基于圖像處理的激光測距研究與實現

涂 樸(四川文理學院達州智能制造產業技術研究院 ，四川達州635000)

基于圖像處理的激光測距研究與實現

涂 樸
(四川文理學院達州智能制造產業技術研究院 ，四川達州635000)

利用激光光源和CCD相機設計出一套測距系統.采用激光筆和攝像頭作為測量設備，利用開源圖像處理庫OpenCV對攝像頭照片進行相關圖像處理，找到激光點在攝像頭成像照片中的位置；然后利用該位置坐標信息，建立測距模型，通過幾組已知的測量參數校正測距公式的參數，建立激光點成像位置信息和物體與測距系統距離之間的函數關系，從而實現測距.

測距；激光測距；圖像處理

0 緒論

警務辦案人員進行案發現場勘驗時，需要繪制現場勘驗圖，目前都是采用手動的形式進行.如果這項工作能夠自動進行，將會為辦案人員帶來極大的便利.隨著計算機技術的迅猛發展，以及數字圖像處理技術日益成熟，該項技術將變得可能.生成現場勘驗圖，就是對房間二維平面內物體坐標的定位.這里主要涉及到兩個難點：房間物體的自動識別，以及房間物體坐標的定位.可以通過數字圖像處理技術進行物體的識別.本文主要討論物體定標相關的物體距離問題.為了方便討論，假設房間平面圖為矩形，如圖1(a),假設測量點O到墻角A，B，C，D的距離已知，即L1，L2，L3，L4已知，且θ1，θ2，θ3，θ4已知，我們便可以求解出該多邊形的邊長.同理，假設房間內目標物體M，到觀測點O的距離OM已知，OB旋轉到OM的夾角已知的話，M點在二維平面內的坐標便可以求解得到.[1]當我們在實際測量的時候，攝像頭不可能落在在房間平面上，其示意圖如圖1(b)所示 O點為攝像頭所在的位置，A，B，C，D為房間的四個角，M點為房間待測內物體所在的位置，還是同上面的假設一樣，在三角形MBO中，L1和L2為

圖1 房間距離測量模型示意圖

已知，L1，L2之間的夾角θ已知，則可以算出MB的長度，同理在三角形AMO中，可以求得AM的長度，在平面ABCD內，三角形AMB，AM，BM已知，同理我們假設角AMB為已知，則可以求得M點的坐標.[2]通過上面的分析我們知道，要進行物體定標，我們需要測得距離和角度，測量角度可以借助陀螺儀工具，本文設計了一種距離測量方法.

1 基于攝像頭的激光測距原理

本文提出一種距離測量的方法：基于攝像頭的激光測距.圖2所示，為激光測距原理.

圖2 激光測距原理示意圖

激光束被認為是理想的平行于攝像頭的中心光軸.一束激光被投射到目標物上，并在攝像頭上被顯示，那么這個點的位置在圖幀中的位置是確定的.然后我們只需要計算這個點在沿著y軸的距離，就能計算出目標物離攝像頭的距離，激光點距離中心越近，離目標物越遠.假設，激光點在CCD上的成像到CCD成像中心的距離為假如我們的激光筆安裝在攝像頭的正上方的中心位置處，即不論距離多遠，激光在CCD上面的成像，只是在Y軸方向發生偏移，而在X軸方向坐標位置是固定的，同理，若裝在攝像頭的左邊或者右邊，激光點在攝像頭上的成像只是在X軸方發生偏移，而在Y軸方向是不變的，以下公式便可以求得攝像頭到目標物體的距離，如公式1、2所示.

θ=p*k+r

(2)

其中k為單個像素點代表的弧度，p為激光成像點到成像中心之間像素點的個數，r為安裝角度補償，h激光中心到攝像頭中心的距離.(如果垂直安裝，即為垂直距離，如果水平安裝，即為水平距離)代入上式即可求出距離D的表達式，如式(2)所示.

(3)

2 關鍵問題研究

從上面的討論中，可以發現：當安裝高度固定時，求出激光點在CCD上的成像到CCD成像中心的像素點的個數，便可以求得激光點到目標物體的距離，實驗中對數據進行處理時，是不能夠對CCD上面的成像進行直接處理，而是通過處理相機的照片，由于CCD上面的成像和照片是等比例放大的，經過多次試驗已經論證，對照片進行處理的模型依然遵循上述的規律.

