CN101539422A - 一种单目视觉实时测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单目视觉实时测距方法，包括以下步骤：步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角；步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置m_a；步骤三、利用m_a，求出测距目标到相机的距离

；只需利用单个相机即可完成测距任务；本方法属于被动式的测距方法，不需要主动投射光源，结构更加简单；对测距目标只需进行一次成像即可满足测距需要；硬件上只需对现有相机的图像传感器进行倾斜，结构改动小，成本低；由于测距算法简练、快速，因此测距的实时性好，在工业控制，机器人导航以及飞机着陆、导弹巡航、目标运动估计等军事领域都存在应用价值。

Description

一种单目视觉实时测距方法

技术领域

本发明涉及一种单目视觉实时测距方法，属于视觉测距技术领域。

背景技术

一般认为，图像在形成过程中会丢失距离信息，而实际上，从相机构成来看，像距和物距是满足透镜公式的，知道了焦距和像距就可以求出物距。这样，测距的关键在于如何求出像距。这里的像距，是指外界物体发出的光线，经透镜折射后聚焦成清晰的像，像在光轴上的投影到光心的距离。当然，这对使用针孔镜头的相机是不适用的，这里只讨论使用透镜镜头的相机。

人们对如何测距提出了一些方法，很大一部分是主动式的测距方法，即需要一个对被测目标进行光波照射(如激光)的主动投射光源，通过接受和分析回波来进行测距。相对应的是被动式的测距方法，比如立体视觉方法。该方法是通过在空间中放置两台或多台相机对同一目标在不同的视点进行成像。由于视点不同，所成的图像之间存在着视差，即同一物点的像点分布在各个相机成像平面的不同位置上。如果能够从每幅视差图像中找到同一物点的对应像点，然后根据几何关系就可以计算出物点的距离。但是这种方法需要相机的精确定位和复杂标定，并且由于在图像间寻找同一物点的像即图像的匹配需要大量极其复杂的计算，因此限制了其应用范围。

Pentland，A.；Darrell，T.；Turk，M.；Huang，W.；A simple，real-time rangecamera Computer Vision and Pattern Recognition，1989.Proceedings CVPR′89.，IEEE Computer Society Conference on 4-8 June 1989 Page(s)：256-261中的相机使用了一个半反射镜将同一视点的光线分成两部分，再使用不同光圈的两个镜头把光线聚集到两个靶面上得到两幅图像，利用同一点在两幅图像中的散焦程度不同来计算像距。该方法相机结构较为复杂，安装要求较高，计算量也较大。

Isoda，N.；Terada，K.；Oe，S.；Kaida，K，Improvement Of Accuracy For DistanceMeasurement By Using Movable CCD SICE ′97.Proceedings of the 36th SICEAnnual Conference.International Session Papers 29-31 July 1997 Page(s)：1251-1254中相机的靶面是可以相对镜头移动的，使镜头和物体的相对位置固定，移动靶面得到清晰的像，记下像距，利用透镜公式计算物距。但该方法相机中有移动部件，测距的实时性不高。

Yamaguti，N.；Oe，S.；Terada，K.；A Method of Distance Measurement by UsingMonocular Camera，SICE′97.Proceedings of the 36th SICE Annual Conference.International Session Papers中一个相机沿其光轴方向移动，在不同位置拍下两幅图像，两位置间的距离已知，利用两幅图像中同一物体像的大小之比来计算物距。该方法需要移动相机二次成像，影响了其使用范围。

Nayar，S.K.；Watanabe，M.；Noguchi，M.；Real-time focus range sensorPattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on Volume 18，Issue 12，Dec.1996 Page(s)：1186-1198中的相机有一个镜头，两个靶面，利用半反射镜使两个靶面上呈现相同的像，只是由于像距不同，像的离焦程度不一样，利用这一点，计算实际的像距，进而计算物距。所有这些方法，或者是因为计算量大，或者是因为要移动相机组件，都影响了测距的实时性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺点，提供了一种单目视觉实时测距方法。本发明不需要主动投射光源，只需要单次成像，对硬件改动小，不需要相机的定位和标定，测距算法简单，实时性好。

本发明所述的一种单目视觉实时测距方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角；

步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置m_a；

模数偏差总和(SMD，sum-modulus-difference)算子计算两相邻像素点的水平方向和垂直方向的一阶灰度偏差的总和如下式所示：

${\mathrm{SMD}}_x=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x,y-1)|---\left(1\right)$

${\mathrm{SMD}}_y=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x+1,y)|---\left(2\right)$

