CN105004324A - 一种具有三角测距功能的单目视觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有三角测距功能的单目视觉传感器，主要包括外壳、插座、电路板、成像器件、激光器、聚焦镜组、照明光源、成像镜组、测量窗等。由激光器发出的激光束经过聚焦镜组之后形成一束准直激光束，在被测目标表面形成激光光斑。成像镜组将被测目标（连同激光光斑一起）成像到成像器件表面上，通过计算可以同时获得被测目标的二维信息与距离信息，从而实现了利用单目视觉传感器获取被测目标的三维信息。与现有的常规视觉传感器相比，本发明的视觉绝传感器在获得被测目标二维图像的同时，可以精确地获得视觉传感器与被测目标之间的距离值，从而可以构成三维视觉传感器，而且集成度高、体积小、成本低，还可实现二维倾角的测量。

Description

一种具有三角测距功能的单目视觉传感器

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的工业传感器，具体是一种具有三角测距功能的单目三维视觉传感器。

背景技术

视觉传感器是一种利用计算机视觉技术来模拟生物视觉功能的传感器，也是目前智能化程度最高的一种传感器。视觉传感器可以一次性获取被测目标的众多信息，例如形状、尺寸、颜色、数量、位置、姿态等，是典型的多功能、多参数、智能化传感器。目前视觉传感器已经应用于国民经济各个领域，并且应用范围越来越广，特别是在机器人、先进制造等高科技领域尤为突出。常规的视觉传感器，主要采用一个或者多个成像器件来获取被测目标的有关信息。

但是目前现有的视觉传感器存在一些明显的问题与不足，特别是对于单目视觉传感器而言，其单个成像元件仅能获得场景的二维图像，因此仅能获得被测目标的二维信息（例如长度、角度、面积、直径、宽度、距离等），而无法获得三维信息。特别是视觉传感器与被测目标的距离值，现有视觉传感器均无法准确直接获得。上述这些问题也是目前绝大部分的视觉传感器的通病，并成为限制视觉传感器发展与推广应用的一个障碍。

目前获取视觉传感器与目标之间距离信息的方法，主要是采用双目立体视觉技术，即采用具有两个摄像元件的视觉传感器。双目立体视觉系统由不同位置的两台摄像机同时拍摄同一场景中的目标，通过计算目标上若干特征点在两幅图像中对应点的视差，然后经过一系列的投影逆变换，最终获得该空间点的三维坐标值。相比其他的立体视觉方法（如全息照相术、透镜板三维成像等），双目立体视觉直接模拟人类双眼处理场景的方式，可靠、简便，适应性广。双目立体视觉涉及人工智能、计算机图形学和认知心理学等领域中许多具有挑战性的难题，国内外众多学者开展了深入的研究，而且已将双目立体视觉技术广泛应用于工农业生产、日常生活等国民经济主要领域之中。

但是，传统的双目立体视觉存在一个致命的原理性缺陷与不足：测头与目标之间的测距精度很低，深度信息不准确，导致纵向定位精度远远低于平面定位精度，无法满足精确三维定位精度要求，而且原理上的缺陷无法进一步得到改善。特别是当被测目标较远、两个摄像机距离较近的情形下，纵向定位精度更无法保证，甚至完全失效。另一方面，双目立体视觉系统组成复杂、体积庞大，无法小型化，更不能实现嵌入式系统。这一问题严重制约了视觉系统的广泛应用，已成为视觉领域发展的一个瓶颈问题和技术障碍。因此，研究精确三维定位的新方法、新思路，提出全新的单目三维视觉传感器，是三维视觉系统领域走向实际应用的必由之路。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单目视觉传感器无法准确获取视觉传感器与被测目标之间距离信息的问题，提出一种可以具有三角测距功能的单目三维视觉传感器。

本发明创新地将典型的激光三角测距技术引入传统的视觉检测系统之中，提出一种具有三角测距功能的视觉系统新概念，从原理上解决了传统双目立体视觉系统的测距精度低、深度定位差的弊端。该视觉传感器在获得被测目标二维信息的同时，可以准确获得传感器与被测目标的距离值。这种方法巧妙地将单目视觉与激光三角测距两种高科技方法有机结合起来，极大地扩展了传统单目视觉传感器的性能。同时免去了双目视觉传感器的复杂性与高成本，而且测距精度更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出一种具有三角测距功能的单目三维视觉传感器，主要包括：外壳、插座、电路板、成像器件、激光器、聚焦镜组、照明光源、成像镜组、测量窗等。成像镜组布置于成像器件前端，实现对被测场景中目标图像的获取；照明光源布置于成像镜组的周围，用于照亮被测场景及被测目标；激光器安置于成像器件与成像镜组四周，激光器前端布置聚焦镜组，用于产生聚焦准直的激光束；电路板负责控制激光器的开关，读取成像器件的数字图像信号，进行处理并得到最终的三维测量结果，并通过插座输出结果至上位机；所有器件安置于外壳之内，形成一体化视觉传感器；外壳前端设置有透光的测量窗，保证激光束的发出和场景图像的准确成像。

