CN102062596A - 一种利用双摄像头测距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双摄像头测距的方法，所述方法具体包括以下步骤：利用双摄像头采集待测物体的影像；根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。本发明还公开了一种利用双摄像头测距的装置，通过上述方法和装置，能够自动得到待测物体与手持设备的精确距离，增加了手持设备的功能，提高了用户体验。同时避免了人为利用经验估计距离的误差，具备很好的实用价值。

Description

一种利用双摄像头测距的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学测距技术，特别是指一种利用双摄像头测距的方法和装置。

背景技术

目前，针对图片或者影像的立体显示大都是利用了人的两眼的视差特性来实现的，立体显示的主要实现方式有：色分法、光分法、时分法和光栅法等。具体实现方式虽然不同，但其基本出发点相同，并且基本原理大体相似，都是利用两台并列安置的摄影机，分别代表人的左眼、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的画面。放映时，将两条影片分别装入左眼放映装置和右眼放映装置，左眼放映装置与右眼放映装置同步运转，同时将画面放映出来，形成包括左眼图像、右眼图像的双影图像。观众通过一些特殊设备，例如偏光眼镜，使观众的左眼只能看到左眼图像，而右眼只能看到右眼图像。再通过观众双眼的汇聚功能，分别将左眼图像、右眼图像叠合在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。无论采用哪种技术，关键在于必须做到观看者的左眼与右眼看到的图像不能完全相同，即对应于左眼的画面只被左眼观察到，对应于右眼的画面只被右眼观察。通常，普通人利用双眼观察物体，左眼观察到的物体影像与右眼观察到的物体影像有微小的视差，配合一定的经验，就可以估算出观察到的物体与自己的距离，从而使被观察的物体具备立体感。

现在部分手持设备，例如：手机、相机等，本身就可配备双摄像头，并可同时拍摄图片，并利用带有光栅的液晶显示屏显示立体图片。例如：中国专利《具有立体拍照功能的手机》(申请号为200720120811.0)就揭示了这种技术。但是，如何进一步的利用双摄像头来确定设备与被拍摄物体之间的距离是需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用双摄像头测距的方法和装置，能够利用双摄像头来确定设备与被拍摄物体之间的距离。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种利用双摄像头测距的方法，所述方法包括：

利用双摄像头采集待测物体的影像；

根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。

其中，所述该点的距离，包括：该点到摄像头中光敏器件的垂直距离、和/或该点到双摄像头所在平面的垂直距离。

其中，所述待测物体上一点，具体是：用户通过显示屏确定待测物体上的一点。

其中，所述待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，具体是：该点的光线经过双摄像头的透镜中点，各自的入射角度，以及双摄像头的光敏器件上的影像点距离各自光敏器件中点的距离。

其中，所述确定该点的距离，具体是：利用三角函数关系，根据视差成像和双摄像头的间距确定所述待测物体上一点距离光敏器件所在平面的垂直距离。

本发明还提供了一种利用双摄像头测距的装置，所述装置包括：第一摄像头、第二摄像头和测距模块，其中，

所述第一摄像头和所述第二摄像头，用于采集待测物体的影像，将待测物体上一点在两个摄像头中的视差成像发送给测距模块；

所述测距模块，用于根据视差成像确定该点的距离。

本发明所提供的利用双摄像头测距的方法和装置，利用双摄像头采集待测物体的影像；根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。从而使双摄像头的手持设备利用高精度的光敏器件通过分析入射角度和影像点的坐标，自动得到待测物体与手持设备的精确距离，增加了手持设备的功能，提高了用户体验。同时避免了人为利用经验估计距离的误差，具备很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明一种利用双摄像头测距的方法流程示意图；

图2为摄像头的组成部件采集物体光线的示意图；

图3为显示屏和被拍摄的影像上某一点的对照示意图；

图4为显示屏上确认任意一点和水平中分线或垂直中分线之间像素个数的示意图；

图5为摄像头的光敏器件上确认任意一点和水平中分线或垂直中分线之间像素个数的示意图；

图6为本发明利用双摄像头确认待测物体上一点与光敏器件的距离的示意图；

图7为本发明一种双摄像头测距的具体实例的结构示意图；

图8为本发明一种利用双摄像头测距的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是利用双摄像头采集待测物体的影像；根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明一种利用双摄像头测距的方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括：

