CN104154898A - 一种主动测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动测距方法及系统，所述主动测距方法包括如下步骤：S1、使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；S2、使用成像参数相同的双目摄像头，同步获得被测物体表面的两幅成像图像；S3、定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置；S4、根据如下公式确定被测物体的距离。本发明的主动测距方法及系统，利用微投影仪投出的近红外光光斑作为标定，不会因为目标特征较少而导致图像失配，抗干扰性强，确保了测距的准确性，近红外光光斑得到的图像对比度很高，系统只需对获取图像进行简单的扫描处理即可获得标定光斑成像位置，而不用对图像进行特征提取和匹配，计算量小，因此测距效率高，实时性非常好。

Description

一种主动测距方法及系统

技术领域

本发明属于机器视觉领域，更具体地说，涉及一种基于双目摄像头和微型投影仪的主动测距方法及系统。

背景技术

双目视觉测距是一种高效、非接触性的先进检测技术，在机器人引导、交通、军事、医学诊断及工业检测等领域的应用日趋广泛。而目前使用的双目视觉测距多属于被动测距方法，亦即由两个摄像头同步获得两幅图像，再根据立体视觉原理，利用图像匹配算法，定位出公共视野范围内同一物体在不同位置的成像，从而计算出两幅图像的相关度及重合率，然后利用三维位置信息推算出被测物体的距离。

201310202663.7号中国专利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。该方法具有操作简单、实用性强、精度高的优势，易于普及利用。

200810000644.5号中国专利公开了一种新型双目测距法，该测距法的硬件主要包括两个焦距不同的摄像头、图像采集卡、摄像头控制电机和主控计算机。根据三角形的相似原理，以及焦距、物距和象距的关系公式推导出被测物体的距离和尺寸计算公式。利用两个焦距不同的摄像头对被测物体进行成像，得到两个尺度不同的图像，主控计算机通过相应算法算出被测物体在两个图像中的不同尺寸，将这两个不同的尺寸代入计算公式，就可以得到被测物体的距离和尺寸信息。该方法使机器人同时拥有望远镜和广角镜效果，提高其感知世界的深度和广度，根据该方法的原理公式，不用测出象距就可以计算出物体的距离信息，从而节省了位移传感器的使用，降低了成本。

上述双目测距技术都要求具有较大的数据处理能力以完成的相关的较大运算量，进行实时性的、连续性的测距效果较差，此类被动的双目测距方法依赖于被测物体的特征丰富程度（如几何形状、纹理特征等），如果被测物体的特征较少甚至没有，那么将无法完成图像特征的提取、物体的定位，从而导致图像失配，最终导致无法完成测距。

同时，主动视觉测距技术也有相关报道，201210134246.9号中国专利公开了一种可移动平台的主动视觉测距系统，包括设置在所述的移动平台上的摄像机，所述的摄像机内设置镜头和图像传感器，还包括设置在所述的移动平台上的激光投射器，还包括进行集中控制的电子控制装置，所述的电子控制装置与所述的摄像机和激光投射器连接，所述的激光投射器发射线性结构光可经过前方障碍物反射以后，经过所述的镜头投影在所述的图像传感器上。所述的激光投射器在所述的电子控制装置的控制下可上下转动。所述的镜头的光轴设置与所述的激光投射器的中心轴线位于同一平面，所述的激光投射器发射的线性结构光设置在水平方向。所述的电子控制装置设置内部设置主动视觉测距算法，

通过所述的主动视觉测距算法可测量前方障碍物和台阶的距离。此类测距技术仍然具有运算量大，实时性和连续性差等问题，并且，基于摄像机内置镜头来感知激光投射器投射的激光点的方式，其灵敏度也会受到影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有双目测距技术运算量大，实时性、连续性、主动性差等问题，针对现有主动测距技术运算量大，实时性、连续性、灵敏度差等问题，提供了一种主动测距方法及系统。

本发明解决上述问题的技术方案为：提供了一种主动测距方法，所述方法包括如下步骤：

S1、使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；

S2、使用成像参数相同的双目摄像头，同步获得被测物体表面的两幅成像图像；

S3、定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置；

S4、根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}$

其中，c为所述双目摄像头的两个摄像头镜头安装的距离，M为所述两幅成像图像在横方向上的像素总个数，a＇、b＇为矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，β为所述双目摄像头的两个摄像头视角的半角。

