CN111337013A - 基于四线阵ccd的多目标点区分及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，由四个位置固定的一维图像获取单元、三个LED点光源组成的靶标和嵌入式系统组成。所述一维图像获取单元由中心轴彼此垂直的柱形光学镜片和线阵CCD器件组成。空间的一个点光源通过接收端的柱形光学镜片投影到每个线阵CCD平面上是一条与CCD感光线列垂直的直线光线，交于CCD上得到投影的位置信息，四组CCD的投影位置确定一个点光源的三维位置。它能在不需要发射端和接收端同步曝光的情况下，区分并测量出三个同时发光的LED点光源，通过嵌入式系统计算出三个点光源在空间相对于接收端传感器的三维坐标位置。本发明系统稳定好，坐标系四轴对称一致性好，成本低。

Description

基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统

技术领域

本发明涉及一种光学测量系统，特别是涉及一种光电多目标识别系统，应用于室内外3D 空间多目标点实时测量仪器设备技术领域，还应用于光电式三维实时定位技术领域，并能应用于在图像导航手术、确定智能体在空间的移动位置技术领域。

背景技术

多目标点光源识别的方法在计算机视觉里面经常使用，使用两个相机在不同的位置拍摄同一个物体，采用对极几何原理即可区分出该物体上的各点，但这种方法的前提是使用二维的面阵CCD或CMOS传感器来实现。线阵CCD在计算机视觉计量中是常见的，与面阵CCD 相比，线阵CCD由于具有高分辨率和出色的帧速率，在精确坐标测量和动态位置跟踪方面具有突出的优势。但是对于基于线阵CCD的三维光学定位测量系统，如果在其视域里面有两个或两个以上的LED点光源同时点亮，基于线阵CCD的光学测量系统将不能区分出每个LED 点光源相对应的投影关系。

当前使用基于三线阵CCD的光学测量系统在测量多个点光源时候，需要逐个控制多个 LED点光源依次点亮，即在基于三线阵CCD的光学测量系统的视域中，每次只点亮一个LED 点光源，使线阵CCD测量系统知道当前投影点对应的LED点光源。然而，这需要线阵CCD测量系统的同步曝光控制，必将增加系统的复杂性和能量消耗。现有基于线阵CCD的三维光学定位测量系统在多个LED点光源同时点亮情况下仍然缺少可行的区分和测量方法，导致系统不能正常工作。因此有必要开展相关技术研究，使线阵CCD光学测量系统在多个LED点光源同时点亮的情况下仍然能够正常工作。现有基于线阵CCD的三维光学定位测量系统在测量多个同时点亮的LED点光源存在的缺陷成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，在不需要发射端靶标的点光源和接收端传感器同步曝光的情况下，仅使用三个点光源在四个线阵CCD上满足的投影关系，即可区分出三个同时点亮的LED点光源，并同时测量出三个点光源的三维坐标，可用于图像导航手术、确定智能体在空间的移动位置、室内位置和姿态的测量等领域。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，包括发射端靶标、接收端传感器和嵌入式系统；由接收端传感器作为线性光电传感器接收端，来接收发射端靶标中的点光源信号；发射端靶标由三个点光源组成，每一个点光源由LED发光点组成，LED发光点采用红外发光发送光信号，发射端靶标能设置于任何活动或静止物体上，发射端靶标的三个点光源之间的连线形成三个边长不相等的三边形；接收端传感器由四组光电传感器和嵌入式系统组成，四组光电传感器含有四个线阵CCD组件、四个定焦距的柱形光学镜片和传感器底座，每一组线阵CCD组件和柱形光学镜片分别构成一维成像单元，其中每个线阵CCD组件都对应一个柱形光学镜片，空间的任意一个点光源通过各柱形光学镜片投影到每个线性CCD组件的平面上，形成与线阵CCD组件的线列垂直的四条直线光线，设置线阵CCD1组件、线阵CCD2 组件、线阵CCD3组件、线阵CCD4组件组成接收端传感器的线阵CCD组件系统，其中线阵CCD1组件、线阵CCD2组件、线阵CCD3组件、线阵CCD4组件的感光面与四条直线光线的相交点分别定义为λ₁,λ₂,λ₃,λ₄，由接收端传感器的结构，四个相交点之间满足关系：λ₁+ λ₄＝λ₂+λ₃；发射端靶标的三个LED点光源A₁，A₂，A₃同时点亮，根据每个LED分别投影到四个线阵CCD组件满足的关系λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃，分别确定出这三个LED点光源分别对应的投影点λ₁,λ₂,λ₃,λ₄；由此可求出三组不同的四个投影点，根据每一组投影点分别重构确定出每一个点光源在接收端传感器的坐标系下的坐标；计算出三个LED点光源之间的距离，将计算出的距离值与已知的点光源A₁、A₂、A₃之间的距离A₁A₂、A₁A₃、A₁A₂相对比，区分出三个LED点光源的匹配对照关系；嵌入式系统实时计算出发射端靶标中的每一个点光源相对于接收端传感器的三维空间坐标位置数据，并进行数据存储，完成多目标点区分及定位任务。