本发明的视觉传感器工作过程如下：在电路板的控制下，由激光器发出的激光束经过聚焦镜组之后形成一束准直激光束，透过测量窗之后照射在被测目标表面，并在被测目标表面形成相应的激光光斑。成像镜组将被测目标（连同激光光斑一起）成像到成像器件表面上，从而得到视频图像。该图像的数据送入电路板进行处理，通过计算可以同时获得被测目标的二维信息与距离信息，从而实现了利用单目视觉传感器获取被测目标的三维信息。测量结果可以通过插座传输到上位机。

本发明的成像器件可以采用常规的数字式图像传感器，例如面阵CCD器件或面阵CMOS器件，选型方便、维护成本低、互换性好。成像器件的像素可根据测量精度的要求来选择。

本发明的成像镜组可以采用常规的各种工业镜头，包括标准焦距镜头、广角镜头、远摄镜头等，而且可以根据被测目标的不同大小以及与视觉传感器的距离远近来选择镜头的光学参数。为了保证成像质量，要求成像镜组的镜片具有较小的变形与失真，而且镜片表面应镀有增透膜。

本发明的照明光源可以采用常规的照明光源，发光光谱可以根据被测目标的特点不同进行选择，例如白色LED光源、单色LED光源等。

本发明的照明光源的数量可根据需要选择，一般为2～8个为宜，且对称布置于成像镜组四周。

本发明的激光器可以采用常规的激光器，例如激光二极管或者激光模组。

本发明的激光器的特殊之处在于：该激光器的发光光谱应该根据照明光源的光谱进行选择，并与照明光源的光谱有明显的区别和差异。如果照明光源的光谱是可见光，则激光器的光谱则应为不可见光（例如红外光或紫外光等），反之亦然。这样，成像器件只需一次成像即可获取被测目标图像和激光光斑图像，从而可以获得三维立体信息，而且获取测距的功能不会影响原有二维信息的获取。

本发明的激光器的特殊之处还在于：该激光器的数量为4的倍数，例如4个、8个等，而且对称布置于成像镜组与照明光源的四周，每个激光器的光轴与成像镜组的光轴平行，从而可以形成多个平行激光束。

本发明的聚焦镜组的特殊之处在于：该聚焦镜组需要同时具有聚焦与准直功能，使得经过该聚焦镜组后激光束成为一束细小而准直的激光束，从而保证测距精度。具体的聚焦与准直要求，取决于定位精度的高低，一般要求光斑尺寸不超过定位分辨力的50倍。

本发明的电路板的特殊之处在于：本发明的电路板同时具有4个方面的功用：（1）对激光器进行控制，使之输出功率适合的激光束；（2）采样成像器件的数据，获得数字图像；（3）对数据进行处理，同时获得被测目标的二维信息与距离信息；（4）将三维测量结果输出到上位机。

本发明的电路板的特殊之处还在于：本发明的电路板可以利用激光光斑的位置计算出视觉传感器与被测目标的距离。当被测目标与视觉传感器的距离产生变化时，激光束在被测目标表面形成的光斑在成像器件上的成像位置也随之发生变化，由此可以计算出被测目标与视觉传感器之间的距离。

本发明的电路板的特殊之处还在于：当被测目标与视觉传感器之间的位移是平移（没有产生倾角）的时候，视觉传感器分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值的算术平均值作为最终的距离测量结果。

本发明的电路板的特殊之处还在于：当被测目标产生倾斜的时候，视觉传感器同样分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值以及激光器之间的距离来计算被测目标的倾角，从而可以得到二维倾角测量值。

本发明的测量窗可以采用常规光学玻璃制作，并且双面镀有增透膜。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的具有三角测距功能的单目视觉传感器组成示意图；

图2为本发明的视觉传感器实现测距的原理示意图；

图3为本发明的视觉传感器距离与成像位置的关系示意图

图4为本发明的视觉传感器平移距离计算原理示意图

图5 为本发明的视觉传感器二维倾角测量原理示意图

图中，1为外壳，2为插座，3为电路板，4为成像器件，5为激光器，6为聚焦镜组，7为照明光源，8为成像镜组，9为测量窗，10为被测目标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出一种具有三角测距功能的单目视觉传感器，其组成如图1所示，主要包括：外壳1、插座2、电路板3、成像器件4、激光器5、聚焦镜组6、照明光源7、成像镜组8、测量窗9等。成像镜组8布置于成像器件4前端，实现对被测场景中目标10图像的获取；照明光源7布置于成像镜组8的周围，用于照亮被测场景及被测目标10；激光器5安置于成像器件4与成像镜组6四周，激光器5前端布置聚焦镜组6，用于产生聚焦准直的激光束；电路板3负责控制激光器5的开关，读取成像器件4的数字图像信号，进行处理并得到最终的三维测量结果，并通过插座2输出结果至上位机；所有器件安置于外壳1之内，形成一体化视觉传感器；外壳1前端设置有透光的测量窗9，保证激光束的发出和场景图像的准确成像。