在本发明提供的主动测距方法中，所述步骤S2中，使用的所述双目摄像头前安装有近红外滤光片。

在本发明提供的主动测距方法中，所述近红外滤光片采用的通带中心波长与所述近红外光源的波长相匹配。

在本发明提供的主动测距方法中，所述近红外滤光片采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm或者950nm中的一种。

在本发明提供的主动测距方法中，所述步骤S3进一步包括：

S31、逐行扫描所述两幅成像图像的像素点；

S32、将当前像素点的像素值与前一像素点的像素值进行差分，当差分值小于设定的第一阈值，继续进行下一像素点的扫描；当差分值大于设定的第一阈值，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描；

S33、当所记录的像素点数量达到设定的第二阈值时结束扫描；

S34、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。

在本发明提供的主动测距方法中，所述步骤S3进一步包括：

S31＇、逐行扫描第一摄像头和第二摄像头的成像图像的像素点；

S32＇、将当前像素点的像素值与设定的第三阈值比较，当前像素点的像素值小于设定的第三阈值时，继续进行下一像素点的扫描；当前像素点的像素值大于设定的第三阈值时，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描；

S33＇、当所记录的像素点数量达到设定的第四阈值时结束扫描；

S34＇、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。

本发明还提供一种主动测距系统，所述系统包括CPU、成像参数相同的双目摄像头、投影仪，所述双目摄像头和所述投影仪分别与所述CPU电气连接，其中，

所述投影仪用于使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；

所述双目摄像头用于同步获得被测物体表面的两幅成像图像；

所述CPU用于定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置，并根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}$

其中，c为所述双目摄像头的两个摄像头镜头安装的距离，M为所述两幅成像图像在横方向上的像素总个数，a＇、b＇为矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，β为所述双目摄像头的两个摄像头视角的半角。

在本发明提供的主动测距系统中，使用的所述双目摄像头前安装有近红外滤光片。

在本发明提供的主动测距系统中，所述近红外滤光片采用的通带中心波长与所述近红外光源的波长相匹配。

在本发明提供的主动测距系统中，所述近红外滤光片采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm或者950nm中的一种。

实施本发明的主动测距方法及系统，具有以下有益效果：利用微投影仪投出的近红外光光斑作为标定，不会因为目标特征较少而导致图像失配，抗干扰性强，确保了测距的准确性，近红外光光斑和带有滤光镜片的镜头配合，得到的图像对比度很高，系统只需对获取图像进行简单的扫描处理即可获得标定光斑成像位置，而不用对图像进行特征提取和匹配，计算量小，因此测距效率高，实时性非常好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用型新的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主动测距方法的流程图；

图2为本发明主动测距方法和本发明主动测距系统的工作原理图；

图3为双目摄像头的成像图像示意图；

图4为定位出矩形光斑在成像图像中的位置的原理图；

图5为定位出矩形光斑在成像图像中的位置的一种算法流程图；

图6为定位出矩形光斑在成像图像中的位置的又一种算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术的双目测距技术存在这样一些问题：

1、运算量大，实时性差：被动的双目测距方法需要对两个摄像头获取的每帧图像进行特征提取，然后进行图像匹配和物体定位，从而获取两幅图像的相关度来推算三维位置信息。这就意味着系统在摄像头每采集到一帧图像就需要进行一定复杂程度的图像处理操作，从而大大地增加了处理难度，使得测距的效率难以提高，无法满足实时性要求。

2、主动性差：被动的双目测距方法依赖于被测物体的特征丰富程度（如几何形状、纹理特征等），如果被测物体的特征较少甚至没有，那么将无法完成图像特征的提取、物体的定位，从而导致图像失配，最终导致无法完成测距。

3、抗干扰性差：同一景物在不同视点下的图像可能会有所不同，由于光照条件、噪声干扰以及摄像头特性等，都可能会导致获取的两幅图像中的物体特征（如几何形状、纹理特征等）发生不同的变化，从而给图像的匹配和物体的定位带来一定的难度，最终也会给测距带来一定的误差。

为了解决现有技术中的上述问题，同时解决现有主动测距技术中的运算量大，实时性、连续性、灵敏度差等问题，本发明提供一种基于双目摄像头和微型投影仪的主动测距方法及系统，本发明的主要创新点在于：利用微投影仪投出的近红外光光斑作为标定，近红外光源和滤光镜片的配合，摄像头能获取到对比度很高的标定标志，系统只需对获取图像进行简单的扫描处理即可获得标定光斑成像位置，而不用对图像进行特征提取和匹配，因此测距效率高，实时性非常好。