準確的找到激光點在相片中的成像位置是進行激光測距的關鍵.利用激光點的成像，以及激光源安裝位置這兩個特點，可以對激光點成像位置進行定位.不難發現，激光點在照片中的成像比較接近白色.因此，首先通過設置合適的閥值，對成像圖片進行圖像二值化，將圖片變成黑白顏色.然后通過平滑處理過濾小噪聲的干擾，高斯采樣，膨脹處理，消除目標不連續產生的空洞；查找輪廓，定位到激光點的像在照片中的位置，然后根據前面討論的X軸坐標不變性(垂直安裝時)，進行進一步的過濾.[3-6]圖3分別為程序對圖形進行相關處理的系列過程.

圖3 圖像處理效果截圖

3 實驗數據分析

實驗中，采用的是用激光筆和攝像頭組合成的一個簡單的測距系統，本文攝像頭分辨率為1920*1080.在實驗過程中，需要根據已知的一組點，來對參數k和r0進行標定，來提高測量精度.如表1所示，將擋板依次放在實測距離40cm-740cm處，通過程序獲取激光筆在擋板上成像點距離中心點的像素點個數，從而求得擬合的參數k和r0.

表1 實測像素點個數和實際距離的關系表

根據上表，已知激光筆的安裝位置到攝像頭的距離為7.6cm，兩組數據帶入到公式求出系數k和r0，通過距離公式，便可以進行距離測量.

圖4 數據擬合曲線

圖4為根據已知數據對進行的數據擬合曲線.通過擬合曲線可以看出，擬合曲線效果非常好，因此，所求的的擬合系數滿足之前的討論，可以運行到實際測距系統中.

4 總結

通過試驗發現，此種安裝方法，該儀器的有效測量范圍為20cm-500cm，該范圍內的測量誤差為5cm，此處實驗采用的攝像頭分辨率為1920*1080，為了提高精度，可以選用更高分辨率的攝像頭.或者將激光筆安裝在攝像頭的左側或者右側，由于試驗器材制作上的原因，此處我們將激光筆安裝在攝像頭的正上方，此處可以；另外增大激光筆和攝像頭之間的距離，可以測得更遠，但是會犧牲近距離的測量精度和最小測量范圍；由于很多場合距離的測量遠遠超過500cm范圍，此處提出一種方案：安裝激光筆時，讓激光筆打出的光線和攝像頭的光軸之間保持一定的夾角，然后通過測得的數據，進行數據擬合，該種方式不但可以增加測量的范圍，還能夠提高測量精度.

[1] 郭 磊,徐友春,李克強.基于單目視覺的實時測距方法研究[J].中國圖象圖形學報,2006(1):74-81.

[2] 蔡健榮.雙目立體視覺系統攝像機標定[J].江蘇大學學報:自然科學版,2006(1):6-9.

[3] 邱茂林.計算機視覺中攝像機定標綜述[J].自動化學報,2000(1):43-45.

[4] 陳勝勇,劉 盛.基于OpenCV的計算機技術實現[M].北京:科學出版社,2008：42-68.

[5] 劉瑞禎,于仕琪.OpenCV教程：基礎篇[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:243-402.

[6] 湯 超.OpenCV的運動目標檢測[D].廈門：廈門大學,2009：11-21.

[責任編輯 范 藻]

Research and Implementation of Laser Ranging Based on Image Processing

TU Pu

(Dazhou Intelligent Manufacturing Industrial Technology Institute of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

In this paper, a feasible ranging system is designed by using laser and CCD camera. A laser pen and a camera was used as the measurement devices and processing the photo generate by the camera by using the open source image processing library OpenCV to find the position of the laser spot in the camera images; and then using the position coordinates information and the range models to find the formula parameters by the using of a few sets of known measurement parameters. As a result, we can establish the function between the position of the laser spot image information with the distance between the laser and the objects to be measurement. Then the goal of the ranging will be achieved.

distance measurement; laser ranging; image processing

2016-11-20

四川省教育廳項目(14ZB0314)；四川文理學院校級項目(2014Z004Y)

涂 樸(1984—)，女，四川達州人.講師，碩士，主要從事智能控制技術研究.

TP391

A

1674-5248(2017)02-0042-03