CN101074876A - 一种自动测量距离的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动测量距离的方法及装置，用以解决现有技术中存在无法通过图像采集设备自动测量距离的问题。本发明方法包括：通过图像采集设备采集物体图像，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离；根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、所述图像采集设备的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。本发明还公开了一种自动测量距离的装置。本发明用于通过图像采集设备自动测量距离，操作简便，抗干扰性强并且误差小。

Description

一种自动测量距离的方法及装置

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种自动测量距离的方法及装置。

背景技术

距离对于工业生产或者家庭娱乐等诸多领域来说都是比较重要的信息，现有技术中有多种测定距离的方式。例如，最简单的采用尺子等测量工具进行手工测量距离，或者通过发出红外线、超声波等，测定回波与发射波时间差或者相位差的方式测定距离。但是，采用尺子等测量工具测定距离的方式，需要人的手工操作，浪费人力，并且效率较低，不便于操作；而采用发射红外线、超声波等测量距离的方式，需要相应的发射和接收装置，这些装置一般比较大，携带放置都很不方便，而且，还需要较多的硬件电路，实现起来也比较困难，另外，在很多家庭娱乐和日常生活的应用中，人们更多关心的是人与某一位置的距离，此时，采用红外线、超声波等方式，无法区分人和其他物体，因而，很容易受到其他物体的干扰，误差较大。

目前，数码相机、摄像头等图像采集设备，在日常生活中的应用愈来愈多，但是，现有技术中却无法通过图像采集设备自动测量距离。

发明内容

本发明实施例提供了一种自动测量距离的方法及装置，用以解决现有技术中存在无法通过图像采集设备自动测量距离的问题。

本发明实施例方法包括：

通过图像采集设备采集物体图像，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离；

根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、所述图像采集设备的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。

本发明实施例装置，包括图像采集单元，用于采集物体图像，该装置还包括：

距离测定单元，用于计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离，根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、自身的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与自身之间的距离。

本发明提供的技术方案，通过图像采集设备采集物体图像，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离，根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、所述图像采集设备的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。通过该技术方案，实现了通过图像采集设备自动测量距离。对于需要测量人与某一物体(如电视或计算机等)之间的距离时，只需将本发提供的装置与所述某一物体放置在同一位置，便可达到测量目的，并且只针对人进行测量，不受其他物体的影响，测量误差小，操作简便。

附图说明

图1为凸透镜成像原理示意图；

图2为本发明实施例提供的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的技术方案，将图像采集设备的焦距作为通过图像采集设备采集的图像的像距值，通过图像采集设备采集物体图像，对该图像进行特征点定位，并计算所述物体的特定两点(例如人的双眼)在所述图像上的像素距离，根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像采集设备的分辨率、焦距和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离，其中，所述物体的特定两点在所述图像上的距离，等于所述感光器件尺寸的单位尺寸上所述图像的像素数与所述像素距离乘积；所以所述物体与所述图像采集设备之间的距离，等于所述物体特定两点间距离与所述乘积的比值乘以所述图像的像距。通过该技术方案，实现了通过图像采集设备自动测量距离。对于需要测量人与某一物体(如电视或计算机等)之间的距离时，只需将本发提供的装置与所述某一物体放置在同一位置，便可达到测量目的，并且只针对人进行测量，不受其他物体的影响，测量误差小，便于应用。

图像采集设备的成像原理大都符合凸透镜成像原理。以摄像头成像过程为例，摄像头正常使用时，相当于物距大于2f时，成倒立实像的凸透镜，参见图1，根据凸透镜成像原理，当物距大于2f时，有：

$\frac{H}{h}=\frac{A}{a}$ 式(1)

其中，H为物的大小，h为像的大小，A为物距，a为像距，即 $A=\frac{H*a}{h}.$ 当物距远大于2f时，像距a近似等于焦距f，因而，当焦距固定、物体处于两倍焦距之外，并且该物体的大小不变时，所述物距A与成像大小h成反比。即物体距离摄像头越近，成像越大，物距A与成像大小h成线性反比例关系。

