CN102865849A - 一种用于测距的拍摄装置及测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测距的拍摄装置，包括照明模块、镜头组、传感器模块和图像处理单元。本发明还公开了一种测距方法，该方法包括如下步骤：步骤一、不同颜色的单色光从不同角度向目标物体照射同种颜色的光以扩散的方式射出；步骤二、对目标物体进行拍摄，传感器将光信号图像转换为电信号图像；步骤三、图像处理单元接收所述电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体所处的空间位置。本发明通过各单色光照射到目标物体表面，通过拍摄一副图像，由图像中目标物体本身各个点所对应的像素亮点来计算出相对位置。以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。
Description
技术领域
本发明涉及光学测距领域，特别涉及一种用于测量距离的拍摄装置，本发明还提供了一种测距方法。
背景技术
技术研发、工业应用和日常应用中，精确测量目标物体的距离的需求越来越多。
现有光学测量技术中常用这两种方法实现测距。一种是激光测距仪，激光测距原理是由激光器发射激光照射物体，通过接受物体表面漫反射的激光信号，计算激光的传播时间来确定目标的距离。这种方法是采用通过计算介质的折返时间来换算出的距离，由于目标物体的形状不规则性，对介质的吸收反射的不同，故通过对时间的技术来得到目标物的距离存在很多局限性。
另外一种是使用红外线或可见光结构光线的方法。当某种光构造的图案投射到目标物体时，人们可以根据光线形成图案的变形情况来测距。例如，当很多圆点投射到目标物体上时，圆点的密度可以用来决定距离。圆点越密集，物体的距离就越近。
例如，激光测距仪只能测量点对点的单个目标点的距离。结构光线不能或是很难测量很暗的或无反射性的目标物体。并且，目标物体的边缘会打乱投射到其本身的光线图案，从而导致出错。由于只有一种构造的光线可以使用，所以使用这种方法不能测量较长的距离，它的工作范围受到了限制。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于测距的拍摄装置，通过布置特殊的光场，分析目标物体在该光场下的反射光谱特性，从而达到测距、定位的目的。
本发明的另一个目的在于提供一种测距方法，通过布置特殊的光场，分析目标物体在该光场下的反射光谱特性，从而达到测距、定位的目的。
本发明一种用于测距的拍摄装置的技术方案为，包括照明模块、镜头组、传感器模块和图像处理单元；所述照明模块至少包括2种具有不同发光颜色的发光器件，不同颜色的光从不同角度照射目标物体，同种颜色的光以扩散的方式射出；所述镜头组包括若干镜头，不同镜头从不同角度拍摄目标物体；所述传感器模块将目标物体所反射的光信号转换为电信号；所述图像处理单元预先记录有拍摄区域不同位置的光谱特点，接收目标物体的电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体的空间位置。
本发明通过各单色光照射到目标物体表面，从而便于摄像头定焦，由多个摄像头拍摄到清晰图像，再运用相应的算法算出距离。尤其适用于形状不规则或面积比较大的目标物体。通过拍摄一副图像，由图像中目标物体本身各个点所对应的像素亮点来计算出相对位置。以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。同种颜色的光以扩散的方式射出，从而使光照覆盖拍摄区域，并形成不同位置的照射强度随与光源距离变化而变化的趋势。
本发明采用多镜头还具有辅助测距的功能。不同颜色的光照射利于对不同物体或同物体不同部位进行标记，再利用多个镜头从不同角度拍摄，进行测距。
优选的，所述发光器件为LED。
LED具有颜色单一性好、成本低、可选颜色多、稳定性好，寿命长等优点。
优选的，所述不同发光颜色的发光器件包括红色、绿色和蓝色的发光器件。
R、G、B三色光是各数码领域常用的颜色处理方案，使用R、G、B的搭配，能够尽量与当前市场上的电子处理设备兼容。
优选的，所述不同发光颜色的照明元件分别安装在不同的单元模块上，这些单元模块放在不同的位置对拍摄物体进行照射。
将不同发光颜色的照明元件安装在不同的单元模块上，有利于组合配置。
优选的，至少一个单元模块位于镜头组中间。
优选的，所述传感器具有多个，所有拍摄传感器组成一个传感器平面；所述一个传感器对应多个镜头或者传感器和镜头一一对应。
镜头和传感器既可以采用一一对应的方式设置，还可以采用所有镜头对应一个传感器，多个镜头对应一个传感器而其余镜头各自对应一个传感器，以及一个镜头对应多个传感器的设置方式等等。关于传感器和镜头的设置，对应方式，取决于后期数据处理的需求以及传感器设置的需求。其中同一传感器对应多个镜头的方式，有利于简化传感器的加工工艺。