本发明的视觉传感器工作过程如下：在电路板3的控制下，由激光器5发出的激光束经过聚焦镜组6之后形成一束准直激光束，透过测量窗9之后照射在被测目标10的表面，并在被测目标10的表面形成相应的激光光斑。成像镜组8将被测目标10（连同激光光斑一起）成像到成像器件4的表面上，从而得到视频图像。该图像的数据送入电路板3进行处理，通过计算可以同时获得被测目标10的二维信息与距离信息，从而实现了利用单目视觉传感器获取被测目标的三维信息。测量结果可以通过插座2传输到上位机。

本发明的成像器件4可以采用常规的数字式图像传感器，例如面阵CCD器件或面阵CMOS器件，选型方便、维护成本低、互换性好。成像器件4的像素可根据测量精度的要求来选择。例如，假设测量视场大小为400mm×300mm，测量分辨力要求为0.01mm，细分倍数为10，则成像器件的像素要求应为400/（0.01×10）=4000pixel。

本发明的成像镜组8可以采用常规的各种工业镜头，包括标准焦距镜头、广角镜头、远摄镜头等，而且可以根据被测目标的不同大小以及与视觉传感器的距离远近来选择镜头的光学参数。为了保证成像质量，要求成像镜组8的镜片具有较小的变形与失真，而且镜片表面应镀有增透膜。例如，假设测量视场大小为400mm×300mm，视觉传感器与被测目标10之间的距离为300mm，则镜头的视角为2×arctan（0.5×400/300）=67˚，因此可以选用视角为70˚左右的工业镜头。

本发明的照明光源7可以采用常规的照明光源，发光光谱可以根据被测目标的特点不同进行选择，例如，对于需要获取被测目标色彩信息的场合，可以采用白色LED光源进行照明。如果仅需要获取被测哦目标的轮廓信息，可以采用单色LED光源等。

本发明的照明光源7的数量可根据需要选择，一般为2～8个为宜，且对称布置于成像镜组8四周。

本发明的激光器5可以采用常规的激光器，例如激光二极管或者激光模组。

本发明的激光器5的特殊之处在于：该激光器的发光光谱应该根据照明光源7的光谱进行选择，并与照明光源7的光谱有明显的区别和差异。如果照明光源7的光谱是可见光，则激光器5的光谱则应为不可见光（例如红外光或紫外光等），反之亦然。这样，成像器件4只需一次成像即可获取被测目标10的图像和激光光斑图像，从而可以获得三维立体信息，而且获取测距的功能不会影响原有二维信息的获取。

本发明的激光器5的特殊之处还在于：该激光器的数量为4的倍数，例如4个、8个等，而且对称布置于成像镜组8与照明光源7的四周，每个激光器5的光轴与成像镜组8的光轴平行，从而可以形成多个平行激光束（图1中为4条激光束）。

本发明的聚焦镜组6的特殊之处在于：该聚焦镜6需要同时具有聚焦与准直功能，使得经过该聚焦镜组6后激光束成为一束细小而准直的激光束，从而保证测距精度。具体的聚焦与准直要求，取决于定位精度的高低。例如，假设视觉传感器与被测目标10之间的距离为300mm，测距分辨力要求为0.01mm，则激光束在被测表面上形成的光斑尺寸应不大于分辨力的50倍，即不超过0.5mm。

本发明的电路板3的特殊之处在于：本发明的电路板3同时具有4个方面的功用：（1）对激光器5进行控制，使之输出功率适合的激光束；（2）采样成像器件4的数据，获得数字图像；（3）对数据进行处理，同时获得被测目标10的二维信息与距离信息；（4）将三维测量结果输出到上位机。

本发明的电路板3的特殊之处还在于：本发明的电路板3可以利用多个激光光斑的位置计算出被测目标10的距离。当被测目标10与视觉传感器的距离产生变化时，激光束在被测目标10表面形成的光斑在成像器件4上的成像位置也随之发生变化，由此可以计算出被测目标10与视觉传感器之间的距离。