作为本发明优选的技术方案，三个点光源A₁、A₂、A₃同时点亮时，并且满足A₁A₂、A₁A₃、 A₂A₃都不相等的结构关系。

作为本发明优选的技术方案，任意一个点光源在四个线阵CCD上的四个投影点λ₁,λ₂,λ₃, λ₄满足关系λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃，根据此关系式可以区分出该LED点光源对应的四个投影点，从而重构出该LED点光源在接收端传感器的坐标系下的坐标值，区分出三个LED点光源分别对应的投影点。

作为本发明优选的技术方案，三个点光源A₁、A₂、A₃同时点亮时，并且满足A₁A₂、A₁A₃、 A₂A₃都不相等的结构关系；然后将得出的三个LED点光源的坐标值与A₁A₂，A₁A₃，A₂A₃的结构关系进行比较，区分出三个LED点光源的匹配对照关系。

优选四个线阵CCD组件的感光线列所在直线的相交点为接收端传感器的坐标系的原点。

作为本发明优选的技术方案，四个线阵CCD组件在同一平面分布，平面布局呈“十”字形；当令四个线阵CCD的感光线列所在直线的相交点为接收端传感器的坐标系的原点时，线阵CCD1组件在接收端传感器的坐标系的X轴正半轴，线阵CCD2组件在接收端传感器的坐标系的Y轴正半轴，线阵CCD3组件在接收端传感器的坐标系的X轴负半轴，线阵CCD4组件在接收端传感器的坐标系的Y轴负半轴。

优选四个线阵CCD组件的最内侧端到接收端传感器的坐标系的原点的距离都相等。

优选与四个线阵CCD组件配套的四个柱形光学镜片的焦距全部相等。

优选四个线阵CCD组件感光线列的长度皆相等。

优选发射端靶标的点光源和接收端传感器之间不需要同步曝光。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明系统采用光电多目标识别系统，进行光电式三维实时定位；在不需要发射端靶标和接收端传感器同步的情况下，使用四个一维图像获取单元组合来识别同时发光的多个点光源靶标，实现基于四线阵CCD器件的多目标点区分及定位；

