一种立体视觉系统及其实时监控三维安全警示区域的应用

摘要

一种立体视觉系统及其实时监控三维安全警示区域的应用，包括模仿人眼设计的计算机双目立体视觉系统，双目摄像头为两组，分别放置于接受监测的立体空间即三维安全警示区域中两个正交的平面外对同一物体进行观察，分别通过立体匹配模块得到两组视差图，计算物体的深度及其位置信息是分别实时计算两组包括深度图的空间坐标，应用步骤包括确定双目摄像头仰角、转换坐标系和划定三维安全警示区域。成功实现了对三维安全警示区域内外物体的空间坐标的实时探测，以及对于待监测物体超过区域限制约束即物体的点至三维安全警示区域的平面距离小于安全距离时实时报警的功能，有效克服了单组双目摄像头探测物体的三维空间信息的局限性，显著提高了监控效果。

主权项

一种立体视觉系统，包括模仿人眼设计的计算机双目立体视觉系统，所述计算机双目立体视觉系统包括图像采集模块、平面靶标标定模块、立体匹配模块、深度计算模块和立体监控应用模块，且以左摄像头投影中心为原点的摄像头坐标系为基准进行计算，所述图像采集模块包括基于双目三角测量原理设置在不同位置对同一物体进行观察的双目摄像头，并通过所述平面靶标标定模块标定双目摄像头获取摄像头的内外参数，包括基线距、焦距，以及通过立体匹配模块获取视差，再计算物体的深度及其位置信息，其特征在于：所述双目摄像头为两组，分别放置于接受监测的立体空间即三维安全警示区域中两个垂直相交即正交的平面外对同一物体进行观察，分别通过立体匹配模块得到两组视差图，所述计算物体的深度及其位置信息是分别实时计算两组包括深度图的空间坐标；所述一组空间坐标包括一组双目摄像头的左摄像头投影中心为原点的仰角分别为θ1和0°下的摄像头坐标系O‑x1y1z1和O‑x′1y′1z′1，仰角θ1是主光轴Oz1与主光轴Oz′1的夹角，摄像头坐标系O‑x1y1z1中的点的坐标(X1，Y1，Z1)转换为摄像头坐标系O‑x′1y′1z′1中的点的坐标(X′1，Y′1，Z′1)，满足以下关系式：X′1＝X1；Y′1＝Y1cosθ1‑Z1sinθ1；Z′1＝Y1sinθ1+Z1cosθ1；与主光轴Oz′1垂直的标定参照物平面即实际的三维安全警示区域中监控物体平面上X1/X′1为0的情况下的长度为Y1的垂直线段L1，与主光轴Oz1和主光轴Oz′1分别相交，垂直线段L1的上端点在摄像头坐标系O‑x1y1z1下的坐标为(X11，Y11，Z11)，下端点在摄像头坐标系O‑x1y1z1下的坐标为(X12，Y12，Z12)，所述一组双目摄像头的仰角θ1的正弦函数值为：Sinθ1＝|Z11‑Z12|/Y1；所述一组双目摄像头的仰角θ1的余弦函数值为：Cosθ1＝|Y11‑Y12|/Y1；所述另一组空间坐标包括另一组双目摄像头的左摄像头投影中心为原点的仰角分别为θ2和0°下的摄像头坐标系O‑x2y2z2和O‑x′2y′2z′2，仰角θ2是主光轴Oz2与主光轴Oz′2的夹角，摄像头坐标系O‑x2y2z2中的点的坐标(X2，Y2，Z2)转换为摄像头坐标系O‑x′2y′2z′2中的点的坐标(X′2，Y′2，Z′2)，满足以下关系式：X′2＝X2；Y′2＝Y2cosθ2‑Z2sinθ2；Z′2＝Y2sinθ2+Z2cosθ2；与主光轴Oz′2垂直的标定参照物平面即实际的三维安全警示区域中监控物体平面上X2/X′2为0的情况下的长度为Y2的垂直线段L2，与主光轴Oz2和主光轴Oz′2分别相交，垂直线段L2的上端点在摄像头坐标系O‑x2y2z2下的坐标为(X21，Y21，Z21)，下端点在摄像头坐标系O‑x2y2z2下的坐标为(X22，Y22，Z22)，所述另一组双目摄像头的仰角θ2的正弦函数值为：Sinθ2＝|Z21‑Z22|/Y2；所述另一组双目摄像头的仰角θ2的余弦函数值为：Cosθ2＝|Y21‑Y22|/Y2；所述立体监控应用模块还包括仰角计算模块、坐标转换模块、安全立体平面划定模块，以及报警模块；所述平面靶标标定模块和所述仰角计算模块在对三维安全警示区域进行实时监测前完成平面靶标标定和仰角计算，其他模块都在对三维安全警示区域进行实时监测时工作，所述安全立体平面划定模块确定安全警戒区域的警戒平面约束限制和安全距离后，将警戒平面约束限制和安全距离传递给报警模块，即退出实时监测；所述平面靶标标定模块分别与所述立体匹配模块、所述深度计算模块连接，为立体匹配模块提供参数和行对准图像用于立体匹配，为深度计算模块提供焦距，成像中心点坐标信息用于深度计算；所述立体匹配模块与所述深度计算模块连接，为深度计算模块提供用于计算深度的视差值；所述深度计算模块分别与所述仰角计算模块、坐标转换模块连接，所 述仰角计算模块用深度计算模块提供的标定参照物平面的坐标信息计算正余弦值，并将其提供给坐标转换模块用于坐标转换；所述坐标转换模块分别与所述仰角计算模块、安全立体平面划定模块和报警模块连接，所述仰角计算模块为所述坐标转换模块提供坐标转换所需的正余弦值，所述安全立体平面划定模块和报警模块使用所述坐标转换模块转换后的点坐标建立三维安全警示区域的各个平面的平面限制约束，实时监测物体至三维安全警示区域各个警戒平面的距离，决定是否报警；所述安全立体平面划定模块与所述报警模块连接，为所述报警模块提供三维安全警示区域的区域限制约束，待监测物体超过区域限制约束即物体的点至三维安全警示区域的平面距离小于安全距离时，所述报警模块进行声光报警。