步骤101，利用双摄像头采集待测物体的影像；

步骤102，根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。

具体的，所述待测物体上一点，具体是：用户通过显示屏确定待测物体上的一点。所述待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，具体是：该点的光线经过双摄像头的透镜中点，各自的入射角度，以及双摄像头的光敏器件上的影像点距离各自光敏器件中点的距离。所述确定该点的距离，具体是：利用三角函数关系，根据视差成像和双摄像头的间距确定所述待测物体上一点距离光敏器件的垂直距离。进一步的，如果需要确定的是待测物体上的点距离双摄像头的距离，还需要减去光敏器件距离摄像头的距离。因此能够确定的所述该点的距离包括：该点到摄像头中光敏器件所在平面的垂直距离、和/或该点到双摄像头所在平面的垂直距离。

进一步的，所述入射角度和光敏器件上的影像点距离光敏器件中点的距离可以通过以下原理得到：

首先介绍一下三角函数理论，假设直角三角形的直角边长度分别为边A、边B，斜边长度为边C，假设长度为B的直角边对应的角为β，则有如下公式：

Sin β＝B/C；β＝Sin-1(B/C)；

Cos β＝A/C；β＝Cos-1(A/C)；

tg β＝B/A；β＝tg-1(B/A)；

ctg β＝A/B；β＝ctg-1(A/B)；

ctg β＝1/tg β；

图2为摄像头的组成部件采集物体光线的示意图，如图2所示，所述摄像头的组成部件包括：凸透镜10、光敏器件11。光敏器件11的物理尺寸在生产时就已确定。假设所拍摄的物体1上的某一个点K，产生的入射光线13通过凸透镜10聚焦，在光敏器件11上即可形成影像点K15。

在图2中，虚线为该凸透镜10的光轴12，影像点K15到光轴12的距离为S14，光敏器件11到凸透镜的距离为H，光线13与光敏器件11的夹角，即入射角，为α。由于摄像头在制作时，可保证光轴12与光敏器件11垂直，并已经可知光敏器件11到凸透镜的距离H的数值。根据三角函数理论，则有：α＝tg-1(H/S14)。因此，首先确定S14，然后通过三角函数配合已知的距离H和S14可以确定光线13的入射角度，具体的方法为：

步骤201，用户在显示屏上确认待测物体上一点，获得该点在光敏器件上的影像点距离光敏器件中点的距离；

具体的，随着数字图像处理技术的日益完善，和电子技术、光学技术的发展，显示屏可等比例的实时显示摄像头所拍摄的影像，具有不失真的特点，且显示屏显示的影像中的任一点，与摄像头所拍摄的影像中，有且仅有一个点对应。图3为显示屏和被拍摄的影像上某一点的对照示意图，如图3所示，显示屏显示的影像中的点P1，对应于摄像头所拍摄的影像中的点P2。点P1到影像四边所含像素点个数的比值，与摄像头所拍摄的影像中的对应点P2到影像四边所含像素点个数的比值相同。为了阐述方便，假设：

显示屏显示的影像中，

点P1到A1所含像素点个数为S11，点P1到B1所含像素点个数为S12，

点P1到C1所含像素点个数为S13，点P1到D1所含像素点个数为S14；

摄像头所拍摄的影像中，

点P2到A2所含像素点个数为S21，点P2到B2所含像素点个数为S22，

点P2到C2所含像素点个数为S23，点P2到D2所含像素点个数为S24。

其中，

S11∶S12＝S21∶S22；

S13∶S14＝S23∶S24。

由于显示屏显示区域的物理尺寸在生产时也已确定，并可知。因此可以算出人为选择的点，到显示屏水平中分线，或垂直中分线的像素个数。图4为显示屏上确认任意一点和水平中分线或垂直中分线之间像素个数的示意图，如图4所示。假设：

显示屏长度为S_LCD_Length个像素，在水平方向上的水平中分线35，与显示屏边缘交叉于点F3、点H3；显示屏宽度为S_LCD_Width个像素，在垂直方向上的垂直中分线37与显示屏边缘交叉于点E3、点G3。