2.本发明系统测量精度高，测量数据效率高，延迟低；

3.本发明系统通过嵌入式系统计算出三个点光源在空间相对于接收端传感器的三维坐标位置，本发明系统工作稳定性好，坐标系四轴对称一致性好，装置制造和测量成本低。

附图说明

图1为本发明优选实施例石英荧光光纤的局部放电传感探测系统结构示意图。

图2为本发明优选实施例的多目标点区分及定位示意图一。

图3为本发明优选实施例的多目标点区分及定位示意图二。

图4为本发明优选实施例的多目标点区分及定位系统工作流程图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1-图4，一种基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，包括发射端靶标1、接收端传感器2和嵌入式系统3；由接收端传感器2作为线性光电传感器接收端，来接收发射端靶标1中的点光源信号；发射端靶标1由三个点光源组成，每一个点光源由LED发光点4组成，LED发光点采用红外发光发送光信号，发射端靶标1能设置于任何活动或静止物体上，发射端靶标1的三个点光源之间的连线形成三个边长不相等的三边形；接收端传感器2由四组光电传感器和嵌入式系统3组成，四组光电传感器含有四个线阵CCD组件、四个定焦距的柱形光学镜片6和传感器底座，每一组线阵CCD组件和柱形光学镜片6 分别构成一维成像单元，其中每个线阵CCD组件都对应一个柱形光学镜片6，空间的任意一个点光源通过各柱形光学镜片6投影到每个线性CCD组件的平面上，形成与线阵CCD组件的线列垂直的四条直线光线，设置线阵CCD1组件7、线阵CCD2组件8、线阵CCD3组件9、线阵CCD4组件10组成接收端传感器2的线阵CCD组件系统，其中线阵CCD1组件7、线阵CCD2组件8、线阵CCD3组件9、线阵CCD4组件10的感光面与四条直线光线的相交点分别定义为λ₁,λ₂,λ₃,λ₄，由接收端传感器2的结构，四个相交点之间满足关系：λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃；发射端靶标1的三个LED点光源A₁，A₂，A₃同时点亮，根据每个LED分别投影到四个线阵 CCD组件满足的关系λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃，分别确定出这三个LED点光源分别对应的投影点λ₁,λ₂, λ₃,λ₄；由此可求出三组不同的四个投影点，根据每一组投影点分别重构确定出每一个点光源在接收端传感器2的坐标系下的坐标；计算出三个LED点光源之间的距离，将计算出的距离值与已知的点光源A₁、A₂、A₃之间距离A₁A₂、A₁A₃、A₁A₂相对比，区分出三个LED点光源的匹配对照关系；嵌入式系统3实时计算出发射端靶标1中的每一个点光源相对于接收端传感器2的三维空间坐标位置数据，并进行数据存储，完成多目标点区分及定位任务。

在本实施例中，柱形光学镜片6用于实现从三维空间到一维成像的投影映射。根据光学的基本原理，来自柱形光学镜片6一侧物点的光线将在另一侧形成线性图像，线阵CCD和柱形光学镜片构成一维成像单元(One Dimensional Imaging Unit,ODIU)，如图1所示。

在本实施例中，设定四个线阵CCD在同一平面分布，平面布局呈“十”字形，当令四个线阵CCD的感光线列所在直线的相交点为接收端传感器2的坐标系的原点时，线阵CCD1组件 7在接收端传感器2的坐标系的X轴正半轴，线阵CCD2组件8在接收端传感器2的坐标系的Y轴正半轴，线阵CCD3组件9在接收端传感器2的坐标系的X轴负半轴，线阵CCD4 组件10在接收端传感器2的坐标系的Y轴负半轴，四个线阵CCD的最内侧到原点的距离都等于60mm，柱形光学镜片6的焦距为50mm，线阵CCD感光线列的长度为30mm，如图2 所示。

在本实施例中，当发射端靶标1中的一个LED点光源发光，该点光源通过接收端传感器 2的四个柱形光学镜片6，并分别在线阵CCD1组件7、线阵CCD2组件8、线阵CCD3组件 9、线阵CCD4组件10的四个感光线列上形成四个相交投影点λ₁,λ₂,λ₃,λ₄，如图2所示。根据接收端传感器6设计的结构，列出四个平面相交于一点对应的四个平面方程，如下所示：

50*x+0*y-(75-λ₁)*z＝50*λ₁ (1)

0*x+50*y-(75-λ₂)*z＝50*λ₂ (2)

50*x+0*y+(75+λ₃)*z＝50*λ₃ (3)

0*x+50*y+(75+λ₄)*z＝50*λ₄ (4)

列出这四个方程的系数矩阵和增广矩阵。

对该矩阵进行初等行变换，得到下列结果：

根据线性代数的知识可知，四个平面方程相交于一点且有唯一解的充要条件是Rank(A)＝ Rank(B)＝3，因此可求出一个点光源的四个投影点λ₁,λ₂,λ₃,λ₄之间满足：λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃。