优选的，所有镜头排列成一个镜头面，镜头面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干个平面以一定折角的方式拼接的组合面。从而使镜头排列更加紧凑合理。
优选的，包括RGB信号采集器，传感器所拍摄得到的图像数据通过RGB信号采集器传给图像处理单元。
优选的，每种发光颜色的LED具有若干，该LED以面状阵列方式布置，所述面状阵列为平面发光阵列或有利于聚光的弧面发光阵列。
通过使用各种阵列的方式，使LED光照更加均匀，尽量充分满足高速运动目标的光照需求。
本发明一种测距方法的技术方案为，包括照明模块、镜头组、传感器模块和图像处理单元；所述照明模块能发射出两种以上的单色光，所述镜头组包括至少两个镜头，所述图像处理单元记录有拍摄区域在照明模块照射下不同位置的光谱特点；
该方法包括如下步骤：
步骤一、不同颜色的单色光从不同角度向目标物体照射，同种颜色的光以扩散的方式射出；
步骤二、对目标物体进行拍摄，传感器将光信号图像转换为电信号图像；
步骤三、图像处理单元接收所述电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体所处的空间位置。
本发明通过各单色光照射到目标物体表面，从而便于摄像头定焦，由多个摄像头拍摄到清晰图像，再运用相应的算法算出距离。尤其适用于形状不规则或面积比较大的目标物体。通过拍摄一副图像，由图像中目标物体本身各个点所对应的像素亮点来计算出相对位置。以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。同种颜色的光以扩散的方式射出，从而使光照覆盖拍摄区域，并形成不同位置的照射强度随与光源距离变化而变化的趋势。
优选的，不同颜色的光照射利于对不同物体或同物体不同部位进行标记，再利用多个镜头从不同角度拍摄，进行测距。本发明采用多镜头具有辅助测距的功能。
优选的，在所述步骤一前还有建立目标物体反射特性的步骤，该步骤为，目标物体位于已知空间位置，测量该位置的照射光亮度，以及测量目标物体在该位置处的反射光亮度，其亮度对比关系即为目标物体的反射特性。
优选的，所述反射特性用于校准步骤三中图像处理单元所接收到的电信号图像。
优选的，所述建立目标物体反射特性的步骤时，目标物体自身不发光状态，拍摄环境为无光环境。
在目标物体静止、环境黑暗的情况下建立目标物体的反射特性，该反射特性更加准确。
优选的，包括去模糊步骤，该步骤为，多个镜头从不同角度进行拍摄，依据不同镜头所拍摄得到的同一时间点不同视角的图像数据处理模糊的图像，或者用于存储样本的3D信息。
优选的，所述图像处理单元将电信号图像进行算法合成为动态视频。
优选的，图像处理单元分析电信号图像中目标物体所对应各个像素点的光谱特性，并计算出各像素点所对应空间的相对位置。
通过拍摄图像，由电信号图像中目标物体本身各个点所对应的像素亮点来计算出其实际空间的相对位置，以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。
优选的，所述至少有一种单色光从镜头组的中间位置照向目标物体。
优选的，所述发出的单色光包括红光、绿光和蓝光。
R、G、B三色光是各数码领域常用的颜色处理方案，使用R、G、B的搭配，能够尽量与当前市场上的电子处理设备兼容。
优选的，包括RGB信号采集器，拍摄到的电信号图像经由RGB信号采集器传送给图像处理单元。
附图说明
图1为本发明实施例拍摄装置的框架连接示意图
图2为本发明实施例拍摄装置的整体结构示意图
图3为本发明实施例拍摄装置的镜头组结构示意图
图4为本发明实施例拍摄装置的LED光源模块示意图
图5为本发明实施例拍摄装置的镜头与传感器布置关系示意图
图6为本发明实施例一种测距方法的原理图
图7为本发明实施例多镜头测距的原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步说明：
如图1和图2所示，一种用于测距的拍摄装置，包括镜头组1、传感器模块3、照明模块2和图像处理单元5。
所述镜头组1包括多个镜头，多个镜头协同工作可以提高图像的清晰度。所有摄像镜头排列成一个镜头面，镜头面可以是平直的表面，还可以是具有弧度的弧面，还可以是由若干个平面以具有一定折角的方式拼接的组合面，根据所需拍摄的目标物体的具体情况而定。摄像镜头之间可以紧密排列也可以具有一定空隙，只要形成一个镜头面即可。多个镜头通过一体成型方式或拼接方式固定成一个镜头面。
采用多镜头，因为不同的镜头的视角不同，还可以对不同的颜色的标记进行测距。
