CN105699982A - 双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法，该激光测距装置包括激光器A、激光器B、激光整型模块、成像透镜组、摄像头芯片及DSP处理单元；上述两个激光器分别经激光整型模块整型为线束激光；所述两个激光器的发射方向与摄像头芯片所在平面分别成不同角度；激光器A、激光器B轮流发射的线束激光照射到前方一定距离目标物体表面，发生漫反射，反射的折线或曲线与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上，DSP处理单元对上述成像图像数据进行处理，根据角度关系，求取该角度方向的待测距离；本发明结构简单，用户成本低，可以一次测量不同距离内多个点的距离，测距方式快速、灵敏，测距精度高。

Description

双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法

技术领域

本发明属于测距领域，提供了一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法。

背景技术

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征，能大大提高测量精确度，被广泛应用在测距装置上。激光测距方法具有原理简单、测量速度快、测程远的特点，目前，许多室内机器人系统，使用激光测距装置作为主要传感器，用来画图、定位和避障。

传统的激光测距方法包括脉冲法、相位法及三角测量法，脉冲法测量精度较低，相位法每次测距需要的稳定时间较长，三角测距法具有较好的应用效果生产成本低，是目前研究的热点。

前面的发明中已经提出单个激光器与单个摄像头芯片组合进行测距的专利，激光器发出的线束激光在一个宽角度范围内呈一字线图样，假设线束激光发射到前方宽角度范围内的目标物体上，反射的光会映射为不同的折线线段或曲线线段，由于在发出的激光线在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在摄像头芯片上成像时，在不同的距离成像的折线线段或曲线线段质心所在的位置也不同。通过图像算法检测出来线束激光在拍摄图像中的位置不同，求出线段质心位置，按照推导的公式可以求出物体距离，但是在公式推算中，发现测距精度和测距距离成反比例，二者互相矛盾；如果想获得近距离测距，如10㎝处，那么在中距离，如3m以上的测距精度已经比较差；在远距离，如6m处的测距精度变得很差，误差可达40㎝以上。如果希望在5～6m处有很好的测距精度，即误差不超过15㎝，那么最近测距为80cm以内才能满足测距精度要求。

发明内容

本发明针对上述技术存在的缺陷，提供了一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置，该测距装置中包括两个激光器，测距时两个激光器轮流发射激光，可以一次测量不同距离范围内多个点的距离，而且测距精度比较高；本发明测距装置结构简单，用户成本低；测距方式快速、灵敏，测距范围大，在通信、航空、智能家居等测距领域有很高的应用价值。

本发明是通过如下技术方案实现的，一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置，该测距装置包括激光器A、激光器B、激光整型模块、成像透镜组、摄像头芯片及DSP处理单元；所述激光器A、激光器B分别经两套激光整型模块整型为线束激光，激光器A、激光器B的发射方向与摄像头芯片所在平面分别成不同的角度，激光器A、激光器B到摄像头芯片中心的距离不同；DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，由于激光器A、激光器B到摄像头芯片中心的距离及角度不同，因此这两个激光器的测距范围也不同；测距过程为：激光器A或激光器B经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方一定距离范围内的目标物体表面，发生漫反射，反射的光会映射为不同的折线线段或者曲线线段，上述反射的折线线段或曲线线段与当前视场角内的其他物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上；DSP处理单元采集到上述成像的折线线段或者曲线线段，而后根据角度关系，可以求取该角度方向的待测距离；另外一个激光器重复上述测距过程完成测距。

所述的激光整型模块分别安装在所述激光器A和激光器B后端，用于将点束激光整型为线束激光；激光整型模块包括但不限于成型透镜组、振动片或旋转棱镜。

所述的成像透镜组进一步包括一滤光片；滤光片安装在所述成像透镜组前端，用以滤掉特定波长的光并透过另一段特定波长的光。

所述的测距装置进一步包括一基座，所述的激光器A、激光器B、成像透镜组、摄像头芯片及DSP处理单元固定在该基座上。

所述激光器A到所述摄像头芯片中心的距离范围为3cm～9cm；

所述激光器B到所述摄像头芯片中心的距离范围为1cm～5cm；

所述激光器A的测距范围为1m～10m；

所述激光器B的测距范围为10㎝～100㎝。

所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。

所述摄像头芯片包括但不限于CCD图像传感器、CMOS图像传感器。

上述激光测距装置的测距方法如下：

1)获取图像数据：DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，发射的激光分别经过激光整型模块整型为线束激光，经过整型的线束激光照射到前方一定距离范围内目标物体表面，发生漫反射，反射的折线或曲线与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上，反射的折线或曲线成像为多条高亮度的折线线段或者曲线线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，摄像头芯片记录对应方向的一帧数字图像数据，并将该帧图像数据传输给DSP处理单元，该帧图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的图像数据；

2)处理图像数据：DSP处理单元对步骤1)中所述的数字化了的图像数据进行处理，首先用数字算法消除图像畸变，而后进行数据平滑消除噪点，最后设定门限进行二值化；

3)再次根据步骤1)中所述的折线线段或曲线线段的左右关系对图像平滑进而消除噪点，消除噪点后各条折线线段或曲线线段为自左向右排列，使得同一个X坐标上只有不超过一个高亮线段存在；