图1示出了本发明主动测距方法的一较佳实施例的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

S1、近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑。优选的，步骤S1进一步包括，使用能够投射波长为850nm、880nm、940nm、950nm等近红外光的近红外光源，或者其它相同功能的近红外光源，在被测物体上投射出一个肉眼看不见的由近红外光形成的矩形光斑，由于人眼在待测物体上看不到标定光斑，待测物体附近的人不会对觉察到任何变化，使得机器人在进行测距操作时给周围环境的影响降低。

S2、使用成像参数相同的双目摄像头，同步获得被测物体表面的两幅成像图像。优选的，步骤S2进一步包括，使用的所述双目摄像头前安装有近红外滤光片，近红外滤光镜片只对上述近红外光源发出的近红外光敏感，即近红外滤光片采用的通带中心波长与上述近红外光源的波长相匹配，采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm、950nm等，装有近红外滤光镜片的双目摄像头，则只对上述的矩形光斑敏感，在其成像中为亮度较高的矩形光斑；近红外滤光镜片对其它光线不敏感，过滤掉了光斑覆盖范围之外的区域反射的光线，因此在其成像中亮度较暗甚至没能成像。

S3、定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置。优选的，步骤S3进一步包括，双目摄像头将同时获取的两幅成像图像送至CPU，然后由CPU分别定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置，再根据三角形的相似原理，最终计算出被测物体的距离。结合图2和图3可知，

$\frac{a-b}{d}=\frac{a\′-b\′}{M}---\left(1\right)$

c=a-b   （2）

$\frac{d}{2}=h\×\tan \mathrm{\β}---\left(3\right)$

其中，a为双目摄像头的第一摄像头视角边缘与矩形光斑的实际距离，b为双目摄像头的第二摄像头视角边缘与矩形光斑的实际距离；c为双目摄像头的第一摄像头与第二摄像头之间安装的距离，d为第一摄像头在高度为h时其获取图像实际长度（由于第一摄像头与第二摄像头的成像参数相同，第二摄像头在高度为h时其获取图像实际长度也为d）；a＇、b＇用于表示矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，具体为，a＇为第一摄像头的成像图像（图3中实线方框）中，矩形光斑与其成像图像边缘的间隔像素点数量，b＇为第二摄像头的成像图像（图3中虚线方框）中，矩形光斑与其成像图像边缘的间隔像素点数量；M为第一摄像头的成像图像在横方向上的像素总个数，如320、640、720、1080等（由于第一摄像头与第二摄像头的成像参数相同，第二摄像头的成像图像在横方向上的像素总个数也为M），β为第一摄像头视角的半角（由于第一摄像头与第二摄像头的成像参数相同，第二摄像头视角的半角也为β）。

S4、根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

图5示出了步骤S3中“定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置”的方法的一个具体实施例的流程图。如图5所示，该方法包括如下步骤：

S31、逐行扫描所述两幅成像图像的像素点。具体扫描方式如图4所示，即从成像图像第一行第一个像素点开始扫描。

S32、将当前像素点的像素值与前一像素点的像素值进行差分，当差分值小于设定的第一阈值，继续进行下一像素点的扫描；当差分值大于设定的第一阈值，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描。将当前像素点的像素值与前一像素点的像素值进行差分，如下式：

e＝P(i,j)-P(i,j-1)，i∈N,j∈M   （5）

其中，P(i,j)为图像中第i行第j点的像素值，M、N为第一摄像头的成像图像在横方向和竖方向上的像素总个数（由于第一摄像头与第二摄像头的成像参数相同，第二摄像头的成像图像在横方向和竖方向上的像素总个数也相同）。当差分值小于设定的第一阈值E，继续进行下一像素点的扫描；当差分值大于设定的第一阈值E，记录下当前像素点位置（i，j），并在计数器Counter上加1，转入下一行像素点的扫描

S33、当所记录的像素点数量达到设定的第二阈值时结束扫描。当计数器Counter上所记录的的像素点数量达到设定的第二阈值X时扫描结束。

S34、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。根据所记录下的X个像素点位置，对j求其平均值，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置a＇和b＇，如下式，

$a\′(b\′)=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{j}_k---\left(6\right)$

图6示出了步骤S3中“定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置”的方法的另一个具体实施例的流程图。如图6所示，该方法包括如下步骤：