因此，对于图像采集设备，当焦距不变时，便可以通过物体上固定两点(H不变)之间的距离来确定物体与图像采集设备的距离，便可以实现测定物体到某点的距离。

图像采集设备一般采用数字方式采集物体的图像，即采用一个二维矩阵来表示离散化的物像。对于一个分辨率为M*N的感光器件，相当于将物像离散化为M*N的矩阵。在图像数字化过程中，假定感光器件的面积为U*V(满足U/M＝V/N)，则单位尺寸上的像素数为U/M或V/N。因此，在感光器件尺寸固定的情况下，可以不采用物像的物理大小，而是采用物像投影离散化后得到的图像数据上两点坐标之间的数字距离来衡量物像大小，从而测定物距。

本发明实施例采用的数字化图像采集设备，用二维矩阵来表示一副图像。对于图像上的每一个点，都有一个数字化坐标(x，y)。例如，对于一个640×480分辨率的图像，某点的坐标(x，y)满足：

            {(x，y)|x＞＝0&&x＜640，y＞＝0&&y＜480}

那么，本发明实施例通过图像采集设备采集的图像上两点之间的像素距离，为所述图像上两点数字化坐标之间的距离。

如果采集的数字图像上两点之间的像素距离为m，则实际所成像上该两点之间的距离为：

            b＝m*U/M                        式(2)

可见真实像上两点间距离与该两点在数字图像上的像素距离成正比。

结合式(1)和式(2)，得到：

$A=\frac{H*a*M}{m*U}$ 式(3)

同理，可得：

$A=\frac{H*a*N}{m*V}$ 式(4)

其中，A为实际物距，H为物体的实际大小，a为像距，其值近似为焦距f，M为感光器件横向分辨率，N为感光器件纵向分辨率，U为感光器件横向物理长度，V为感光器件纵向物理长度。当H不变，f固定，U(或V)固定时，A与

(或 )成反比。

对于同一个摄像头，可以通过软件设置改变其采集图像的分辨率，即M和N可以被设置。本发明实施例中定义归一化像素距离m′为像素距离m与M的比(或者m与N的比)，根据式(4)有：

$A=\frac{H*a}{m^{\′}*U}$ 式(5)

同样，存在：

$A=\frac{H*a}{m^{\′}*V}$ 式(6)

目前应用较为广泛的数码相机和数码摄像机等图像采集设备的成像原理和摄像头成像原理相似，也存在相同的理论。

本发明实施例以测定人到某处的距离为例，通过图像采集设备采集到人的图像之后，自动判定该图像上某两点的归一化像素距离。为了保证式(6)中的H(物大小)不改变，必须自动定位到人的图像上固定的两点，此两点之间的距离在人进行各种活动时，都不会发生变化，并且，对于不同的人，此两点之间的距离也应该基本不变。

下面结合附图说明本发明实施例是如何实现的。

参见图2，本发明实施例提供的方法包括：

S201、通过图像采集设备采集物体图像，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离。

S202、根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、所述图像采集设备的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。

所述物体的特定两点在所述图像上的距离，等于所述感光器件尺寸的单位尺寸上所述图像的像素数与所述像素距离乘积；

则所述物体与所述图像采集设备之间的距离，等于所述物体特定两点间距离与所述乘积的比值乘以所述图像的像距。

采集到所述图像后，对所述图像进行特征点定位，然后计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离。

所述物体为人，所述图像为包括人脸的图像，所述物体的特定两点间的距离为人脸的宽度/长度。

人脸是人体上相对比较固定，并且个体差异较小的器官，因此本发明实施例采用人脸检测技术，将人脸上固定两点之间的距离作为参考距离H。人脸检测是模式识别领域比较成熟的技术，在图像中自动定位人脸的位置已经是一项比较成熟的技术。因此，本发明实施例采用人脸宽度/长度作为参考距离H，具有如下好处：

首先，容易测定，误差较小，为了自动测定人到图像采集设备的距离，必须能自动定位到图像上两点之间的归一化像素距离m′，根据式(6)可知，像素距离m的测定效果好可以提高距离A测定的精度；

其次，不同人的人脸大小差异较小，因此，对于不同人，距离A测定的误差就比较小。

根据公式 $A=\frac{H*a*M}{m*U}$ 或 $A=\frac{H*a*N}{m*V}$ 确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离，其中，A为所述物体与所述图像采集设备之间的距离，H为所述物体特定两点间距离，a为所述图像的像距，a的值为所述焦距的值，M为所述图像采集设备的横向分辨率，N为所述图像采集设备的纵向分辨率，m为所述像素距离，U为所述感光器件的横向尺寸，V为所述感光器件的纵向尺寸。

