CN103292710B - 一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法，通过采用不同的基线长度来适应不同距离测量范围的测量精度要求，适用于近距离小部件的精确尺寸测量，该发明基于传统的双目测量方法，针对一对光轴平行并排位置摆放的摄像头，对两幅图像中任意两个待测可视化点分别作一个与两光轴垂直的平面，通过双目视觉视差与深度的反比例关系来获得两待测点的深度值，根据待测点深度值和摄像头的焦距信息求出两待测点到光心的距离以及两待测点到光心连线之间的夹角，然后由余弦定理便可求出两点之间的实际距离。本发明的双目距离测量方法相对于传统方法，具有操作简单、实用性强、精度高的优势，易于普及利用。

Description

一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法

技术领域

本发明涉及摄影测量领域，特别涉及一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法。

技术背景

几何测量主要包括角度、距离、位移、直线度和空间位置等量的测量，测量尺度分别向大尺寸方向和小尺寸方向发展。小尺寸方向正在向微米和纳米精度级发展，大尺寸测量主要指几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等的测量。传统的大尺寸测量最通用的是确定位置的三维坐标测量，三坐标测量机、经纬仪、全站仪、激光测距仪、室内GPS、数字近景摄影测量等都是典型的大尺寸测量系统。其中经纬仪测量系统和数字近景测量系统属于光学测量，具有非接触测量的特点。

目前国际上工业大尺寸测量仪器主要有三类，分别是激光干涉仪、固定式坐标测量机、便携式坐标测量系统。激光干涉仪测量范围大，主要解决机床、坐标测量机等精密定位系统的精度评估。在40m范围内，其测量精度达到0.7*10^-6，固定式坐标测量系统是通过激光扫描的方式来确定目标物体的尺寸。前两者都属于主动测量方法。视觉测量系统是便携式坐标测量系统中的一种，属于被动式测量。目前最常用的测距方法有超声波测距、激光测距、红外测距、光学测距等，其主要应用于军事、大地测量、建筑施工等领域。立体视觉测距是一种光学测距方法，相比于超声波测距、激光测距和红外测距这些主动式测距方法，立体视觉测距具有非接触、快速、自动测量、对人眼无伤害等优点。通过调整基线长度满足不同的距离范围测量精度要求。本发明应用传统的立体视觉视差测距原理，对传统方法的实现过程进行了简化，并在测距的基础上，提出了一种对目标图像上任意可视化的两点间距离的测量方法。

另外，由于双目立体测距的测量精度与图像对的匹配精度成正比，与基线长度有关。增大基线长度提高测量精度，但是同时也增大了图像之间的差异，图像之间差异的增大意味着匹配难度加大，因而系统设计需要综合考虑各方面因素。当前工业上用于小距离和微小距离测量的方法主要是激光三角法测距，双目立体视觉测量在国际上广泛应用于工业大尺寸测量。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量的方法，相比于现有的测量方法具有操作简单、实用性强、精度高的特点。

本发明一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法所采用的技术方案为：根据双目视觉视差测距原理测得两待测点的深度值，然后根据数据拟合得到不同深度处像素数与实际长度之间的比值，由上述比值得到两待测点与光心之间的实际距离以及像素焦距。由像素焦距在两待测点在其中一幅图像上的两个投影点与光心构成的三角形中，按照余弦定理的三边关系求得两待测点与光心连线之间的夹角。根据以上步骤便完成了两待测点与光心所构成的三角形的边角边求解，最后按照三角余弦定理求得两待测点之间的距离。

具体包括如下几个主要步骤：

一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法，主要步骤包括：

(1)两待测点深度获取：将两个摄像头按照标准配置固定好并保持不动，将一块棋盘格平面板垂直于光轴放置等间隔拍摄一组照片，根据双目视觉测距原理中视差与深度对应的反比例函数关系，将不同深度处对应的视差值通过无穷远参考平面求出，得到一组视差深度关系映射表，然后通过拍摄照片中两待测点的视差值来查表获得对应的深度值；

(2)两待测点到光心的距离的获取：将两个摄像头按照标准配置固定好并保持不动，将一块棋盘格平面板垂直于光轴放置等间隔拍摄一组照片，根据平面板距离光心的实际距离和拍摄得到照片上的像素数，得到不同深度处单个像素对应的实际长度，根据这组数据拟合出一个确定的比值，根据这个比值得到图像上像素数与待测点连接光心连线在与图像平面平行的平面上投影实际长度，然后在由光心、单个待测点以及待测点在上述投影平面上的投影点所构成的直角三角形中计算待测点到光心的实际距离；

(3)两待测点之间距离的获取：求得两待测点所在平面的深度之后，根据焦距信息和两点深度值求出两待测点到光心之间的距离以及两待测点与光心连线之间的夹角，最后运用余弦定理求出两点之间的实际距离。