点P3到A3所含像素点个数为S31，点P3到B3所含像素点个数为S32，

点P3到C3所含像素点个数为S33，点P3到D3所含像素点个数为S34；

则可以得到：点P3到水平中分线35的像素个数为(S32-S_LCD_Length/2)的绝对值，用数学公式|S32-S_LCD_Length/2|表示；该值还等于(S_LCD_Length/2-S31)的绝对值，用数学公式|S_LCD_Length/2-S31|表示。

点P3到垂直中分线37的像素个数为(S34-S_LCD_Width/2)的绝对值，用数学公式|S34-S_LCD_Width/2|表示；该值还等于(S_LCD_Width/2-S33)的绝对值，用数学公式|S_LCD_Width/2-S33|表示。

同样的原理，图5为摄像头的光敏器件上确认任意一点和水平中分线或垂直中分线之间像素个数的示意图，如图5所示，假设：

光敏器件长度为S_Camera_Length个像素，在水平方向上的水平中分线45，与光敏器件边缘交叉于点F4、点H4；光敏器件宽度为S_Camera_Width个像素，在垂直方向上的垂直中分线47与光敏器件边缘交叉于点E4、点G4。

点P4到A4所含像素点个数为S41，点P4到B4所含像素点个数为S42，

点P4到C4所含像素点个数为S43，点P4到D4所含像素点个数为S44；

则可以得到：点P4到水平中分线45的像素个数为(S42-S_Camera_Length/2)的绝对值，用数学公式|S42-S_Camera_Length/2|表示；该值还等于(S_Camera_Length/2-S41)的绝对值，用数学公式|S_Camera_Length/2-S41|表示。

点P4到垂直中分线47的像素个数为(S44-S_Camera_Width/2)的绝对值，用数学公式|S44-S_Camera_Width/2|表示；该值还等于(S_Camera_Width/2-S43)的绝对值，用数学公式|S_Camera_Width/2-S43|表示。

根据上述原理，由于显示屏是等比例的实时显示摄像头所拍摄的影像，摄像头所拍摄的影像，与显示屏所显示的影像的比例R是固定值，具体为：

R＝|S42-S_Camera_Length/2|∶|S32-S_LCD_Length/2|

R＝|S44-S_Camera_Width/2|∶|S34-S_LCD_Width/2|

现在，手持设备的人机交互功能越来越完善，用户可以方便地人为的选择显示屏上的像素点。例如，用户通过方向键移动液晶显示屏上的光标至需要选择的像素点，然后记录光标所处的坐标，即是需要选择的像素点的坐标。

这样，如果通过用户选择，确定了显示屏上某一个点的坐标，则公式

R＝|S42-S_Camera_Length/2|∶|S32-S_LCD_Length/2|

R＝|S44-S_Camera_Width/2|∶|S34-S_LCD_Width/2|中，

可知R、S32、S34、S_LCD_Length、S_LCD_Width的值，对公式进行推导，可得：

S42＝R*|S32-S_LCD_Length/2|+S_Camera_Length/2

S44＝R*|S34-S_LCD_Width/2|+S_Camera_Width/2

由此可以在显示屏上确定一点，进一步获得该点在光敏器件上的坐标位置。由于光敏器件的像素点已知，并且是矩阵排列，可以依据坐标计算出每个像素点所占有的物理尺寸。例如，光敏器件的物理尺寸横向为1毫米，纵向为0.8毫米；像素点矩阵排列为横向含有100个像素，纵向含有80个像素。则每个像素点在横向占有的物理尺寸为1/100＝0.01毫米，每个像素点在纵向占有的物理尺寸为0.8/80＝0.01毫米。据此可以得到图2中影像点K15到摄像头敏感器的光轴12的垂直距离S14的数值，即光敏器件上的影像点距离光敏器件中点的距离。

步骤202，根据光敏器件上的影像点距离光敏器件中点的距离，确定入射角度。

具体的，通过公式tg(α)＝H/S14，即可得到光线13与光敏器件11的夹角α的正切值，即入射角度。

图6为本发明利用双摄像头确认待测物体上一点与光敏器件的距离的示意图，如图6所示，第一摄像头的第一光轴22平行于第二摄像头的第二光轴32；第一摄像头的第一凸透镜20与第一光敏器件21的垂直距离，相同于第二摄像头的第二凸透镜30与第二光敏器件31的垂直距离；第一摄像头的第一光敏器件21与第二摄像头的第二光敏器件31在同一个平面上。

