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。

图1-5 四平面镜单目立体视觉检测系统

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。

图1-6 玻璃板单目立体视觉检测系统

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M₁反射后成像于摄像机像平面的左侧，通过平面镜M₂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。

图1-7 三平面镜单目立体视觉检测系统

图1-8 双平面镜单目立体视觉检测系统

a）成像原理 b）成像分析

图1-9 双平面镜单目立体视觉实物

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。