本实施例中，包括四个镜头，该四个镜头呈矩的方式排列，即矩形排列；每两个镜头通过一体成型方式或拼接方式固定连接，而形成一个镜头模块。如图3所示，两个镜头通过一体成型方式固定连接，呈上下排列。
在其他实施例中，所述摄像镜头还可以是两个，呈上下排列，或三个，成三角形排列，以及四个以上。
所述传感器模块3包括若干传感器，本实施例中，传感器的数量与镜头数量一致，传感器和镜头之间为一一对应的关系。所有传感器组成一个传感器面，每个镜头对应一个独立的传感器，便于传感器对数据进行处理。常用的传感器有CCD、CMOS等拍摄传感器。
如图5所示，为镜头和传感器之间的布置示意图，镜头与物体之间的距离为p，像镜头的直径宽度为d，镜头与传感器之间的距离为μ。物像经过镜头后投射在传感器上，传感器记录该物像，使之从光信号转换为方便处理的电信号，得到拍摄的图像。
在其他实施例中，镜头和传感器可以不采用一一对应的方式设置，如所有镜头对应一个传感器，多个镜头对应一个传感器而其余镜头各自对应一个传感器，以及一个镜头对应多个传感器等等。关于传感器和镜头的设置，对应方式，取决于后期数据处理的需求以及传感器设置的需求。其中同一传感器对应多个摄像镜头的方式，有利于简化拍摄传感器的加工工艺。
所述照明模块2能够发射出两种以上的单色光，各单色光的波长不同。在实际应用中，通常只有激光是近乎绝对的单一波长（如选用激光器，须利用透镜系统分散激光束，使激光从不同角度辐射出去）；而其他照明元件，如LED，所发出的单色光通常是指波长范围很小的单色光，选择此类照明元件时，各单色光的波长范围不能有重叠。
照明模块2所发出的各单色光从不同角度照向拍摄物体。一种优选的方案是，不同发光颜色的照明元件分别安装在不同的单元模块上，这些单元模块放在不同的位置对拍摄物体进行照射；每个单元模块的单色光从不同角度出射，以覆盖一个较大的照射区域。且，至少有一个单元模块放在镜头阵列之间，其他单元模块位置对称、并以一定的角度排列在摄像头组两边的位置。
在本实施例中，照明模块2使用了LED作为发光元件。近年来，LED(发光二极管)的发展非常迅速，日常及工业应用越来越普及，使得它降低了生产成本并提高了性能；而且LED光源的效率非常高、颜色的配置很多，具有快速响应的被控性；还具有绿色、环保、节能、寿命长的特点。
LED照明模块2选择R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）三种LED发光元件，为增加亮度以满足远距离对光照亮度的要求，每种颜色的LED具有若干个，以阵列的形式分别集成在三个单元模块上，绿色单元模块放在镜头阵列的中间的位置，红色和蓝色单元模块对称放在镜头组1两边。对于远距离的测距拍摄，也可以配置为分散的光源系统。
同种颜色的LED发光元件有序地排列集成在一起，可以是集成在同一平面内，也可以集成为带弧度的有利于聚光的发光面。
如图4所示，同种颜色的LED发光元件以阵列的方式集成在一个单元模块上。
在其他实施例中，还可以采用其他的颜色，如紫、黄、青等；还可以使用两种颜色的组合，如蓝、黄组合，青、红组合，紫、绿组合等。目前，在数字图像处理方面，使用较多的是R、G、B的组合，且R、G、B的LED产品也比较常见，价格低，发光质量好，故而本实施例选择采用R、G、B的优选组合方式。
照明模块2与摄像头组可以在同一平面内，也可以不在同一平面内。照明模块2的照射角度按照实际测距的目标物体的大小和距离来决定，以能够照射到物体并形成各种颜色的区域为最终目的，即，使目标物体处于各种颜色光同时照射到的区域之内。
由于各不同发光颜色的单元模块，所发出的光是以分散辐射的方式发射出去的，例如呈扇形射出，因而在其照射方向上，随着距离的变化，某一点位置的照度发生变化，同一物体在不同距离的位置处的反射光的亮度也不同。由于不同发光的单元模块是从不同角度照射的，物体处于不同的光场变化区域内，所反射回来的光具有不同光谱特点，提前记录不同位置的光谱特点，将此时的物体拍摄下来，分析其光谱特性，对比提前记录的光谱特点，即可计算出物体所处的空间位置，进而实现测距等各种目的。
所述图像处理单元5预先记录不同位置的光谱特点，并分析物体的反射光谱特性，对比提前记录的光谱特点，计算出物体所处的空间位置。
在本实施例中，还包括RGB信号采集器4。在LED光源的照明下，镜头和传感器拍摄获取到一副图像，然后由传感器将获取的图像上传至RGB信号采集器4，最后将图像数据提交到图像处理单元5进行数据处理。
所述图像处理单元5还可以将RGB信号采集器4中接收的图像电信息，并进行算法合成为动态视频，转送到外部计算机。