本发明实施例定义归一化像素距离m′为m/M或者m/N；

较佳地，本发明实施例预先设置参数k的值，其中，如果m′＝m/M，则 $k=\frac{H*a}{U},$ 如果m′＝m/N，则 $k=\frac{H*a}{V};$

a的值近似为焦距f的值，由 $k=\frac{H*a}{U}$ 可知，当H和a不变时，对于不同的采集设备，U不同，k值也不同，但是，对于同一个采集设备，U不变，k的值可以看作是固定不变的。因此，可以通过A和m′预先设置k的值，并根据像素距离m计算归一化像素距离m′，根据公式A＝k/m′确定物体与图像采集设备之间的距离，从而避免测定感光器件大小、物体大小(H)、焦距等值的操作，而这些值的测量是十分烦杂的，因此节省了很大的工作量。

其中，可以有以下四种方式预先设置所述参数k的值；

方式一：当物体与图像采集设备之间存在一定距离时，计算所述物体特定两点在该物体图像上的归一化像素距离(如人脸像素大小与M或N的比)；

根据公式k＝A*m′计算得到所述参数k的值，并预先存储该值；其中，A为所述一定距离，m′为所述归一化像素距离。

所述k的值可以是预先存储的，也可以根据用户需要，在使用之前由用户设置，如针对某人单独设置一个k的值，这样测定的该人到图像采集设备之间的距离更加准确。

方式二：不同物体的大小H不同，物距A不同，图像采集失真的程度不同，为了避免小数据造成的误差，可以对于多个物体，分别计算每个物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离；

根据每个所述距离以及该距离对应的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值，并计算参数k的平均值，将该平均值作为所述参数k的值。

方式三：分别计算物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离，并利用公式k＝A*m′以及每个所述归一化像素距离分别计算参数k，例如，每隔10cm设定一个k值；

根据每个所述归一化像素距离，设置每个归一化像素距离范围与所述参数k的对应关系；

则本发明实施例可以根据归一化像素距离所在的范围确定相应的参数k，从而得到更高的精度。

方式四：分别计算不同物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时的归一化像素距离；

根据所述一定距离以及每个所述归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值；

则存储用户根据需要选择确定的不同物体对应的参数k，根据该参数k确定所述物体与图像采集设备之间的距离。

例如，不同人的人脸大小或眼睛间距存在差异，可以为不同类型的人或者不同个体设定不同的k，如可以为成人男、成人女和孩子分别设定不同的k，实际应用时，不同类别的人选择不同的k来测定A。

另外，人的双眼是人脸上位置相对固定，并且，容易被定位到的点。因此，本发明实施例还可以采用左眼与右眼之间的距离(H)来测定距离(A)。采用左眼与右眼的距离来测定人与图像采集设备之间的距离的优点如下：

双眼距离容易测定，误差较小；

不同人的双眼距离差异比人脸大小的差异更小，因此，对于不同人，距离测定的误差就更小；

采用人脸大小测定时，人脸需要全部处于图像中，而采用双眼距离，人脸的鼻子嘴巴等部分则可以不处于图像中，因此，采用人眼进行距离测定具有更广的应用范围。

下面介绍一下本发明实施例提供的装置。

参见图3，本发明实施例提供的自动测量距离的装置包括：图像采集单元31和距离测定单元32；

所述距离测定单元32包括：设置单元321、像素距离单元322和距离单元323。

所述图像采集单元31，用于采集物体图像，该图像可以为包括人脸或人的双眼在内的图像。

所述距离测定单元32，用于对所述图像进行特征点(如人脸或人的双眼)定位，并计算所述物体的特定两点(人脸上的两点或人的双眼)在所述图像上的像素距离，根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、自身的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与自身之间的距离。