当发射端靶标1的三个LED点光源同时发光，不需要逐个循环点亮，并且保持常亮状态，如图3所示。发射端靶标1中的三个LED点光源A₁，A₂，A₃各自通过接收端传感器2的四个柱形光学镜片6，并在四个线阵CCD的感光面上形成四个相交点定义为λ_{1_A1},λ_{2_A1},λ_{3_A1},λ_{4_A1}；λ_{1_A2},λ_{2_A2},λ_{3_A2},λ_{4_A2}；λ_{1_A3},λ_{2_A3},λ_{3_A3},λ_{4_A3}。线阵CCD1组件7上的所有投影点为λ_ccd1＝{λ_{1_A1},λ_{1_A2},λ_{1_A3}}，线阵CCD2组件8上的所有投影点为λ_ccd2＝{λ_{2_A1},λ_{2_A2},λ_{2_A3}}，线阵 CCD3组件9上的所有投影点为λ_ccd3＝{λ_{3_A1},λ_{3_A2},λ_{3_A3}}，线阵CCD4组件10上的所有投影点为λ_ccd4＝{λ_{4_A1},λ_{4_A2},λ_{4_A3}}。

将线阵CCD1组件7上的每一个投影点与线阵CCD4组件10上的每一个投影点相加，求出所有的(λ_ccd1+λ_ccd4)；将线阵CCD2组件8上的每一个投影点与线阵CCD3组件9上的每一个投影点相加，求出所有的(λ_ccd2+λ_ccd3)。

求出|(λ_ccd1+λ_ccd4)-(λ_ccd2+λ_ccd3)|所有可能的计算结果，从这些计算结果中选出前三个最小值：即Min{|(λ_ccd1+λ_ccd4)-(λ_ccd2+λ_ccd3)|}，根据前三个最小值分别对应的四个投影点重构出三个marker的坐标并设定为C₁,C₂,C₃。对比C₁C₂,C₁C₃,C₂C₃的距离与已知的A₁A₂,A₁A₃,A₂A₃的距离，求出估测点C₁,C₂,C₃与实际点A₁,A₂,A₃之间的对照关系，从而成功在接收端区分三个发光标志点A₁,A₂,A₃。系统流程图如图4所示。本实施例计算出三个LED点光源之间的距离，将计算出的距离值与已知的点光源A₁、A₂、A₃之间的距离A₁A₂、A₁A₃、A₁A₂相对比，区分出三个LED点光源的匹配对照关系；嵌入式系统3实时计算出发射端靶标1中的每一个点光源相对于接收端传感器2的三维空间坐标位置数据，并进行数据存储，完成多目标点区分及定位任务。

本实施例基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统由四个位置固定的一维图像获取单元、三个LED点光源组成的靶标和嵌入式系统组成。所述一维图像获取单元由中心轴彼此垂直的柱形光学镜片6和线阵CCD器件组成。空间的一个点光源通过接收端的柱形光学镜片投影到每个线阵CCD平面上是一条与CCD感光线列垂直的直线光线，交于CCD上得到投影的位置信息，四组CCD的投影位置确定一个点光源的三维位置。它能在不需要发射端和接收端同步曝光的情况下，区分并测量出三个同时发光的LED点光源，通过嵌入式系统计算出三个点光源在空间相对于接收端传感器的三维坐标位置。本发明系统稳定好，坐标系四轴对称一致性好，成本低。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：包括发射端靶标(1)、接收端传感器(2)和嵌入式系统(3)；由所述接收端传感器(2)作为线性光电传感器接收端，来接收所述发射端靶标(1)中的点光源信号；所述发射端靶标(1)由三个点光源组成，每一个点光源由LED发光点(4)组成，所述LED发光点采用红外发光发送光信号，所述发射端靶标(1)能设置于任何活动或静止物体上，所述发射端靶标(1)的三个点光源之间的连线形成三个边长不相等的三边形；