所述图像处理单元5还用于根据外部控制信号调节传感器、镜头的工作状态。因为图像处理单元5根据外部设备输入的控制信号调节传感器、镜头的工作状态，所以使本装置始终工作在较理想的状态，保证采集和输出的动态视频信号准确。
图1和图2中所示，编号为6的装置为开关装置,7为数据线。
本实施例通过LED各色光源照射到目标物体表面，从而便于摄像头定焦，由多个摄像头拍摄到清晰图像，再运用相应的算法算出距离。尤其适用于形状不规则或面积比较大的目标物体。通过拍摄一副图像，由图像中目标物体本身各个点的像素亮点来计算出相对位置。以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。
图6所示为本发明具体实施例测距方法的原理示意图：
按照要进行距离测量的目标物体的大概距离调整好LED各色光源单元模块的位置。对于距离较近的物体8或可见表面积较小的物体，可以采取集中地布置光源的方式；对于距离较远的物体9或可见表面积较大的物体，就要采用分散地布置光源的方式。无论采用何种布置光源的方式，最终都需要在目标物体表面形成摄像头可捕捉到的各色光源形成的色谱图案。
对表面形成色谱图案的目标物体进行拍照，将图片经由传感器送至RGB信号采集器4中。为了增强图片的清晰度和层次感，多个镜头可以协同工作。各个镜头的快门同时动作，拍摄到的图片也经由传感器送至RGB信号采集器4中。
将RGB信号采集器4中的图像送入到图像处理单元5中进行处理，根据获取的图片中的色谱图案，通过算法计算出目标物体各点的位置距离。
目标物体的表面需是半反射性的，自然界的大多数物体都是这种性质的，例如，金属、衣服、木头、塑料、建筑材料等等。
综上，本实施例的测距方法包括如下步骤：
步骤一、不同颜色的单色光从不同角度向目标物体照射，各单色光呈扇形照向目标物体。
步骤二、对目标物体进行拍摄，传感器将光信号图像转换为电信号图像，
步骤三、图像处理单元5接收所述电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体所处的空间位置。
图像处理单元5分析电信号图像中目标物体所对应各个像素点的光谱特性，并计算出各像素点所对应空间的相对位置。
在所述步骤一前还有建立目标物体反射特性的步骤，该步骤为，目标物体位于已知空间位置，测量该位置的照射光亮度，以及测量目标物体在该位置处的反射光亮度，其亮度对比关系即为目标物体的反射特性。所述反射特性用于校准步骤三中图像处理单元所接收到的电信号图像。
建立目标物体反射特性的步骤时，目标物体自身不发光状态，拍摄环境为无光环境。在目标物体静止、环境黑暗的情况下建立目标物体的反射特性，该反射特性更加准确。
本实施例测距方法还包括去模糊步骤，该步骤为，多个镜头从不同角度进行拍摄，依据不同镜头和传感器所拍摄得到的同一时间点不同视角的图像数据处理模糊的图像，或者用于存储样本的3D信息。
通过拍摄图像，由电信号图像中目标物体本身各个点所对应的像素亮点来计算出其实际空间的相对位置，以解决传统的测距方法每次测量只能测一个点的位置这种限制。
所述至少有一种单色光从镜头组的中间位置照向目标物体。
所述发出的单色光包括红光、绿光和蓝光。R、G、B三色光是各数码领域常用的颜色处理方案，使用R、G、B的搭配，能够尽量与当前市场上的电子处理设备兼容。
采用多镜头，因为不同的镜头的视角不同，还可以对不同的颜色的标记进行测距。
图6是利用LED照明模块2和镜头测距方法的镜头布置示意图；它说明了当距离改变，目标物体上的光线色谱也会随之改变。此光线色谱有两种用途：一个是标定目标物体的距离，另一个用途是作为摄像头可以捕捉到的标识点，以便于进行立体感的距离测量。对于第一种用途，颜色的色谱图案可以投射到空间，在真正进行测距之前，这种彩色色谱可以被标准化出来。就像图6所示，近距离的目标物体8从顶端到底部具有R（红色），G（绿色），B（蓝色）三种颜色的排列；远距离的目标物体9从顶端到底部具有B（蓝色），G（绿色），R（红色）三种颜色的排列。对于第二种用途，多种颜色的色谱图案可以用于立体测距。使用越多的颜色光谱图案，测距就会越精确。通常来说，颜色的光谱图案的使用是没有限制的。上述色谱图案具体体现为光谱特点、光谱特性、光谱曲线等。
利用了两个镜头或多镜头获得目标与镜头间的距离D的原理，如图7所示两个镜头（S1和S2）为例，目标被LED所照射成C0、C1、C2、C3等颜色。目标点O1被照明成颜色C1和C2的中间色，两个镜头的中心与目标点O1形成一个任意的三角形，两个镜头中心的距离L已知的，两个角度a、b通过测量可获得，则可以算出三角形的其余两边，即距离D1可以计算。对于目标点O2而言，则被照明C4和C5的中间色，两个角度c、d通过测量可容易地获得，距离D2也可以同样的计算得到。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (18)