所述物体的特定两点在所述图像上的距离，等于所述感光器件尺寸的单位尺寸上所述图像的像素数与所述像素距离乘积；

则所述距离测定单元32，可以通过所述物体特定两点间距离与所述乘积的比值乘以所述图像的像距，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。所述距离测定单元32，可以根据公式 $A=\frac{H*a*M}{m*U}$ 或 $A=\frac{H*a*N}{m*V}$ 确定所述物体与自身之间的距离，其中，A为所述物体与所述图像采集设备之间的距离，H为所述物体特定两点间距离，a为所述图像的像距，a的值为所述图像采集设备的焦距的值，该值是预先设置的，M为所述图像采集设备的横向分辨率，N为所述图像采集设备的纵向分辨率，m为所述像素距离，U为所述感光器件的横向尺寸，V为所述感光器件的纵向尺寸。

较佳地，定义归一化像素距离m′为m/M或者m/N，并设置参数k，且满足 $k=\frac{H*a}{U}$ 或 $k=\frac{H*a}{V};$

则所述设置单元321，用于存储预先设置的参数k的值，其中，如果m′＝m/M，则 $k=\frac{H*a}{U},$ 如果m′＝m/N，则 $k=\frac{H*a}{V};$

所述像素距离单元322，用于对所述图像进行特征点定位，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离；

所述距离单元323，用于根据所述像素距离计算归一化像素距离m′，并根据公式A＝k/m′确定所述物体与自身之间的距离。

其中，可以有以下四种方式预先设置所述参数k的值；

方式一：当物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时，所述设置单元321，计算所述物体特定两点在该物体图像上的归一化像素距离，并根据公式k＝A*m′计算得到所述参数k的值，其中，A为所述一定距离，m′为所述归一化像素距离。

方式二：对于多个物体，所述设置单元321分别计算每个物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离，并根据每个所述距离以及该距离对应的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值，并计算参数k的平均值，将该平均值作为所述参数k的值，则所述距离单元323根据该k的值进行距离测定。

方式三：所述设置单元321分别计算物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′以及每个所述归一化像素距离分别计算参数k，并根据每个所述归一化像素距离，分别设置归一化像素距离范围与所述参数k的对应关系；

则所述距离单元323，根据实际计算得到的归一化像素距离所在的范围确定相应的参数k，根据该k的值测定距离。

方式四：所述设置单元321分别计算不同物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时的归一化像素距离，并根据所述一定距离以及每个所述归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值；

则所述距离单元323，存储用户预先根据需要选择确定的不同物体对应的参数k，例如要测定儿童距离显示器的距离，则预先选择儿童对应的k的值，并由所述距离单元323存储，在应用过程中，所述距离单元323根据该参数k确定所述儿童与显示器(本发明装置与该显示器放置在同一位置，即与所述儿童距离相等)之间的距离。

综上所述，本发明实施例采用人脸大小或者双眼距离作为参考距离(H)来测定距离(A)，可以自动测量人到图像采集设备之间的距离，测量误差小；并且，通过预先设置参数k的值，可以自动确定k，避免需要测定焦距，感光器件尺寸，物体大小等值的操作，减少了工作量；其中，为不同距离设定不同的k，或者为不同人设定不同的k值，提高了测量的准确性。另外，本发明不需要增加硬件，在成像设备基础上就可以实现，对于需要测定人与某处距离的应用，具有很强的抗干扰能力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1、一种自动测量距离的方法，其特征在于，该方法包括：

通过图像采集设备采集物体图像，并计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离；

根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、所述图像采集设备的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体的特定两点在所述图像上的距离，等于所述感光器件尺寸的单位尺寸上所述图像的像素数与所述像素距离乘积；

则所述物体与所述图像采集设备之间的距离，等于所述物体特定两点间距离与所述乘积的比值乘以所述图像的像距。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据公式 $A=\frac{H*a*M}{m*U}$ 或 $A=\frac{H*a*N}{m*V}$ 确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离，其中，A为所述物体与所述图像采集设备之间的距离，H为所述物体特定两点间距离，a为所述图像的像距，M为所述图像采集设备的横向分辨率，N为所述图像采集设备的纵向分辨率，m为所述像素距离，U为所述感光器件的横向尺寸，V为所述感光器件的纵向尺寸。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，定义归一化像素距离m′为m/M或者m/N；

