双目视觉中的光学原理.doc

机器双目视觉中的光学原理

人类的视觉不仅可以分辨出颜色、外形等特征，也可以分辨深度特征，原因在于人有双目，通过双目所看到不同图像的差别，人就可以分辨出物体的深度信息（位于身体的前后）。
单纯一张图片并没有深度信息，读者可以试着将左右食指放置于面前不同距离处（此距离不宜过大否则人可以通过常识判断出小的在远方），然后用一只眼睛观察两个指头的前后关系，一般会很难判断出前后关系，可是睁开双目再次观察，前后关系就一目了然。
本例说明人眼判断深度信息是依靠两只眼睛所获取的图像区别，只有这种差别产生，才能准确分辨前后信息。实际上3d电影就是通过光学偏振原理为左右眼提供不同的图像信息来产生三维效果的。
双目光学原理有很广泛的应用，在很多自动控制领域可以帮助机器定位，在如机器零件的自动检测、智能机器人控制、生产线的自动监控等;在国防和航天等领域，双目视觉也具有较重要的意义，如运动目标的自动跟踪与识别、自主车导航及空间机器人的视觉控制等。本文就双目视觉的极轴光学原理进行简单的讨论。
立体视觉系统由左右两部摄像机组成。如图所示，图中分别以下标l和r标注左、右摄像机的相应参数。世界空间中一点A(X，Y，Z)在左右摄像机的成像面Cl和Cr上的像点分别为al(ul，vl)和ar(ur，vr)。这两个像点是世界空间中同一个对象点A的像，称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点，分别作它们与各自相机的光心Ol和Or的连线，即投影线alOl和arOr，它们的交点即为世界空间中的对象点A(X，Y，Z)。这就是立体视觉的基本原理。

在平行光轴的立体视觉系统中，左右两台摄像机的焦距及其它内部参数均相等，光轴与摄像机的成像平面垂直，两台摄像机的x轴重合，y轴相互平行，因此将左摄像机沿着其x轴方向平移一段距离b（称为基线baseline）后与右摄像机重合。
由空间点A及左右两摄像机的光心Ol、Or确定的极平面（Epipolar plane）分别与左右成像平面Cl、Cr的交线pl、pr为共轭极线对，它们分别与各自成像平面的坐标轴ul、ur平行且共线。在这种理想的结构形式中，左右摄像机配置的几何关系最为简单，极线已具有很好的性质，为寻找对象点A在左右成像平面上的投影点al和ar之间的匹配关系提供了非常便利的条件。

首先介绍几个名词：
1.　极线约束
C‘和C“之间的连线
称光心线，光心线
与左右象平面的交
点E’和E”分别称为
左右象平面的极点
光心线与物点W在同一个平面中，这个平面称为极平面，极平面与左右象平面的交线L'和L"分别称为物点W在左右象平面上投影点的极线。