使用FLIR机器视觉相机构建自己的立体视觉

使用FLIR机器视觉相机构建自己的立体视觉

适用产品

所有FLIR机器视觉相机

应用说明

本技术应用说明的目的是提供一个示例，说明如何使用两台FLIR机器视觉切刀大小的外壳相机，通过PC使用OpenCV算法和Spinnaker API执行处理，构建自己的立体视觉系统。

概述

立体视觉是一种成像技术，可以在非结构化和动态环境中提供全视场3D测量。数码相机图像中的每个像素都收集沿着3D射线到达相机的光。如果世界上的一个特征可以被识别为图像中的像素位置，我们就知道这个特征位于与该像素相关的3D射线上。如果我们使用多个相机，我们可以获得多条光线。这些射线的交点是特征的三维位置。

在这个例子中，两个摄像机固定在适当的位置，并拍摄已知校准目标的图像。从这些图像中，透镜失真被去除并且图像被校正。对于密集立体算法，通常必须将相机的图像重新映射到适合针孔相机模型的图像。这个重新映射的图像被称为校正图像。然后，算法在图像中找到像素或特征的匹配以确定视差。

视差是指从左校正图像中找到的特征或像素块到右的像素距离。较大的视差意味着特征或对象更靠近相机（成像平面），而较小的视差则意味着对象离相机更远。立体视觉使用视差来计算与物体的距离。

PC配置

• Windows 7 64x

• 华硕Z97-PRO主板

• 英特尔酷睿i7-4790 CPU@3.60Hz

• 8 GB内存

硬件设置

在本应用说明中，两台摄像机安装在THOLABS支架、燕尾导轨和SLIK三脚架上，以确保它们水平。摄像机需要相对彼此牢固地固定到位。微小的变化，尤其是在垂直轴上的变化，会使算法用于查找匹配项的扫描线错位。这种错位可能会导致视差图较差。

摄像头：

2 x BFS-U3-50S5C-C（固件版本1803.0.167.0）

镜头：

富士农DF6HA-1B 6毫米透镜

安装设备：

• THORLABS

*AB90和AB90A/M安装在ACC-01-0011三脚架适配器上

*所用安装夹具的组合：

XT34C2–3 x

XT34D2-30–3 x

*XT34DP-500导轨（切割至200 mm）

*使用ACC-01-0003适配器将摄像头安装在XT34D2-30上

• SLIK 450G三脚架

• 使用的基线：7.88厘米（摄像机传感器中心之间的距离）

软件要求

Visual Studio 2015

Spinnaker SDK 1.21.0.61或更高版本

OpenCV 3.4（3.4.3 minimum）

1.下载Win pack，然后将OpenCV安装到“C:\OpenCV\build\x64\vc15”中

2.环境变量

• 添加/设置“OPENCV_DIR”为“C:\OPENCV\build\x64\vc15”

• 将“%OPENCV_DIR%\bin”添加到路径

3.在Visual Studio中配置OpenCV

• 按照OpenCV入门中“在Visual Studio中配置OpenCV”部分中的步骤进行操作

校准模式

在本技术应用说明中，打印出了用于立体校准的棋盘图案。OpenCV将每个角的位置插值到子像素级别。然后，它使用这些位置来计算相机相对于彼此的内在失真、外在旋转和平移的矩阵。理想情况下，这种模式应该保持不变。要最大化校准的视场覆盖范围，请将图案移近或使用更大的图案。

所用方格图案的正方形尺寸：3.0厘米x 3.0厘米。

镜头调整

为了使立体视觉发挥作用，图像需要有足够的细节来在校正后的图像中找到相应的像素。在应用程序所需的大部分距离范围内，镜头都应处于对焦状态。关闭光圈可以增加景深，从而使距离范围更大，但这将减少到达传感器的光量。

为了在校准时获得更好效果，请在SpinView中将“自动曝光”设置为“关闭”，然后进行更改，使棋盘图案清晰，白色方块不会过度曝光。C++控制台应用程序生成校准文件后，可以在SpinView中将增益和曝光设置为自动。

在配置首选曝光设置后，拧紧镜头上的调节旋钮以保持焦点和光圈固定。

如何显示实时视差图

1.下载opencv_steo_vision.zip。

opencv_steo_vision文件夹应与其他Spinnaker示例放在相同的文件夹位置。这是Spinnaker SDK的src文件夹（源文件夹的默认位置是C:\Program Files\Point Grey Research\Spinnaker\src）。

2.确保您能够成功构建Stereo_Acquisition_vs2015.sln文件，该文件位于opencv_steo_vision \示例代码\src\Sstereo_Acquisition下。

3.运行opencv_steo_vision.zip文件中提供的Stereo_Acquisition_v140.exe。

4.成功构建Stereo_Acquisition_vs2015.sln后，打开命令提示符并导航到opencv_steo_vision \示例代码\bin64\vs2015文件夹。

