1.1 单目立体视觉检测系统

针对传统立体视觉检测系统存在的问题，近年来很多学者开展了基于单摄像机的单目立体视觉检测系统的研究，取得了大量的研究成果。所谓单目立体视觉检测系统，是指与双摄像机或多摄像机立体视觉检测系统相比，采用一个摄像机和一套图像采集设备，通过摄像机本身的运动、改变摄像机的部分参数或采用光学元器件配合等方式，对空间物体从同一个空间位置或不同空间位置采集图像，对采集得到的单幅或两幅图像进行特征提取、立体匹配，获取空间点的三维坐标，实现三维描述。

按照成像方式的不同，单目立体视觉检测系统可以分为运动式单目立体视觉检测系统、变焦式单目立体视觉检测系统、采用平面镜配合的单目立体视觉检测系统、采用棱镜配合的单目立体视觉检测系统、采用曲面镜配合的单目立体视觉检测系统等。

1.1.1 运动式单目立体视觉

运动式立体视觉检测系统是通过移动摄像机，在不同的位置分别获取物体的两幅图像，从而实现立体视觉的功能。如图1-3所示，对于已经完成参数标定的摄像机来说，当位于位置1时，对三维物体进行拍摄，获得该位置的物体图像。将摄像机沿 x 轴移动，距离为该检测系统的基线长度 B 。到达位置2时，再对三维物体进行拍摄，获得该位置的物体图像。由该立体视觉检测系统不同位置获取的两幅图像可以实现立体视觉的功能。此立体视觉检测系统具有如下特点：

1）采用一台摄像机来实现两台摄像机的功能，降低了检测系统成本；通过改变摄像机的移动距离，可形成不同基线距的立体视觉检测系统，灵活程度较高。

2）由于摄像机在测量过程中需要在两个不同的位置进行固定，因此测量速度有所降低，不适用于在线检测的场合；此外由于摄像机要从一个位置移向另一个位置，因此整个系统的体积并未减小；摄像机由位置1平移到位置2，相当于平行放置的两台摄像机，相对于交叉摆放的双摄像机视觉检测系统来说，有效视场和系统精度均有所减小。

1.1.2 变焦式单目立体视觉

基于变焦的方法是通过改变焦距大小对同一背景拍摄两幅或多幅清晰图像。如图1-4所示，采用一个焦距分别为 f ₁ 和 f ₂ 的变焦距物镜对空间物体分别成像，两个焦距物镜的像方主平面分别为 和 。物距为 Z ，物点距离光轴的距离为 R ， r ₁ 和 r ₂ 是分别是三维物点在双焦图像中对应像素点到图像中心的距离。

由成像几何理论可知，镜头的焦距数值直接影响着物像之间的成像关系，保持三维空间点和成像平面不动，改变镜头的位置或其他的摄像机参数，再调整摄像机的焦距数值，使得三维物点在相同的像平面上成一组清晰但大小不同的像。焦距发生变化时，同一物体对应像的大小也会发生变化，在获取的两幅图像中搜索同一空间点的匹配点对，获取其在不同焦距下的摄像机坐标系坐标，根据图1-4的几何关系，即可计算出空间物点的三维坐标，这就是变焦式立体视觉的基本原理。

该方法测量速度较快，实时性较好，但是需要不断地变化焦距，同时中心区域深度恢复效果较差，像点位移的精度直接影响深度信息的精度。

1.1.3 采用平面镜配合的单目立体视觉

采用平面镜配合的单目立体视觉检测系统是通过平面镜与摄像机的配合，利用平面镜的光学成像原理，实现立体视觉功能的。

国内外许多研究者都是采用光学平面镜成像系统配合单摄像机来开展立体视觉检测系统测量研究的。天津大学的邾继贵等较早地开展了单目立体视觉检测系统的研究和结构设计，后来有学者陆续开展该立体视觉传感器的优化设计。它采用两套对称的平面镜和一台摄像机，通过平面镜的成像原理，得到两个从不同角度获取的物体图像，这就相当于通过平面镜镜像得到的两台虚拟摄像机对物体成像，如图1-5所示。由于该系统采用4块平面镜，使得光学成像系统的结构变得非常复杂。