为了描述方便，这里用一些变量来表示本发明的一些物理含义，因此假设：第一摄像头的第一凸透镜20与第一光敏器件21的垂直距离用H表示；双摄像头同时拍摄到的物体的一个点，用点K表示，需要特殊说明的是图6中为了方便说明，因此放大了第一摄像头和第二摄像头的部分，而两个摄像头入射光线的点K实际是同一点；

点K发出的光线23，通过第一摄像头的第一凸透镜20，在光敏器件21上的第一影像点用K25表示，点K25到第一摄像头的第一光轴22的垂直距离用S24表示，光线23与第一摄像头的第一光敏器件21形成的夹角用α1表示；

点K发出的光线33，通过第二摄像头的第二凸透镜30，在光敏器件31上的第二影像点用K35表示，点K35到第二摄像头的第二光轴32的垂直距离用S34表示，光线33与第二摄像头的第二光敏器件31形成的夹角用α2表示；

点K到第一摄像头的第一光敏器件21的垂直距离用X表示；

点K在第一摄像头的第一光敏器件21所在的平面的垂直点用点K26表示；

点K26到第一摄像头的第一光轴22垂直距离用SX27表示；

点K26到第二摄像头的第二光轴32垂直距离用SX37表示。

则：

SX37-SX27＝S；

根据三角函数定式可知：

tg(α1)＝H/S24；

tg(α2)＝H/S34；

SX27+S24＝X/tg(α1)；

SX37+S34＝X/tg(α2)；

因此：

(SX37+S34)-(SX27+S24)＝(X/tg(α2))-(X/tg(α1))；

则：

S+S34-S24＝X*(1/tg(α2)-1/tg(α1))；

所以：

X＝(S+S34-S24)/(1/tg(α2)-1/tg(α1))；

其中：双摄像头间距S、第二摄像头中影像点距离光敏器件中点的距离S34、第一摄像头中影像点距离光敏器件中点的距离S24、第二摄像头中入射角度α2、第一摄像头中入射角度α1都为可知数值，因此可计算出X的数值，这样可得点K到第一摄像头的第一光敏器件21所在的平面的垂直距离。

图7为本发明一种双摄像头测距的具体实例的结构示意图，如图7所示，选定第一摄像头41与第二摄像头42，所拍摄的物体40的一个点，用点K43表示。假设第一摄像头41中的第一凸透镜到光敏器件的距离为3.0毫米，同样，第二摄像头42中的第二凸透镜到光敏器件的距离也为3.0毫米，第一摄像头与第二摄像头的距离为65毫米，即

H＝3.0，S＝65。

进一步的：液晶显示屏显示的影像在水平方向上含有800个像素，液晶显示屏显示的影像在垂直方向上含有600个像素，并以液晶显示屏显示的影像的左下角顶点为原点，建立液晶显示屏图像坐标，可得液晶显示屏影像的垂直中分线公式为y_LCD＝400；摄像头光敏器件所拍摄的影像在水平方向上含有800个像素，每个像素在水平方向上的长度Length_x＝0.01毫米；摄像头光敏器件所拍摄的影像在垂直方向上含有600个像素，每个像素在垂直方向上的长度Length_y＝0.01毫米；并以摄像头光敏器件所拍摄的影像的左下角顶点为原点，建立摄像头光敏器件影像坐标，可得摄像头光敏器件影像的垂直中分线公式为y_Camera＝400。假设摄像头所拍摄的影像，与液晶显示屏所显示的影像的比例R＝1。

用户在第一摄像头41拍摄的图片中，利用按键选中点K在第一摄像头41中形成的第一影像点K25，在第一液晶显示屏图像坐标中，点K25的坐标(x1，y1)为(500，300)。即x1＝500，y1＝300。在第二摄像头42拍摄的图片中，点K在第二摄像头42中形成的第二影像点K35，在第二液晶显示屏图像坐标中，点K35的坐标(x2，y2)为(520，300)。即x2＝520，y2＝300。