该方法还包括预先设置参数k的值，其中，如果m′＝m/M，则 $k=\frac{H*a}{U},$ 如果m′＝m/N，则 $k=\frac{H*a}{v};$

则根据所述像素距离计算归一化像素距离m′，并根据公式A＝k/m′确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，预先设置所述参数k的值的步骤包括：

当物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时，计算所述物体特定两点在该物体图像上的归一化像素距离；

根据公式k＝A*m′计算得到所述参数k的值。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，预先设置所述参数k的值的步骤包括：

对于多个物体，分别计算每个物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离；

根据每个所述距离以及该距离对应的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值，并计算参数k的平均值，将该平均值作为所述参数k的值。

7、如权利要求4所述的方法，其特征在于，预先设置所述参数k的值的步骤包括：

分别计算物体与所述图像采集设备之间存在不同距离时的归一化像素距离，并利用公式k＝A*m′以及每个所述归一化像素距离分别计算参数k；

根据每个所述归一化像素距离，分别设置归一化像素距离范围与所述参数k的对应关系；

则该方法还包括：根据归一化像素距离所在的范围确定相应的参数k。

8、如权利要求4所述的方法，其特征在于，预先设置所述参数k的值的步骤包括：

分别计算不同物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时的归一化像素距离；

根据所述一定距离以及每个所述归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值；

则该方法还包括：存储用户根据需要选择确定的不同物体对应的参数k，根据该参数k确定物体与图像采集设备之间的距离。

9、一种自动测量距离的装置，包括图像采集单元，用于采集物体图像，其特征在于，该装置还包括：

距离测定单元，用于计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离，根据所述像素距离、所述物体特定两点间距离、所述图像的像距、自身的分辨率和感光器件尺寸，确定所述物体与自身之间的距离。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述物体的特定两点在所述图像上的距离，等于所述感光器件尺寸的单位尺寸上所述图像的像素数与所述像素距离乘积；

则所述距离测定单元，通过所述物体特定两点间距离与所述乘积的比值乘以所述图像的像距，确定所述物体与所述图像采集设备之间的距离。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述距离测定单元，根据公式 $A=\frac{H*a*M}{m*U}$ 或 $A=\frac{H*a*N}{m*V}$ 确定所述物体与自身之间的距离，其中，A为所述物体与所述图像采集设备之间的距离，H为所述物体特定两点间距离，a为所述图像的像距，M为所述图像采集设备的横向分辨率，N为所述图像采集设备的纵向分辨率，m为所述像素距离，U为所述感光器件的横向尺寸，V为所述感光器件的纵向尺寸。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，定义归一化像素距离m′为m/M或者m/N，所述距离测定单元包括：

设置单元，用于存储预先设置的参数k的值，其中，如果m′＝m/M，则 $k=\frac{H*a}{U},$ 如果m′＝m/N，则 $k=\frac{H*a}{v};$

像素距离单元，用于计算所述物体的特定两点在所述图像上的像素距离；距离单元，用于根据所述像素距离计算归一化像素距离m′，并根据公式A＝k/m′_{确定所述物体与自身之间的距离}。

13、如权利要求12所述的装置，其特征在于，当物体与所述图像采集设备之间存在一定距离时，所述设置单元，计算所述物体特定两点在该物体图像上的归一化像素距离，并根据公式k＝A*m′计算得到所述参数k的值。

14、如权利要求12所述的装置，其特征在于，对于多个物体，所述设置单元分别计算每个物体与自身之间存在不同距离时的归一化像素距离，并根据每个所述距离以及该距离对应的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值，并计算参数k的平均值，将该平均值作为所述参数k的值。

15、如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述设置单元分别计算物体与自身之间存在不同距离时的归一化像素距离，利用公式k＝A*m′以及每个所述归一化像素距离分别计算参数k，并根据每个所述归一化像素距离，分别设置归一化像素距离范围与所述参数k的对应关系；

则所述距离单元，根据归一化像素距离所在的范围确定相应的参数k。

16、如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述设置单元分别计算不同物体与自身之间存在一定距离时的归一化像素距离，并根据所述一定距离以及每个所述归一化像素距离，利用公式k＝A*m′分别计算参数k的值；

则所述距离单元，存储用户预先根据需要选择确定的不同物体对应的参数k，根据该参数k确定所述物体与自身之间的距离。

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