4块左右对称的光学平面镜M _1L 、M _1R 与M _2L 、M _2R ，把真实摄像机C镜像为两台位置不同、左右对称的虚拟摄像机C _2L 、C _2R 。摄像机正前方的平面镜组M _1L 、M _1R 把摄像机成像面和成像视场分为左、右两个部分，左像面只能接收三维物体在左侧视场中所成的像，右像面只能接收三维物体在右侧视场中所成的像。因此，一个空间三维物体在摄像机像面的左、右两部分别成两个像。由于这两个像是从不同的角度获得的，因此形成了一定的立体视差，根据双目立体视觉测量模型，利用三维空间点在左、右像面上的两个像点坐标即可得到该空间点的三维坐标。

Nishimoto和Shirai提出采用一块玻璃平板和一个摄像机组成双目立体视觉传感器，玻璃板放置在摄像机镜头前，通过玻璃板的折射作用，摄像机可以获得目标物体的图像，旋转玻璃板至一定角度，入射光线的角度发生了变化，相当于摄像机发生了平移而拍摄的图像，如图1-6所示。由于玻璃板旋转角度较小，由此产生的光轴平移位移很小，因此这种方法获取的两幅图像视差较小，容易实现图像中对应点的匹配，但得到的空间点的三维坐标精度较低，同时精确地控制平面镜的旋转角度使控制机构变得复杂。

Teoh和Zhang在上述研究的基础上，借助3块平面镜的配合和一台摄像机组成了立体视觉检测系统，如图1-7所示。两块平面镜分别与摄像机光轴呈45°夹角对称固定于摄像机前端两侧，第三块平面镜放置在摄像机正前方，可以绕其轴线旋转，当该平面镜旋转至与其中任意一个固定的平面镜平行时，通过光线的二次反射，物体就能在摄像机内成像，这就相当于采用两个光轴平行的摄像机拍摄两幅图像。由于不能在同一时刻获取两幅图像，故这种方法只能进行静态测量，无法用于在线实时测量。

伊利诺伊大学芝加哥分校的Goshtasby和Gruver等采用两块平面镜和一台摄像机组成立体视觉检测系统，如图1-8所示。该系统中，在摄像机前方放置两块平面镜，两镜子呈一定夹角且向外凸出，其交线与摄像机光轴垂直相交，平面镜之间采用铰链连接，可绕中间轴旋转，其实物图如图1-9所示。像平面被平面镜分成左、右两个部分。被测物体通过平面镜M ₁ 反射后成像于摄像机像平面的左侧，通过平面镜M ₂ 反射后成像于摄像机像平面的右侧，也就是说该立体视觉检测系统通过一次拍摄即可采集到物体的两个具有视差的像，这就相当于平面镜镜像出的两个虚拟摄像机从不同方向对该三维物体采集图像，只是所得到的摄像机的视场比真实摄像机的视场小。由双目立体视觉测量模型，利用三维空间点在左、右像面上的两个像点坐标即可得到该空间点的三维坐标，因此该系统具有立体视觉测量的功能。

a）成像原理 b）成像分析

由于采用对称的平面镜放置结构，使得测量范围较小，灵活性较差。哥伦比亚大学的Joshua等改进了两块平面镜的配置方式，对两块平面镜的相对位置关系、极线几何理论、参数的标定等进行了分析和讨论，并制作出了相应的立体视觉检测系统，如图1-9所示。杨琤等在此基础上建立了镜像式单摄像机双目立体视觉检测系统的结构模型，提出了一种结构优化设计方法，对模型进行了优化设计和精度分析。北京大学的向华英等采用两块平面镜，通过对物体成多个像的方法实现了内外参数的标定。

采用一块平面镜配合的单目立体视觉检测系统的研究成果较少，郑远杰等人提出了该检测系统的概念，利用单个摄像机和一平面镜的合体实现双目成像系统的立体视觉功能，对实现成像的条件进行了分析，但未对系统的参数进行设计，也没有对系统的精度进行分析。张正友等进行了简单的点、线的三维重建工作，只给出了结果，并未给出从建立模型到三维重建的过程。