1.一种用于测距的拍摄装置，其特征在于：包括照明模块、镜头组、传感器模块和图像处理单元；
所述照明模块至少包括2种具有不同发光颜色的发光器件，不同颜色的光从不同角度照射目标物体,同种颜色的光以扩散的方式射出；
所述镜头组包括若干镜头，不同镜头从不同角度拍摄目标物体；所述传感器模块将目标物体所反射的光信号转换为电信号；
所述图像处理单元预先记录有拍摄区域不同位置的光谱特点，接收目标物体的电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体的空间位置。
2.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：所述不同发光颜色的发光器件包括红色、绿色和蓝色的发光器件。
3.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：所述不同发光颜色的照明元件分别安装在不同的单元模块上，这些单元模块放在不同的位置对拍摄物体进行照射。
4.按照权利要求3所述的拍摄装置，其特征在于：至少一个单元模块位于镜头组中间。
5.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：所述传感器具有多个，所有拍摄传感器组成一个传感器平面；所述一个传感器对应多个镜头或者传感器和镜头一一对应。
6.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：所有镜头排列成一个镜头面，镜头面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干个平面以一定折角的方式拼接的组合面。
7.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：包括RGB信号采集器，传感器所拍摄得到的图像数据通过RGB信号采集器传给图像处理单元。
8.按照权利要求1所述的拍摄装置，其特征在于：所述发光器件为LED。
9.按照权利要求8所述的拍摄装置，其特征在于：每种发光颜色的LED具有若干，该LED以面状阵列方式布置，所述面状阵列为平面发光阵列或有利于聚光的弧面发光阵列。
10.一种测距方法，其特征在于：包括照明模块、镜头组、传感器模块和图像处理单元；所述照明模块能发射出两种以上的单色光，所述镜头组包括至少两个镜头，所述图像处理单元记录有拍摄区域在照明模块照射下不同位置的光谱特点；
该方法包括如下步骤：
步骤一、不同颜色的单色光从不同角度向目标物体照射,同种颜色的光以扩散的方式射出；
步骤二、对目标物体进行拍摄，传感器将光信号图像转换为电信号图像；
步骤三、图像处理单元接收所述电信号图像，并对比电信号图像的光谱特性和预先记录的光谱特点，分析出目标物体所处的空间位置。
11.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：在所述步骤一前还有建立目标物体反射特性的步骤，该步骤为，目标物体位于已知空间位置，测量该位置的照射光亮度，以及测量目标物体在该位置处的反射光亮度，其亮度对比关系即为目标物体的反射特性。
12.按照权利要求11所述的测距方法，其特征在于：所述反射特性用于校准步骤三中图像处理单元所接收到的电信号图像。
13.按照权利要求11所述的测距方法，其特征在于：所述建立目标物体反射特性的步骤时，目标物体自身不发光状态，拍摄环境为无光环境。
14.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：包括去模糊步骤，该步骤为，多个镜头从不同角度进行拍摄，依据不同镜头所拍摄得到的同一时间点不同视角的图像数据处理模糊的图像，或者用于存储样本的3D信息。
15.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：所述图像处理单元将电信号图像进行算法合成为动态视频。
16.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：图像处理单元分析电信号图像中目标物体所对应各个像素点的光谱特性，并计算出各像素点所对应空间的相对位置。
17.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：所述至少有一种单色光从镜头组的中间位置照向目标物体。
18.按照权利要求10所述的测距方法，其特征在于：所述发出的单色光包括红光、绿光和蓝光。
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