具体地，所述视差深度关系映射表的制作过程具体包括：

(11)首先将双摄像头系统正对一个距离镜头比较远的已知平面拍摄两张照片；

(12)然后移动摄像头至离上述已知平面更远再拍摄两张照片，根据两张照片上平面的对应特征点求出两张图像之间的单应性矩阵；

(13)求出此单应矩阵之后，用此单应矩阵映射之前拍摄的比较近的照片，然后将映射叠加得到的照片对应点之间的视差调整为零，具体调整方法就是将求得的对应坐标点的横坐标减去一个确定的常数，这样便保证得到的视差值都是正数；

(14)将上述单应矩阵作为无穷远单应性矩阵，用以上单应矩阵对每个距离点的平面板拍摄照片进行映射叠加，对应坐标点按相同方向相减便得到对应深度处的视差值。

具体地，两个摄像头装置按照标准配置即平行光轴结构固定放置。

具体地，调节测量装置的有效测量范围的方法是针对不同的基线长度预计算对应的视差深度关系映射表。不同基线长度的测量装置对应不同的视差深度关系映射表。

具体地，步骤(3)中的两待测点到光心的距离是通过待测点所在平行平面的深度值和焦距信息通过余弦定理求得的。

具体地，所测距离包括摄像头光心到两待测点的距离、两摄像头光心到待测点所在的平行于摄像头成像平面的距离以及两待测点之间的距离；若两待测点处于三维世界同一二维平面上，那么所测值即为两待测点之间的实际长度；若两待测点不在同一二维平面上，那么所测值为两待测点之间的距离。

具体地，调节有效测量范围的方法是针对不同的基线长度预计算对应的视差深度关系映射表，不同基线长度的测量装置对应不同的视差深度关系映射表。

具体地，测量系统不需要标定摄像头内部参数。

具体地，所述的摄像头拍摄距离间隔小于或者等于0.1m。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

(1)本发明距离测量方法通过近似无穷远单应矩阵进行图像匹配，过程简单，可操作性强。

(2)本发明距离测量方法不需要标定摄像头内参。

(3)本发明距离测量方法能测量两图像上任意可视的两点之间的距离

(4)本发明距离测量方法不需要求解空间两待测点的三维坐标。

附图说明

图1是本发明双目距离测量方法一种实施例的整体流程图。

图2是本发明双目距离测量方法一种实施例的原理示意图。

图3是本发明双目距离测量方法一种实施例的双摄像头标准配置固定放置图。

图4是本发明双目距离测量方法一种实施例的系统架构图。

图5是本发明双目距离测量方法一种实施例的视差深度关系原理示意图。

图6是本发明具体实施例的不同深度处像素数与实际长度的比例几何原理示意图。

图7是本发明具体实施例的单幅图像中距离测量原理图。

图8是本发明具体实施例的两待测点与光心连线之间夹角的求解示意图。

具体实施方式

接下来结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明：

如图1所示，本发明一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法，双目摄像头拍摄的两张照片上任意两可视待测点之间的距离的测量方法的流程图如图1所示。基本思想是通过查表法来获取两待测点的深度，深度得到之后便根据拍摄图像上的像素数来得到实际的三维待测点的投影长度，之后按照三角形边角关系依次求解出两待测点到光心的距离、两待测点与光心连线之间的夹角、两待测点之间的距离。

如图2所示，本发明方法的原理示意图。本发明提出的方法在通过视差获得两待测点深度之后，只需在一幅图像上进行后续计算，因而接下来仅讨论一幅图像上的待测距离推算过程。两幅任选一幅进行接下来的计算，实验证明，计算结果在误差允许范围内是一致的。本具体实施例考虑在第一摄像头1拍摄的图像1上进行计算。

如图3所示，本发明距离测量方法具体实施例对应的双目摄像头测量系统的标准配置固定放置示意图，第一摄像头1和第二摄像头1以水平并列光轴平行的方式固定放置。固定放置之后默认条件下摄像头之间的相对位置以及两摄像头的内参数保持不变。

如图4所示，本发明距离测量方法具体实施例对应的双目摄像头测量系统的系统架构图，第一摄像头1和第二摄像头1按照图3所示的方式固定放置之后，实现双摄像头的公共可视范围内任意两点之间距离的测量，包括处于同一深度处的两待测点和处于不同深度处的两待测点。实践表明，由于系统误差以及外在干扰因素的存在，处于同一深度的两点之间的测量精度高于处于不同深度处的两点测量精度。

如图5所示，两待测点的深度获取原理即为经典双目视觉视差测距原理。按照标准配置放置的双摄像头系统，待测点A所在被测物面的深度L与其在两个摄像头像平面上的成像位置差(X1+X2)之间满足反比例关系：