1.1.4 采用棱镜配合的单目立体视觉

DooHyun Lee和InSo Kweon最先提出了采用棱镜配合的单目立体视觉检测系统。该系统在单摄像机镜头前加一个菲涅尔双棱镜，由空间一点发出的光线，经过棱镜的两次折射后，投影到摄像机成像平面上，测量原理如图1-10所示。该系统利用光的折射原理获得物体两个不同位置的像，从而实现立体视觉测量的功能。由于棱镜由两块底面相同、顶角很小且相等的薄三棱镜构成，因此这种单目立体视觉测量系统的优点是使得立体视觉测量中最难解决的特征点对匹配变得比较容易，只要调整好测量系统，两幅图中对应的两个像点将位于同一条扫描线上，提高了测量效率。但该方法也存在因棱镜在磨制过程中不均匀的误差带来的畸变问题。

赵越等对棱镜单目立体视觉检测系统的参数进行了优化；崔笑宇等提出一种基于几何光学的棱镜参数化简方法和棱镜位置估计方法，完善了基于棱镜的单摄像机立体视觉检测系统的理论模型，提高了该系统三维重建精度；胡劲松等将该方法应用到昆虫自由飞行参数的测量上；陈大志、王颖等采用一块具有两个反射面的三棱镜和两块平面镜的光学系统形成双虚拟摄像机立体视觉检测系统，实现了蜜蜂翅膀运动参数的测量，但该测量结构过于复杂。

1.1.5 采用曲面镜配合的单目立体视觉

Nene和Nayar提出了采用双曲面镜、椭球面镜和抛物面镜分别与单摄像机配合的3种立体视觉检测系统，如图1-11所示。图中， C 为光心， M 为三维物点， m 、 m ′为成像面上的像点， v 、 v ′为三维物点经过曲面镜后的虚拟位置点。采用非平面镜对物体进行成像的主要目的是扩大摄像机的成像视场，拓宽其成像的范围，它能获取三维场景在水平方向一周、垂直方向半周的图像。反射镜面的形状根据需要选择采用双曲面镜面、抛物面镜面或椭球面镜面等。该系统与其他系统相比可以获得更大范围的视场，成像原理比较简单，而且易于转换为人眼视觉成像。由于采用了曲面反射镜的配合，该系统获取的图像存在较大畸变，镜面光学反射系统也比较复杂，在一些精度要求不高、测量范围大的场合应用较为广泛。

a）双曲面镜 b）椭球面镜 c）抛物面镜

Eduardo L.L. Cabral等提出了一种采用双叶镜和一台摄像机的全方位立体视觉检测系统，如图1-12所示。该系统在摄像机的前方放置了一块由同轴的两块曲面镜组成的双叶镜，该双叶镜的轴线与摄像机的光轴重合，双叶镜的内、外镜面将空间分成两个不同的成像视场，内视场和外视场的公共部分即为该双叶镜的有效视场。空间中有效视场内的某三维点经双叶镜反射后，在一个像面上成两个物体的图像。该系统仅采用一块双叶镜和一台摄像机，因此结构较为简单，且系统安装比较紧凑。该系统的缺点是曲面镜的磨制精度不易控制，紧凑的安装方式使得测量系统的基线距离较小，造成系统的测量精度不高。

中国科学院沈阳自动化研究所的朱枫等及Nayar和V. Peri等各自提出了一种折反射全方位立体视觉检测系统，如图1-13a和b所示。

a）实物图 b）曲面镜反向放置

如图1-13所示，该系统由一台摄像机和两块双曲面反射镜构成。曲面镜可以同向放置，也可以反向放置。图1-13b中两曲面镜为反向放置，当基线距相同时，该视觉系统整体体积较小，结构较为紧凑。该类系统具有对应点对匹配简单、测量系统基线距较长等优点。 zFGnGw7pm051C6Zc16TSIF41fE6pWZSX5u/f3LKvdgHHq2dBlu6Q1VcXOEXVnKs8