式中，f(x，y)为图像像素坐标为(x，y)处的灰度值；

设f(m)为图像传感器平面第m行的SMD对焦函数，测距目标成像图像的分辨率为X×Y，X为行数，Y为列数，则

f(m)＝SMD_x+SMD_y    (3)

其中x＝m，1≤m≤X，1≤y≤Y；

当f(m)取最大值时，此时m＝m_a，则认为m_a行处所在的水平线位置接收到的图像为最清晰的；

步骤三、利用m_a，求出测距目标到相机的距离OU；

由几何关系可得：

OM＝ON-NCsinθ    (4)

式中，OM为透镜中心到图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影点的距离，ON为透镜中心到图像传感器与透镜中心的水平轴的交点的距离，NC为图像传感器与透镜中心的水平轴的交点到图像传感器平面与目标呈清晰像的交点的距离；

图像传感器根据比例关系可得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}=\frac{2m_a-X}{2X}\×h---\left(5\right)$

透镜公式如式(6)：

$\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OM}}}+\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}}=\frac{1}{f}---\left(6\right)$

式中，OU为物距，f为透镜焦距；

将式(4)、式(5)代入式(6)，得到测距公式式(7)为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}=\frac{f\×(2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ})}{2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{Xf}}---\left(7\right)$

式中，X为图像高度的像素数，h为图像传感器平面的高度，f为透镜焦距。

本发明的优点在于：

(1)只需利用单个相机即可完成测距任务，不需要像多相机测距方法那样精确的相机定位和复杂的标定过程；

(2)本方法属于被动式的测距方法，不需要主动投射光源，结构更加简单；

(3)对测距目标只需进行一次成像即可满足测距需要；

(4)硬件上只需对现有相机的图像传感器进行倾斜，结构改动小，成本低；

(5)由于测距算法简练、快速，因此测距的实时性好，在工业控制，机器人导航以及飞机着陆、导弹巡航、目标运动估计等军事领域都存在应用价值。

附图说明

图1是本发明的测距方法流程图；

图2是本发明的测距方法原理图；

图3是本发明实施例中的测距效果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种单目视觉实时测距方法，方法流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角。

将相机中的图像传感器，即成像接收平面，绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角。理论上，θ角可以为任意值，但考虑到测距范围和测距精度的要求以及计算的方便，θ角取30°～60°之间。

步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置m_a。

目标在测距范围内，对测距目标进行一次成像，由于图像传感器平面倾斜，因此该平面所接收到的图像只有在该平面上的某条水平线处是清晰的，离该水平线向两个方向越远，图像越模糊。

将图像传感器所采集到的图像使用清晰度评价函数进行处理，找到图像传感器平面清晰像处的水平线位置。常用的清晰度评价函数有Tenengrad函数、SMD函数、VAR函数和FSWM滤波函数等，本发明选用SMD函数。

模数偏差总和(SMD，sum-modulus-difference)算子由Jarvis提出，根据SMD算子来计算两相邻像素点的水平方向和垂直方向的一阶灰度偏差的总和如下式所示：

${\mathrm{SMD}}_x=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x,y-1)|---\left(1\right)$

${\mathrm{SMD}}_y=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x+1,y)|---\left(2\right)$

式中，f(x，y)为图像像素坐标为(x，y)处的灰度值。

设f(m)为图像传感器平面第m行的SMD对焦函数，测距目标成像图像的分辨率为X×Y，X为行数，Y为列数，则

f(m)＝SMD_x+SMD_y    (3)

其中x＝m，1≤m≤X，1≤y≤Y。

当f(m)取最大值时，此时m＝m_a，则认为m_a行处所在的水平线位置接收到的图像为最清晰的。

步骤三、利用m_a，求出测距目标到相机的距离OU。

相机的测距原理图如图2所示，图中，O为透镜中心，U处为目标，F为透镜焦点，R为透镜半径，M为图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影点，N为图像传感器与透镜中心的水平轴的交点，θ为图像传感器平面的倾斜角，C为图像传感器平面与目标所成清晰像的交点，即m_a行所对应的图像传感器平面的位置。由图中可得：

OM＝ON-NCsinθ    (4)

式中，OM为透镜中心到图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影点的距离，ON为透镜中心到图像传感器与透镜中心的水平轴的交点的距离，NC为图像传感器与透镜中心的水平轴的交点到图像传感器平面与目标呈清晰像的交点的距离。

图像传感器清晰处的第m_a行对应图2中的C点，即图像传感器根据比例关系可得N点到C点的距离为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}=\frac{2m_a-X}{2X}\×h---\left(5\right)$

透镜公式如式(6)：

$\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OM}}}+\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}}=\frac{1}{f}---\left(6\right)$