S31＇、逐行扫描第一摄像头和第二摄像头的成像图像的像素点。具体扫描方式如图4所示，即从成像图像第一行第一个像素点开始扫描。

S32＇、将当前像素点的像素值与设定的第三阈值比较，当前像素点的像素值小于设定的第三阈值时，继续进行下一像素点的扫描；当前像素点的像素值大于设定的第三阈值时，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描。将当前像素点的像素值与设定的第三阈值F比较，当前像素点的像素值小于设定的第三阈值F时，继续进行下一像素点的扫描；当前像素点的像素值大于设定的第三阈值F时，记录下当前像素点位置（i，j），并在计数器Counter上加1，转入下一行像素点的扫描。

S33＇、当所记录的像素点数量达到设定的第四阈值时结束扫描。当所记录的计数器Counter上记录的像素点数量达到设定的第四阈值Y时扫描结束。

S34＇、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。根据所记录下的Y个像素点位置，对j求其平均值，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置a＇和b＇，计算方式同公式（6）。

本发明还提供了一种主动测距系统，使用了上述的主动测距方法，图2示出了本发明主动测距系统的工作原理图。如图2所示，该主动测距系统包括CPU（图中未示出）、成像参数相同的双目摄像头、投影仪，所述双目摄像头和所述投影仪分别与所述CPU电气连接，其中，

所述投影仪用于使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；

所述双目摄像头用于同步获得被测物体表面的两幅成像图像；

所述CPU用于定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置，并根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}$

其中，c为所述双目摄像头的两个摄像头镜头安装的距离，M为所述两幅成像图像在横方向上的像素总个数，a＇、b＇为矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，β为所述双目摄像头的两个摄像头视角的半角。CPU定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置的具体计算过程，可以参见前面结合方法部分的描述。

Claims (10)

1.一种主动测距方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；

S2、使用成像参数相同的双目摄像头，同步获得被测物体表面的两幅成像图像；

S3、定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置；

S4、根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}$

其中，c为所述双目摄像头的两个摄像头镜头安装的距离，M为所述两幅成像图像在横方向上的像素总个数，a＇、b＇为矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，β为所述双目摄像头的两个摄像头视角的半角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，使用的所述双目摄像头前安装有近红外滤光片。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述近红外滤光片采用的通带中心波长与所述近红外光源的波长相匹配。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述近红外滤光片采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm或者950nm中的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31、逐行扫描所述两幅成像图像的像素点；

S32、将当前像素点的像素值与前一像素点的像素值进行差分，当差分值小于设定的第一阈值，继续进行下一像素点的扫描；当差分值大于设定的第一阈值，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描；

S33、当所记录的像素点数量达到设定的第二阈值时结束扫描；

S34、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31＇、逐行扫描第一摄像头和第二摄像头的成像图像的像素点；

S32＇、将当前像素点的像素值与设定的第三阈值比较，当前像素点的像素值小于设定的第三阈值时，继续进行下一像素点的扫描；当前像素点的像素值大于设定的第三阈值时，记录下当前像素点位置，转入下一行像素点的扫描；

S33＇、当所记录的像素点数量达到设定的第四阈值时结束扫描；

S34＇、根据所记录下的像素点位置，确定矩形光斑分别在第一摄像头和第二摄像头的成像图像中的对应位置。

7.一种主动测距系统，其特征在于，所述系统包括CPU、成像参数相同的双目摄像头、投影仪，所述双目摄像头和所述投影仪分别与所述CPU电气连接，其中，

所述投影仪用于使用近红外光源在被测物体上投射出矩形光斑；

所述双目摄像头用于同步获得被测物体表面的两幅成像图像；

所述CPU用于定位出所述矩形光斑在所述两幅成像图像中的位置，并根据如下公式确定被测物体的距离h，

$h=\frac{\mathrm{cM}}{2(a\′-b\′)\tan \mathrm{\β}}$

其中，c为所述双目摄像头的两个摄像头镜头安装的距离，M为所述两幅成像图像在横方向上的像素总个数，a＇、b＇为矩形光斑分别在所述两幅成像图像中的对应位置，β为所述双目摄像头的两个摄像头视角的半角。

8.根据权利要求7所述的主动测距系统，其特征在于，使用的所述双目摄像头前安装有近红外滤光片。

9.根据权利要求7所述的主动测距系统，其特征在于，所述近红外滤光片采用的通带中心波长与所述近红外光源的波长相匹配。

10.根据权利要求7所述的主动测距系统，其特征在于，所述近红外滤光片采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm或者950nm中的一种。