L＝b*f/x

其中，x＝X1+X2，为成像位置差，即视差。b为基线长度，f为焦距。

传统的方法是将求出两摄像头下拍摄的图像之间的无穷远单应矩阵，然后将其中一幅图像映射到另一幅图像的坐标系统进行叠加，然后求出对应点之间的像素差，即视差。所求点的即表示该点所在的与摄像头成像平面平行的平面的视差。

优选的，在相等间隔放置平行于成像平面的平面板，利用平面板上的多个特征点来求各点视差，取均值得到平面板所在深度平面视差，所得数据有更好的稳定性。

具体为首先根据近似无穷远单应性矩阵来做出确定基线长度下两图像上视差与深度的关系映射表。具体方法是将两摄像头按照标准配置放置。然后在两摄像头前面放置一块平面板，要求平面板基本平行于拍摄图像平面，然后拍摄两张照片对双摄像头进行标定，求出此时的单应矩阵。然后将平面板移至视线范围内比较远的地方，也按照上述要求拍摄两张照片，用上述所求的单应性矩阵将对应的图像映射到另一幅图像上进行叠加，此时平面板应该出现了视差。由于两摄像头处于标准配置，所出现视差均为水平方向视差。通过调整对应坐标的水平坐标值，将远处拍摄的平面板之间的视差调整为零。此即为最终的近似无穷远单应性矩阵。求出此单应矩阵之后，按照0.1m或者更小的间隔来拍摄一组照片对，然后用上述近似无穷远单应矩阵对每组照片做映射叠加，记录每次映射叠加得到的视差值和对应拍摄点平面板与双摄像头之间的距离，将这一组数据在matlab软件中进行拟合，即可得到视差深度映射表。

如图6为获取不同深度处图像像素数对应的实际长度的几何原理示意图。这一步骤同上述视差深度映射表都是作为本发明方法的准备工作。具体实施例中的操作方法是将双目镜头系统对处于不同深度处标有实际尺寸棋盘格的平面板按照至少0.1m深度间隔拍摄一组图像，然后对不同深度处的图像，求出棋盘格实际尺寸与所成像上对应的像素数的比值，将该方法得到的一组数据在matlab软件中进行拟合，便得到一组近似的比值。如图6所示，在图像平面上任意取等像素数直线段1和2，对应于深度d₁处三维世界平面的实际长度3和4，以及d₂深度处三维世界平面的实际长度5和6。对于d₁深度处，直线段1对应的像素数与直线段3的实际长度的数值比值同直线段2对应像素数与直线段4的实际长度的数值比值是相等的；同理，对于d₂深度处，直线段1对应的像素数与直线段5的实际长度的数值比值同直线段2对应像素数与直线段6的实际长度的数值比值是相等的。因而，对于某一深度，图像上的直线像素数与三维世界中平行于成像平面的平面上的直线段实际值存在固定的比例关系。

优选的，上述关系表的制作过程中，对每一深度处，拍摄平面板，取多个棋盘格数据求比值，然后均值化，增强数据的稳定性。

按照上述方法，便获得第一摄像头1和第二摄像头1不同深度平面上像素数与实际长度的关系映射表。

如图7所示为单幅图像上进行距离测量的原理图。总的思路是求出两待测点到光心的实际距离，以及两待测点与光心连线之间的夹角，最后在由两待测点以及光心所构成的三角形中运用余弦定理求出两点之间的实际距离。本发明距离测量方法中双目摄像头的功能在于获取待测点的深度值。

如图2、图7所示，为本实施例距离测量方法的原理示意图，其具体的操作步骤如下：

1)采用如图3所示测量系统正对任意角度放置的正方体，确保正方体处于双摄像头的公共可视范围后，拍摄正方体得到两张图像左图1和右图2。选取任意两个处于不同深度处待测点A和B，如图2、图3、图7所示。

2)按照上述方法分别绘制视差深度关系映射表和不同深度被测物面像素数与实际长度的关系映射表。

3)采用上述绘制视差深度关系映射表的近似无穷远单应矩阵将拍摄得到的两张图像按照对应方向进行映射叠加，获得两个待测点A、B处的视差值ParaA、ParaB。根据视差深度关系映射表获得待测点A和B的深度值DepthA、DepthB：

DepthA＝C₁O₁’＝C₂O₂’

DepthB＝C₁O₁”＝C₂O₂”

4)得到待测点深度值之后，接下来的计算考虑选择在左图1上进行。根据步骤3)得到的深度值DepthA和DepthB，计算A、B两点在图像平面上的投影点连接光心投影点(默认为图像中心)对应的像素数O₁A’、O₁B’。然后根据上述不同深度被测物面上像素数与实际长度的比值，计算得到像素数O₁A’、O₁B’对应深度DepthA、DepthB处的实际长度值O₁’A、O₁”B。

