一種基于單目視覺的測(cè)高測(cè)距新方法

李孟華　唐茂　唐子淇　高健

摘 要：利用單目攝像頭成像原理，提出一種兩步測(cè)高測(cè)距的方法。分別建立兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處被測(cè)物與其成像之間的幾何關(guān)系，根據(jù)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距攝像頭參數(shù)以及顯示屏像素參數(shù)，同時(shí)得到被測(cè)物高度計(jì)算公式和被測(cè)物與測(cè)點(diǎn)距離計(jì)算公式。將攝像頭與被測(cè)物體的位置歸納為：攝像頭主光軸穿過被測(cè)物和攝像頭主光軸不穿過被測(cè)物，本文給出的計(jì)算公式完全適用于以上兩種情況。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)誤差進(jìn)行了分析，提出了誤差來源與相應(yīng)的解決思路。結(jié)果表明本測(cè)量方法精確度高，適應(yīng)性好。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)文繑z像頭;兩步法;測(cè)高;測(cè)距

1 引言

單目視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過一個(gè)攝像頭即可獲取目標(biāo)圖像深度等信息。同時(shí)還具有運(yùn)算速度快、攝像機(jī)標(biāo)定簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。基于單目視覺系統(tǒng)開發(fā)的測(cè)距儀器在在汽車防撞[1-5]、機(jī)器人自動(dòng)避障[6，7]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前已有大量基于單目測(cè)量的方法用來測(cè)量高度或者測(cè)距。文獻(xiàn)[1-5]原理類似，都是通過被測(cè)物移動(dòng)引起圖像大小的變化和光學(xué)幾合原理距離來計(jì)算鏡頭與物體的距離，但是邊緣檢測(cè)過程易受物體的規(guī)則和光照的影響;文獻(xiàn)[8]利用經(jīng)典的單目測(cè)距法，即成像幾何光學(xué)得到被測(cè)物高度，但是事先需要標(biāo)定;文獻(xiàn)[9]通過在匹配點(diǎn)中隨機(jī)選取一些特征點(diǎn)，使用PNP算法計(jì)算目標(biāo)距離，但需要進(jìn)行大量的運(yùn)算。文獻(xiàn)[10]提出一種結(jié)合射影幾何知識(shí)的自動(dòng)化標(biāo)定方法，完成目標(biāo)物的高度測(cè)量;文獻(xiàn)[11]首先用閾值分割法和快速連通區(qū)域標(biāo)記算法初步計(jì)算身高，最后根據(jù)攝像機(jī)成像模型進(jìn)行計(jì)算，但需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，對(duì)場(chǎng)景中的幾何要求也較高。

本文基于單目測(cè)距模型和單目攝像頭成像原理得出了測(cè)量被測(cè)物高度和測(cè)點(diǎn)到被測(cè)物距離的測(cè)量方法和計(jì)算模型：分別建立兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處被測(cè)物與其成像之間的幾何關(guān)系，根據(jù)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距攝像頭參數(shù)以及顯示屏像素參數(shù)，同時(shí)得到被測(cè)物高度計(jì)算公式和被測(cè)物與測(cè)點(diǎn)距離計(jì)算公式。將攝像頭與被測(cè)物體的位置歸納為：攝像頭主光軸穿過被測(cè)物和攝像頭主光軸不穿過被測(cè)物，本文給出的計(jì)算公式完全適用于以上兩種情況。

2 測(cè)高原理及公式推導(dǎo)

2.1 測(cè)高原理分析

本系統(tǒng)利用組合透鏡成像規(guī)律對(duì)被測(cè)物的高度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量者在離被測(cè)物一定距離的地方，利用攝像頭獲得被測(cè)物像長(zhǎng)，測(cè)量者前進(jìn)一段距離后，再次利用攝像頭獲得被測(cè)物像長(zhǎng)，根據(jù)兩次像長(zhǎng)、被測(cè)物高度以及測(cè)量者前進(jìn)距離之間的光學(xué)幾何關(guān)系，即可求得被測(cè)物的高度。

2.2 測(cè)高公式推導(dǎo)

攝像頭鏡頭就相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律我們可以畫出被測(cè)物和被測(cè)物的像之間的光路圖。由于測(cè)點(diǎn)與被測(cè)物體的位置關(guān)系具有多樣性，總結(jié)各種位置關(guān)系，最終將這些位置關(guān)系歸納為2種類型，即透鏡組主光軸穿過被測(cè)物和透鏡組主光軸不穿過被測(cè)物，接下來就分別對(duì)這2種類型進(jìn)行被測(cè)物高度的計(jì)算研究。

4 測(cè)量方法及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

計(jì)算軟件由matlab編程實(shí)現(xiàn)，可設(shè)定已知參數(shù);將攝像頭安裝于三腳架上方便攜帶搬動(dòng)，精確標(biāo)定攝像頭焦距f=3.6mm（定焦），CCD像素面積3.6μmx3.6μm，顯示屏像素尺寸0.18mm×0.18mm，轉(zhuǎn)換倍數(shù)K=30。

在0.1～10米的范圍內(nèi)選擇物體進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，被測(cè)物包括牛奶盒，多媒體講桌，大門和高頂小樓。

4.2 測(cè)量步驟

（a）將攝像頭正對(duì)被測(cè)物，拍下被測(cè)物的照片;

（b）在被測(cè)物照片上標(biāo)識(shí)出被測(cè)物大致范圍，按下確定鍵表示確定本次操作;

（c）將攝像頭向前移動(dòng)一段距離，確保被測(cè)物圖像明顯變大;

（d）在被測(cè)物照片上標(biāo)識(shí)出被測(cè)物大致范圍，按下確定鍵表示確定本次操作;

（e）把攝像頭放回最先的位置，再重復(fù)以上步驟2次;

（f）軟件自動(dòng)計(jì)算3次測(cè)量結(jié)果并求平均值作為最終結(jié)果，至此，完成一個(gè)被測(cè)物高度的測(cè)量。

4.3 測(cè)量結(jié)果及分析

分別選取牛奶盒、多媒體講桌、大門和高頂小樓作為被測(cè)物，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

4.4 誤差分析

由下表1可知，測(cè)量結(jié)果的精確度較高，較好地驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)與理論分析的正確性。從被測(cè)物高度表達(dá)式（3-11）可知，單個(gè)像素點(diǎn)長(zhǎng)度Lpix、焦距f和轉(zhuǎn)換倍數(shù)K都是定值，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此，影響測(cè)量結(jié)果的因素有兩次測(cè)點(diǎn)間距S、兩次被測(cè)物像長(zhǎng)的像素個(gè)數(shù)N1、N2，故誤差主要來源是兩次測(cè)點(diǎn)間距S和兩次被測(cè)物像長(zhǎng)的像素個(gè)數(shù)N1、N2。

5 結(jié)論

（1）利用單目攝像頭成像原理，提出一種兩步測(cè)高測(cè)距的方法。

（2）將攝像頭與被測(cè)物體的位置歸納為：攝像頭主光軸穿過被測(cè)物和攝像頭主光軸不穿過被測(cè)物，本文給出的計(jì)算公式完全適用于以上兩種情況。

（3）通過實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本測(cè)高測(cè)測(cè)距方法的有效性。

（4）由誤差分析得出被測(cè)物像長(zhǎng)是誤差最主要的來源，因此，如何更加準(zhǔn)確得到被測(cè)物像長(zhǎng)應(yīng)成為今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：機(jī)床動(dòng)態(tài)共性技術(shù)的研究及數(shù)控系統(tǒng)專用操作程序的設(shè)計(jì)（2015ZX04005004-3）。

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