4．1．2 三维立体数学模型

4．2 图像测量及中心标记

4．2．1 模拟相机及实验图像采集

4．2．2 实验图像处理分析

4．2．3 目标中心标记与求解流程

4．3 数学模型技术指标分析

4．3．1 数学模型理论公式探究

4．3．2 数学模型精度估算

4．4 本章小结

5．1 三维信息的提取

5．2 理论条件分析

5．2．1 成像定位系统模型

5．2．2 坐标系间的变换关系

5．2．3 照相机参数分析

5．2．4 算法及求解过程分析

5．3 实验测试平台

5．3．1 实验测试系统

5．3．2 实验过程及数据采集

5．3．3 实验图片采集及处理

5．3．4 相机参数求解

5．4 系统精度评定

5．5 本章小结

6．1 论文工作总结

6．2 存在的问题及今后改进的方向

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