由于液晶显示屏影像的垂直中分线公式为y_LCD＝400，因此第一影像点K25到第一液晶显示屏图像垂直中分线22的距离S24为：

S24＝|x1-y_LCD |＝|500-400|＝100(像素)；

第二影像点K35到到第二液晶显示屏图像垂直中分线32的距离S34为：

S34＝|x2-y_LCD |＝|520-400|＝120(像素)。

由于液晶显示屏所显示的影像的比例R＝1，则在光敏器件上

S24_Camera包含有S24/R＝100/1＝100(像素)，

S34_Camera包含有S34/R＝120/1＝120(像素)，

则：

S24_Camera_Length＝S24_Camera*Length_x＝100*0.01＝1.00(毫米)，

S34_Camera_Length＝S34_Camera*Length_x＝120*0.01＝1.20(毫米)。

然后分别计算物体40上的点K在第一摄像头41、第二摄像头42的入射角度的正切值：

tg(α1)＝H/S24＝3.0/1＝3.0；

tg(α2)＝H/S34＝3.0/1.2＝2.5；

最后计算物体40的上的点K到第一摄像头41中的第一光敏器件所在平面的距离X：

X＝(S+S34-S24)/(1/tg(α2)-1/tg(α1))

＝(65+1.2-1.0)/(1/2.5-1/3.0)

＝65.2/(0.400-0.333)

＝973.13(毫米)

即点K到第一摄像头41中的光敏器件所在平面的垂直距离X为973.13毫米，进一步的，物体40的指定点到双摄像头的垂直距离为X-H＝970.13毫米。

图8为本发明一种利用双摄像头测距的装置结构示意图，如图8所示，所述装置包括：第一摄像头81、第二摄像头82和测距模块83，其中，

所述第一摄像头81和所述第二摄像头82，用于采集待测物体的影像，将待测物体上一点在两个摄像头中的视差成像发送给测距模块83；

具体的，所述待测物体上一点，具体是：用户通过显示屏确定待测物体上的一点。所述待测物体上一点在两个摄像头中的视差成像，具体是：该点的光线分别经过两个摄像头的透镜中点，各自的入射角度，以及两个摄像头光敏器件上的影像点距离各自光敏器件中点的距离。

所述测距模块83，用于根据视差成像确定该点的距离。

具体的，所述测距模块83根据视差成像确定该点的距离，具体是：利用三角函数关系，根据视差成像和第一摄像头81和第二摄像头82的间距确定所述待测物体上一点距离光敏器件的垂直距离。进一步的，如果需要确定的是待测物体上的点距离双摄像头的距离，还需要减去光敏器件距离摄像头的距离。因此能够确定的所述该点的距离包括：该点到摄像头中光敏器件所在平面的垂直距离、和/或该点到双摄像头所在平面的垂直距离。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用双摄像头测距的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用双摄像头采集待测物体的影像；

根据待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，确定该点的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该点的距离，包括：该点到摄像头中光敏器件的垂直距离、和/或该点到双摄像头所在平面的垂直距离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待测物体上一点，具体是：用户通过显示屏确定待测物体上的一点。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，具体是：该点的光线经过双摄像头的透镜中点，各自的入射角度，以及双摄像头的光敏器件上的影像点距离各自光敏器件中点的距离。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确定该点的距离，具体是：利用三角函数关系，根据视差成像和双摄像头的间距确定所述待测物体上一点距离光敏器件所在平面的垂直距离。

6.一种利用双摄像头测距的装置，其特征在于，所述装置包括：第一摄像头、第二摄像头和测距模块，其中，

所述第一摄像头和所述第二摄像头，用于采集待测物体的影像，将待测物体上一点在两个摄像头中的视差成像发送给测距模块；

所述测距模块，用于根据视差成像确定该点的距离。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测距模块确定的该点的距离，包括：该点到摄像头中光敏器件的垂直距离、和/或该点到双摄像头所在平面的垂直距离。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述第一摄像头和第二摄像头采集的待测物体上一点，具体是：用户通过显示屏确定待测物体上的一点。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述第一摄像头和第二摄像头采集到的待测物体上一点在双摄像头中的视差成像，具体是：该点的光线分别经过两个摄像头的透镜中点，各自的入射角度，以及双摄像头的光敏器件上的影像点距离各自光敏器件中点的距离。

10.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述测距模块确定该点的距离，具体是：利用三角函数关系，根据视差成像和两个摄像头的间距确定所述待测物体上一点距离光敏器件所在平面的垂直距离。

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