所述接收端传感器(2)由四组光电传感器和嵌入式系统(3)组成，四组光电传感器含有四个线阵CCD组件、四个定焦距的柱形光学镜片(6)和传感器底座，每一组线阵CCD组件和柱形光学镜片(6)分别构成一维成像单元，其中每个所述线阵CCD组件都对应一个柱形光学镜片(6)，空间的任意一个点光源通过各所述柱形光学镜片(6)投影到每个所述线性CCD组件的平面上，形成与所述线阵CCD组件的线列垂直的四条直线光线，设置线阵CCD1组件(7)、线阵CCD2组件(8)、线阵CCD3组件(9)、线阵CCD4组件(10)组成所述接收端传感器(2)的线阵CCD组件系统，其中线阵CCD1组件(7)、线阵CCD2组件(8)、线阵CCD3组件(9)、线阵CCD4组件(10)的感光面与四条直线光线的相交点分别定义为λ₁,λ₂,λ₃,λ₄，由所述接收端传感器(2)的结构，四个相交点之间满足关系：λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃；

所述发射端靶标(1)的三个LED点光源A₁，A₂，A₃同时点亮，根据每个LED分别投影到四个线阵CCD组件满足的关系λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃，分别确定出这三个LED点光源分别对应的投影点λ₁,λ₂,λ₃,λ₄；由此可求出三组不同的四个投影点，根据所述每一组投影点分别重构确定出所述每一个点光源在接收端传感器(2)的坐标系下的坐标；计算出所述三个LED点光源之间的距离，将计算出的距离值与已知的点光源A₁、A₂、A₃之间的距离A₁A₂、A₁A₃、A₁A₂相对比，区分出所述三个LED点光源的匹配对照关系；所述嵌入式系统(3)实时计算出所述发射端靶标(1)中的每一个点光源相对于所述接收端传感器(2)的三维空间坐标位置数据，并进行数据存储，完成多目标点区分及定位任务。

2.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：所述三个点光源A₁、A₂、A₃同时点亮时，并且满足A₁A₂、A₁A₃、A₂A₃都不相等的结构关系。

3.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：任意一个点光源在四个线阵CCD上的四个投影点λ₁,λ₂,λ₃,λ₄满足关系λ₁+λ₄＝λ₂+λ₃，根据此关系式可以区分出该LED点光源对应的四个投影点，从而重构出该LED点光源在接收端传感器(2)的坐标系下的坐标值，区分出三个LED点光源分别对应的投影点。

4.根据权利要求3所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：所述三个点光源A₁、A₂、A₃同时点亮时，并且满足A₁A₂、A₁A₃、A₂A₃都不相等的结构关系；然后将得出的三个LED点光源的坐标值与A₁A₂，A₁A₃，A₂A₃的结构关系进行比较，区分出三个LED点光源的匹配对照关系。

5.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：所述四个线阵CCD组件的感光线列所在直线的相交点为接收端传感器(2)的坐标系的原点。

6.根据权利要求5所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：所述四个线阵CCD组件在同一平面分布，平面布局呈“十”字形；当令四个线阵CCD的感光线列所在直线的相交点为接收端传感器(2)的坐标系的原点时，线阵CCD1组件(7)在接收端传感器(2)的坐标系的X轴正半轴，线阵CCD2组件(8)在接收端传感器(2)的坐标系的Y轴正半轴，线阵CCD3组件(9)在接收端传感器(2)的坐标系的X轴负半轴，线阵CCD4组件(10)在接收端传感器(2)的坐标系的Y轴负半轴。

7.根据权利要求5所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：四个线阵CCD组件的最内侧端到接收端传感器(2)的坐标系的原点的距离都相等。

8.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：与所述四个线阵CCD组件配套的四个柱形光学镜片(6)的焦距全部相等。

9.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：四个线阵CCD组件感光线列的长度皆相等。

10.根据权利要求1所述基于四线阵CCD的多目标点区分及定位系统，其特征在于：所述发射端靶标(1)的点光源和接收端传感器(2)之间不需要同步曝光。

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