5)分别在直角三角形C₁O₁’A、C₁O₁”B中计算得到两待测点到光心的实际距离C₁A、C₁B。并计算两待测点到光心连线与光轴的夹角：α、β，如图7所示。

6)根据α、β求解两待测点到光心连线之间的夹角θ的原理图示于图8。具体操作如下：在直角三角形C₁O₁A’、C₁O₁B’中，根据角α和O₁A’求出C₁A’的长度(像素数)，根据角β和O₁B’求出C₁B’的长度(像素数)。然后根据A’、B’的坐标值计算出A’B’的长度(像素数)。那么，在三角形C₁A’B’中，根据余弦定理可求两待测点与光心连线之间的夹角θ：

$\mathrm{\θ}=arccos\left(\frac{C_1{A}^{\′2}+C_1{B}^{\′2}-A^{\′}{B}^{\′2}}{2\×C_1{A}^{\′}\×C_1{B}^{\′}}\right)$

7)在三角形AC₁B中应用余弦定理可求两待测点之间的距离如下：

$AB=\sqrt{C_1{A}^2+C_1{B}^2-2\×C_{1}A\×C_{1}B\×cos\mathrm{\θ}}$

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用双目视觉视差测距原理的距离测量方法，其特征在于，主要步骤包括：

(1)两待测点深度获取：将两个摄像头按照标准配置固定好并保持不动，将一块棋盘格平面板垂直于光轴放置等间隔拍摄一组照片，根据双目视觉测距原理中视差与深度对应的反比例函数关系，将不同深度处对应的视差值通过无穷远参考平面求出，得到一组视差深度关系映射表，然后通过拍摄照片中两待测点的视差值来查表获得对应的深度值；

(2)两待测点到光心的距离的获取：将两个摄像头按照标准配置固定好并保持不动，将一块棋盘格平面板垂直于光轴放置等间隔拍摄一组照片，根据平面板距离光心的实际距离和拍摄得到照片上的像素数，得到不同深度处单个像素对应的实际长度，根据这组数据拟合出一个确定的比值，根据这个比值得到图像上像素数与待测点连接光心连线在与图像平面平行的平面上投影实际长度，然后在由光心、单个待测点以及待测点在上述投影平面上的投影点所构成的直角三角形中计算待测点到光心的实际距离；

(3)两待测点之间距离的获取：求得两待测点所在平面的深度之后，根据焦距信息和两点深度值求出两待测点到光心之间的距离以及两待测点与光心连线之间的夹角，最后运用余弦定理求出两点之间的实际距离。

2.据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述视差深度关系映射表的制作过程具体包括：

(11)首先将双摄像头系统正对一个距离镜头比较远的已知平面拍摄两张照片；

(12)然后移动摄像头至离上述已知平面更远再拍摄两张照片，根据两张照片上平面的对应特征点求出两张图像之间的单应性矩阵；

(13)求出此单应矩阵之后，用此单应矩阵映射之前拍摄的比较近的照片，然后将映射叠加得到的照片对应点之间的视差调整为零，具体调整方法就是将求得的对应坐标点的横坐标减去一个确定的常数，这样便保证得到的视差值都是正数；

(14)将上述单应矩阵作为无穷远单应性矩阵，用以上单应矩阵对每个距离点的平面板拍摄照片进行映射叠加，对应坐标点按相同方向相减便得到对应深度处的视差值。

3.根据权利要求2所述的距离测量方法，其特征在于，两个摄像头装置按照标准配置即平行光轴结构固定放置。

4.根据权利要求2所述的距离测量方法，其特征在于，调节测量装置的有效测量范围的方法是针对不同的基线长度预计算对应的视差深度关系映射表，不同基线长度的测量装置对应不同的视差深度关系映射表。

5.根据权利要求2所述的距离测量方法，其特征在于，步骤(3)中的两待测点到光心的距离是通过待测点所在平行平面的深度值和焦距信息通过余弦定理求得的。

6.根据权利要求2所述的距离测量方法，其特征在于，所测距离包括摄像头光心到两待测点的距离、两摄像头光心到待测点所在的平行于摄像头成像平面的距离以及两待测点之间的距离；若两待测点处于三维世界同一二维平面上，那么所测值即为两待测点之间的实际长度；若两待测点不在同一二维平面上，那么所测值为两待测点之间的距离。

7.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，调节有效测量范围的方法是针对不同的基线长度预计算对应的视差深度关系映射表，不同基线长度的测量装置对应不同的视差深度关系映射表。

8.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，测量系统不需要标定摄像头内部参数。

9.根据权利要求2所述的距离测量方法，其特征在于，所述的摄像头拍摄距离间隔小于或者等于0.1m。