如图2所示，当被测目标10 与视觉传感器的距离为d时，与之对应的激光光斑在成像器件4上的成像位置为p。根据激光三角测距原理，成像位置p与距离d之间的关系如图3所示。因此，可以通过成像位置p计算被测目标与视觉传感器之间的距离d。

本发明的电路板3的特殊之处还在于：当被测目标10与视觉传感器之间的位移是平移（没有产生倾角）的时候，视觉传感器分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值的算术平均值作为最终的距离测量结果。

如图4所示，假设视觉传感器采用4个激光器5实现测距功能，由此可以得到4个测距结果d ₁、d ₂、d ₃和d ₄。此时，视觉传感器与被测目标10 之间的距离测量结果可以取为4个测距值的算术平均值，即

本发明的电路板3的特殊之处还在于：当被测目标10产生倾斜的时候，视觉传感器同样分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值以及激光器之间的距离来计算被测目标的倾角，从而可以得到二维倾角测量值。

如图5所示，假设被测目标10产生倾角θ时，上下两个激光器产生的光斑计算得到的距离值d ₁和₃发生变化。假设两个激光器的距离为w，则被测目标10 的倾角测量结果可以采用这两个测距值来计算，即

本发明的测量窗9可以采用常规光学玻璃制作，并且双面镀有增透膜。

本发明的有益效果是，与现有的常规视觉传感器相比，本发明的单目视觉绝传感器在获得被测目标二维图像的同时，可以精确地获得视觉传感器与被测目标之间的距离值，从而可以构成单目三维视觉传感器。而且本发明的视觉传感器为单目视觉传感器，集成度高、体积小、成本低，符合绝大多数测量场合需求，方便实际应用。此外，本发明的视觉传感器还可以实现二维倾角的测量，实现一机多用。

Claims (12)

1.一种具有三角测距功能的单目视觉传感器，其特征在于：该视觉传感器由外壳、插座、电路板、成像器件、激光器、聚焦镜组、照明光源、成像镜组、测量窗等。

2.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是：所述的成像镜组布置于成像器件前端，实现对被测场景中目标图像的获取；照明光源布置于成像镜组的周围，用于照亮被测场景及被测目标；激光器安置于成像器件与成像镜组四周，激光器前端布置聚焦镜组，用于产生聚焦准直的激光束；电路板负责控制激光器的开关，读取成像器件的数字图像信号，进行处理并得到最终的三维测量结果，并通过插座输出结果至上位机；所有器件安置于外壳之内，形成一体化视觉传感器；外壳前端设置有透光的测量窗，保证激光束的发出和场景图像的准确成像。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征是：所述的激光器的发光光谱应该根据照明光源的光谱进行选择，并与照明光源的光谱有明显的区别和差异。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征是：如果照明光源的光谱是可见光，则激光器的光谱则应为不可见光（例如红外光或紫外光等），反之亦然。

5.根据权利要求3所述的激光器，其特征是：所述的激光器为多个，其数量一般为4的倍数，例如4个、8个等，而且对称布置于成像镜组与照明光源的四周，每个激光器的光轴与成像镜组的光轴平行，从而可以形成多个平行激光束。

6.根据权利要求1所述的聚焦镜组，其特征是：所述的聚焦镜组需要同时具有聚焦与准直功能，使得经过该聚焦镜组后激光束成为一束细小而准直的激光束，从而保证测距精度。

7.根据权利要求6所述的聚焦镜组，其特征是：具体的聚焦与准直要求，取决于定位精度的高低，一般要求光斑尺寸不超过定位分辨力的50倍。

8.根据权利要求1所述的电路板，其特征是：所述的电路板同时具有4个方面的功用：（1）对激光器进行控制，使之输出功率适合的激光束；（2）采样成像器件的数据，获得数字图像；（3）对数据进行处理，同时获得被测目标的二维信息与距离信息；（4）将三维测量结果输出到上位机。

9.根据权利要求6所述的电路板，其特征还在于：所述的电路板可以利用激光光斑的位置计算出视觉传感器与被测目标的距离。

10.根据权利要求9所述的电路板，其特征还在于：当被测目标与视觉传感器的距离产生变化时，激光束在被测目标表面形成的光斑在成像器件上的成像位置也随之发生变化，由此可以计算出被测目标与视觉传感器之间的距离。

11.根据权利要求1所述的单目视觉传感器，其特征还在于：当被测目标与视觉传感器之间的位移是平移（没有产生倾角）的时候，视觉传感器分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值的算术平均值作为最终的距离测量结果。

12.根据权利要求1所述的单目视觉传感器，其特征还在于：当被测目标产生倾斜的时候，视觉传感器同样分别利用所有激光光斑来单独计算这一点的距离，然后以所有激光光斑计算得到的距离值以及激光器之间的距离来计算被测目标的倾角，从而可以得到二维倾角测量值。