5.输入命令：Stereo_Acquisition_v140.exe–帮助查看有关如何运行此程序的说明。

校准收集图像模式

此模式用于捕获校准相机所需的图像。在该程序中，每个相机都是软件触发的，以在用户输入时捕获6个图像（总共12个图像）。这些图像稍后用于校准。您可以使用以下命令设置图像的存储路径：

为了使OpenCV算法在这些图像中找到像素或特征的匹配，在ROI（感兴趣区域）内的不同位置捕获目标的图像是很重要的。

注：这些是在运行calibrate_gather_images时直接从两台相机中的一台相机拍摄的6张未剪切、未处理的图像的示例，将由calibrate_calculate中的opencv算法使用。

校准计算模式

该模式是对先前捕获的图像执行计算并生成校准数据。当执行“calibrate_calculate”模式时，会生成三个.yml（校准）文件——2个内部文件和1个外部文件。这些校准文件的路径必须与保存校准图像的位置相同。外部文件（约3 KB）包含两台相机在OpenCV中使用立体视觉所需的矩阵和物理参数。

实时视差模式

此模式用于实时创建和显示视差图。

调用DepthMapping.cpp中的DepthMapping（）函数（位于C:\Program Files\Point Grey Research\Spinnaker\src\opencv_steo_vision\Example Code\src\stereo_Acquisition中），加载从calibrate_calculation创建的外部文件，并显示视差图，如下所示：

用于校准的物理特性

除了为了根据视差计算深度而捕获的图像之外，还需要一些物理特性。Stereo_Acquisition_vs2015.sln中使用的数据集为：

图案尺寸（方格大小）：3厘米

花纹宽度（棋盘纵向内侧方形边数）：8

图案高度（棋盘内方形边的高度数）：6

基线（摄像头传感器中心之间的距离）：7.88厘米

传感器宽度和高度。这些可以使用传感器分辨率和像素大小来找到。例如，BFS-U3-50S5C-C的分辨率为2448 x 2048，像素大小为3.45 um。传感器宽度=0.00000345*2448=0.0084456 m=0.84456 cm

设置自己的立体视觉系统时，需要根据相机设置更改这些属性的值。例如，本例中使用的基线为7.88 cm。但是，如果您的应用程序需要不同的基线，您可以在执行Stereo_Acquisition_v140.exe mode=calibrate_calculate时更改此值，如上所示。

注：示例使用厘米表示所有物理长度。

显示视差图像

DepthMapping.cpp文件中的OpenCV StereoBM和StereoSGBM算法用于提供16位的视差。最后4位是分数位，因此视差精确到1/16像素。要获得实际的浮点值，您需要将输出（short int）分为小数部分和整数部分，转换为浮点值，最后将它们相加。

分辨率性能

高分辨率不能很好地与立体块匹配算法配合使用，因为它们显著增加了处理时间，并且使得实时视差计算不切实际。高分辨率还需要更精确的校准。在1000 x 700的情况下，减少¼个像素并不太重要。然而，在2400 x 2000的情况下，校准的不准确度会产生更大的差异，因为它几乎偏离了一个像素。

理论上，更高的分辨率可以提供更高精度的视差图，但在实践中很难实现。Binning可用于获得较小的分辨率，而无需修改传感器尺寸计算。

校准顺序

使用Stereo_Acquisition_vs2015.sln完成的校准序列：

1. 首先进行内部校准，这涉及到每个相机的单独校准。它也被称为相机矩阵。固有参数是相机特有的，它们包括焦距和光学中心等信息。

使用Calib3d.cpp中的findCheckerboardCorners（）和cornerSubPix（）进行内部校准。

2. 然后进行stereoCalibration（），它使用内部校准并提供相对的外部信息。  

优化

默认情况下，校准设置在Acquisition_vs2015.sln（C:\Program Files\Point Grey Research\Spinnaker\src\opencv_steo_vision\Example Code\src\stereo_Acquisition）中进行硬编码，以在1000 x 800左右的分辨率下工作良好。立体掩模的大小和视差图中的视差是最大的因素。使用滑块在“real_time_disparity”模式下执行Stereo_Acquisition_v140.exe时，可以更改这些设置。

改变立体掩模大小会改变图像之间匹配的像素块的大小，视差值的范围就是视差。距离较近的物体需要大范围的差异。

结果

2个BFS-U3-50S5C

2 x 6毫米镜头（富士农DF6HA-1B）

基线7.88 cm

方格图案的正方形尺寸为3.0厘米

计算的传感器宽度和高度：0.84456厘米x 0.70656厘米

这种设置可以检测1.2米外精确到2毫米左右的变化。

注意：示例中提供的默认值假设您使用的是此处记录的确切设置。