CN102095406A - 一种摄像机与激光结合的光学测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种摄像机与激光结合的光学测距装置。包括支架、一台中型或大型摄影摄像机、激光器以及反光镜；摄像机和激光器安装在支架上，反光镜位于摄像机镜头前的支架上。本发明的光学和视觉技术相结合的测距装置通过在支架上设置一台中型或大型摄影摄像机、激光器以及反光镜，实现对景物距离的测量。是基于光学三角测距原理，设计的一种光学和视觉技术相结合的测距装置。具有结构简单、使用方便、支架非结构性形变对测量结果无影响的特点。可用于距离测量。

Description

一种摄像机与激光结合的光学测距装置

技术领域

本发明涉及的是一种距离测量装置。

背景技术

距离的测量对国防建设和国民经济的发展都有重要意义。无论军事还是民用领域都有着广泛的需求，许多领域都在不断引用最新技术来提高测距水平。由于激光具有发散角小，激光脉冲持续时间短，瞬时功率极大(可以达兆瓦以上)、方向性好、单色亮度高的特点，因而可以达到极远的测程。用激光做光源的测距仪具有速度快、精度高、体积小、测程远、非接触等优点。激光测距已经被应用了许多年，其种类繁多，但按其原理来分，主要有脉冲测距、相位测距和光学三角测距。脉冲激光测距机和相位测距具有体积小、重量轻、集成度高、精度高、速度快、易操作等特点。光学三角测距技术是以激光器或发光二极管为光源，在三角法测量原理的基础上，结合电子学处理方法发展而成的多维动态测距技术。三角法是一种几何的方法，被测物体所在的位置就是被测三角形的一个顶点，而作为测量系统的一部分，三角形的另外两个顶点间的距离或角度信息是事先已知的。通过测量三角形角的大小或者三角形基线的长短，就可以得到被测物体的距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，使用方便、精度较高、支架非结构性形变对测量结果无影响的摄像机与激光结合的光学测距装置。

本发明的摄像机与激光结合的光学测距装置包括支架、一台中型或大型摄影摄像机、激光器以及反光镜；摄像机和激光器安装在支架上，反光镜位于摄像机镜头前的支架上。

本发明还可以包括：

反光镜通过转轴安装在支架上，支架上还设置有反光镜角度调节旋钮和位置调节旋钮。

激光器的中轴线与摄像机的中轴线相互垂直。

反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的矩形刻线。

反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的圆形刻线。

本发明的光学和视觉技术相结合的测距装置通过在支架上设置一台中型或大型摄影摄像机、激光器以及反光镜，实现对景物距离的测量。是基于光学三角测距原理，设计的一种光学和视觉技术相结合的测距装置。具有结构简单、使用方便、支架非结构性形变对测量结果无影响的特点。可用于距离测量。

附图说明

图1光学和视觉技术相结合的测距装置结构示意图。

图2景物距离计算原理图。

图3反光镜旋转方案计算原理图。

图4反光镜正面示意图。

图5带圆形刻线反光镜正面示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1、图4和图5。本光学和视觉技术相结合的测距装置主要由支架1、一台中型或大型摄影摄像机2、激光器3以及反光镜4组成。其中所述的反光镜4位于摄像机2镜头前的支架1上。角度调节旋钮5调节反光镜4绕转轴5转动，实现角度调节。位置调节旋钮7用以调节反光镜4与摄像机2的相对位置，反光镜4的横向中心线由横向中心刻线8标示出来，反光镜4的纵向中心线由纵向中心刻线9标示出来，反光镜4上有相对于中心刻线8、9对称的矩形刻线10或圆形刻线11。

进行距离测量时，调节旋钮6、7使反光镜4反射的激光点在摄像机2上有较好的成像效果。然后对得到的图像进行处理，最终得到深度(距离)信息。

下面对距离信息的求取计算进行简单介绍：

图2所示为景物距离计算原理图，以摄像机轴线与靶面平面的交点为原点，以反光镜纵中心线在靶面平面成像所在直线为x轴，指向被测点的方向为x轴正方向，摄像机轴线为y轴，指向反光镜的方向为y轴正方向。图中F(k，n)为激光器轴线与摄像机轴线的交点，P(k1.n1)为被测点，W3(h3，L3)为被测点光路与反光镜的交点，M2(x2，y2)为P在靶面上的成像点，W1(h1，L1)为反光镜矩形刻线的前边在成像光路平面上的点，M1(x1，y1)为W1在靶面上的成像点，W(h，L)为反光镜中心线在成像光路平面的点，M(x，y)为W在靶面上的成像点，W2(h2，L2)为反光镜矩形刻线的前边在成像光路平面上的点，M2(x2，y2)为W2在靶面上的成像点，摄像机焦距为f，反光镜上矩形刻线纵向边长为S，其中f、S为已知量。根据透镜成像原理有公式：