式中，OU为物距，f为透镜焦距。

将式(4)、式(5)代入式(6)：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}=\frac{f\×\stackrel{\‾}{\mathrm{OM}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OM}}-f}=\frac{f\×(\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}\sin \mathrm{\θ})}{\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}\sin \mathrm{\θ}-f}$

$=\frac{f\×(2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ})}{2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{Xf}}$

得到测距公式(7)为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}=\frac{f\×(2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ})}{2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-2m_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{Xf}}---\left(7\right)$

式中，X为图像高度的像素数，h为图像传感器平面的高度，f为透镜焦距。

由以上公式可得，相机到目标的距离，即物距OU，由焦距f、图像传感器平面中心线到透镜中心的距离ON、图像传感器平面的倾角θ和高度h共同确定。

式(7)得到的物距OU，即为所要测量的相机到测距目标的距离。

实施例：设镜头焦距f＝25mm，图像传感器平面高度为h＝3mm，图像传感器得到的图像分辨率为240×320，图像传感器平面中心到透镜中心的距离ON＝26.6mm，图像传感器平面倾角θ为30度。

则图像传感器平面覆盖的像距范围是：

根据透镜公式(6)可得到对应的物距范围是：(291，760)mm。

步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转30度。

步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置m_a。

在相机与目标距离为300mm处，对目标进行一次成像。将图像传感器所采集到的图像使用清晰度评价函数进行处理，即用公式(3)计算图像每一行的SMD对焦函数值，公式(3)中m的范围是1≤m≤240，y的范围是1≤y≤320。记录对焦函数取得最大值时所对应的行数m_a，m_a为24。

步骤三、利用m_a，求出测距目标到相机的距离OU。

将得到的m_a带入公式(6)中得到距离NC：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}=\frac{2m_a-X}{2X}\×h=\frac{2\×24-240}{2\×240}\×3=-1.2\left(\mathrm{mm}\right)$

再将NC带入式(7)得到物距，即相机与目标之间的距离。

将该距离与给定值(300mm)比较，得到测距相对误差为 $\frac{305-300}{300}\×100\%=1.7\%.$

将相机与目标距离由300mm开始，每增加50mm采样一次，即对目标进行一次成像，重复步骤二和步骤三，共进行10次测距。结果如图3所示，X轴表示试验次数，Y轴表示测距目标到相机的距离。

图3中的测量值即为本测距方法得到的相机与目标之间的距离。由图可以看出，大部分测量值落在给定值连成的直线上，表明该方法所得到的大部分的测量距离是完全准确的，证明了本测距方法的有效性。还有少数测量值稍微偏离了给定直线，即产生了测距误差，这是由相机的成像质量以及目标的纹理等问题所造成的。

Claims (2)

1、一种单目视觉实时测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角；

步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置m_a；

模数偏差总和算子计算两相邻像素点的水平方向和垂直方向的一阶灰度偏差的总和如下式所示：

${\mathrm{SMD}}_x=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x,y-1)|---\left(1\right)$

${\mathrm{SMD}}_y=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}|f(x,y)-f(x+1,y)|---\left(2\right)$

式中，f(x，y)为图像像素坐标为(x，y)处的灰度值；

设f(m)为图像传感器平面第m行的SMD对焦函数，测距目标成像图像的分辨率为X×Y，X为行数，Y为列数，则

f(m)＝SMD_x+SMD_y                                         (3)

其中x＝m，1≤m≤X，1≤y≤Y；

当f(m)取最大值时，此时m＝m_a，则认为m_a行处所在的水平线位置接收到的图像为最清晰的；

步骤三、利用m_a，求出测距目标到相机的距离OU；

由几何关系可得：

OM＝ON-NCsinθ                                         (4)

式中，OM为透镜中心到图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影点的距离，ON为透镜中心到图像传感器与透镜中心的水平轴的交点的距离，NC为图像传感器与透镜中心的水平轴的交点到图像传感器平面与目标呈清晰像的交点的距离；

图像传感器根据比例关系可得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NC}}=\frac{{2m}_a-X}{2X}\×h---\left(5\right)$

透镜公式如式(6)：

$\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OM}}}+\frac{1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}}=\frac{1}{f}---\left(6\right)$

式中，OU为物距，f为透镜焦距；

将式(4)、式(5)，代入式(6)，得到测距公式(7)为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{OU}}=\frac{f\×(2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-{2m}_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ})}{2X\stackrel{\‾}{\mathrm{ON}}-{2m}_{a}h\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Xh}\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{Xf}}---\left(7\right)$

式中，X为图像高度的像素数，h为图像传感器平面的高度，f为透镜焦距。

2、根据权利要求1所述的一种单目视觉实时测距方法，其特征在于：所述步骤一中，θ角为30°～60°。

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