$L1=f-\frac{f*h1}{x1}---\left(1\right)$

$L=f-\frac{f*h}{x}---\left(2\right)$

$L2=f-\frac{f*h2}{x2}---\left(3\right)$

$L3=f-\frac{f*h3}{x3}---\left(4\right)$

由几何关系可得：

$L=\frac{L1+L2}{2}---\left(5\right)$

$h=\frac{h1+h2}{2}---\left(6\right)$

(L2-L1)²+(h2-h1)²＝S²            (7)

联立公式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(7)可求得h1、L1、h、L、h2、L2

$h1=\frac{S*(x-x2)*x1}{\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}---\left(8\right)$

$L1=\frac{S*(x2-x)*f}{\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}+f---\left(9\right)$

$h=\frac{S*(x1-x2)*x1}{2\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}---\left(10\right)$

$L2=\frac{S*(x2-x1)*f}{2\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}+f---\left(11\right)$

$h2=\frac{S*(x1-x)*x2}{\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}---\left(12\right)$

$L2=\frac{S*(x-x1)*f}{\sqrt{{(x*x1+x*x2-2*x1*x2)}^2+{(x1+x2-2*x)}^2*f^2}}+f---\left(13\right)$

由几何关系可得：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{h1-h2}{L1-L2}---\left(14\right)$

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{h3-h1}{L3-L1}---\left(15\right)$

由式(4)、(14)、(15)得

$h3=\frac{(f*h1-f*h2+L1*h2-L2*h1)*x3}{x3*(L1-L2)+f*(h1-h2)}---\left(16\right)$

$L3=\frac{(f*h2-f*h1-L1*h2+L2*h1)*f}{x3*(L1-L2)+f*(h1-h2)}+f---\left(17\right)$

有：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{h3}{L3-f}---\left(18\right)$

β＝π-2*θ+α                (19)

进而可求得：

k1＝(L3-n)*tanβ+h3-k         (20)

在实际应用中，如果系统实时性要求不高，可通过旋转反光镜获得两幅图像求深度信息，即反光镜在一定角度下获得一幅成像图，可计算出此时的h3、L3和角度β。然后将反光镜旋转一定角度，获得另一幅图，可计算出旋转后各变量的数值，此处分别对应记为h31、L31、β1，如图3所示，由几何关系可得到公式：

k1＝(L31-n)*tanβ1+h31-k      (21)

k1＝(L3-n)*tanβ+h3-k         (22)

又由k＝0，由公式(21)和公式(22)得：

$k1=\frac{L31*\tan \mathrm{\β}1-L3*\tan \mathrm{\β}1-h3+h31}{\tan \mathrm{\β}-\tan \mathrm{\β}1}+h3---\left(23\right)$

由公式(23)可以看出，激光器在位置和角度变化后，对测量结果没有影响，反光镜的位置亦不影响测量结果。利用该方法还可以对激光器的位置和角度进行校对。

实际应用中，反光镜上的矩形刻线可用圆形刻线代替，这样进行距离计算时以光路所在平面为研究对象，便于计算。

Claims (7)

1.一种摄像机与激光结合的光学测距装置，包括支架、一台中型或大型摄影摄像机、激光器以及反光镜；其特征是：摄像机和激光器安装在支架上，反光镜位于摄像机镜头前的支架上。

2.根据权利要求1所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：反光镜通过转轴安装在支架上，支架上还设置有反光镜角度调节旋钮和位置调节旋钮。

3.根据权利要求1或2所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：激光器的中轴线与摄像机的中轴线相互垂直。

4.根据权利要求1或2所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的矩形刻线。

5.根据权利要求3所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的矩形刻线。

6.根据权利要求1或2所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的圆形刻线。

7.根据权利要求3所述的一种摄像机与激光结合的光学测距装置，其特征是：反光镜上有横向中心刻线、纵向中心刻线和相对于中心刻线对称的圆形刻线。

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