4)求取每一个X坐标上的高亮线段的质心：将同一个X坐标的高亮线段的点坐标加起来进行平均，可以得到对应X坐标的质心为Y；经过本步计算，从左到右的任意一个X坐标上，只可能有不超过1个的Y高亮质心点；对于某个X，如果有1个Y质心点，代表这个方向上的距离在测距范围内，如果没有Y质心点，代表这个方向上的距离不在测距范围内；

5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离，根据DSP控制的激光器轮流发射可以确定本次测距是根据激光器A还是激光器B测距，a)已知激光器A到摄像头芯片镜头组的距离为p₁，激光器B到摄像头芯片镜头组的距离为p₂，摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，激光器A与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₁，激光器B与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₂；

对于激光器A发射求垂直距离，对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求激光器A的垂直距离d₁，带入公式计算出的垂直距离d₁，其中，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上摄像头芯片成像的总点数；

对于最近测量点G₁，当G₁的理论值n＝y时，

如果θ₁＞α，就会有最远测距点d_T1，反之，θ₁≤α时，理论值是无穷远；同时要注意激光功率会衰减导致比较远处也无法被测量。

对于激光器B发射求垂直距离，根据Y轴坐标求激光器B的垂直距离d₂， $d_2=\frac{p_2\·y}{{\mathrm{cos\θ}}_2\·\[2\·n\·tg\mathrm{\α}-y\·(tg\mathrm{\α}-{\mathrm{tg\θ}}_2)\]}$

对于最近测量点G₂，当G₂的理论值n＝y时，

可求得最近测量量程d_G2，

如果θ₂＞α，可求得最远测量量程d_T2，

b)已知摄像头芯片镜头在X轴上视场角为2β，图像数据在X轴的中心点为O，每一个X代表一个方向，X方向与Y方向所成的方向角为γ，对于激光器A发射：对于x＝m，y＝n的坐标点来说，带入公式求出待测距离d_x1，获取测距结果(γ，d_x1)为在γ方向的距离d_x1；

对于激光器B发射，同样，激光器B与水平方向的夹角为θ₁₂，θ₁₂＝θ₂-θ₁，设激光器B对应在水平方向的距离为d_x2，d_x2＝d₂cosθ₁₂，带入公式，求出待测距离d_x2，获取测距结果(γ，d_x2)为在γ方向的距离d_x2；

c)重复步骤a)及步骤b)，分别计算完自左向右整个2β宽角度范围内的多个点的测距角度及测距距离并将整个2β范围内的多个点的测距结果输出。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用两个激光器分别经激光整型模块整型轮流发射线束激光，经过DSP处理单元进行数据处理得到不同距离范围内的待测距离，保证了测量精度，而且可以一次测量不同距离范围内多个点的距离。

2)本发明测距装置结构简单，测距方法快速、灵敏；用户成本低，在通信、航空、智能家居，尤其是机器人测距领域有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的测距装置结构示意图

图2为本发明所述的测距装置侧视图

图3为本发明所述的在Y轴方向测距方法原理图

图4为本发明所述的在X轴方向测距方法原理图

图5为本发明所述的测距装置在不同距离墙面上成像的折线线段示意图

图6为本发明所述的测距装置正对着墙面成像的折线线段示意图

图7为本发明所述的测距装置斜对着墙面得到的折线线段示意图

图中符号表示：1：激光器A；2：DSP电路；3：FIFO模块；4：成像透镜；5：摄像头芯片；6：连接导线；7：基座；8：DSP处理单元；9：滤光片；10：激光整型模块；11：激光器B

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置，该装置包括激光器A1、激光器B11、激光整型模块10、成像透镜组4、摄像头芯片5及DSP处理单元8；DSP处理单元8控制激光器A1、激光器B11轮流发射激光，激光器A1或激光器B11发射的激光分别经激光整型模块10整型为线束激光，线束激光照射到前方一定距离范围内待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光会映射为不同的折线线段或曲线线段，上述折线线段或曲线线段与当前视场角内的物体经成像透镜组4共同成像于摄像头芯片5上，摄像头芯片5把图像数据传输给DSP处理单元8，实现光信号转换为电信号，经DSP处理单元8采集上述成像的折线线段或曲线线段，并计算其质心，根据角度关系进而计算出待测距离。

所述的激光器A1和激光器B11的后端分别安装一激光整型模块10，激光整型模块10用于将点束激光整型为线束激光；

本实施例中激光整型模块10为成型透镜组，在本发明的其他实施例中，激光整型模块10也可以为振动片、还可以为旋转棱镜。

DSP处理单元8包括FIFO模块3、连接导线6、DSP电路2；成像透镜组4进一步包括一滤光片9，滤光片9安装在所述透镜组4前端，用以滤掉特定波长的光并透过另一段特定波长的光。

如附图2所示，该测距装置进一步包括一基座7，所述激光器A1、激光器B11、成像透镜组4、摄像头芯片5及DSP处理单元8固定在该基座上，基座8与摄像头芯片所在平面成一定角度；激光器A1到摄像头芯片中心的距离范围为3cm～9cm，本实施例中选择5cm；激光器B11到所述摄像头芯片中心的距离范围为1cm～5cm，本实施例中选择3cm；

激光器A的测距范围为1m～10m；激光器B的测距范围为10cm～100cm。

本实施例中摄像头芯片5为CCD图像传感器，在本发明的其他实施例中，摄像头芯片5可以为CMOS图像传感器。

本发明所述测距装置的测距方法如下：

1)获取图像数据：DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，发射的激光分别经过激光整型模块整型为线束激光，经过整型的线束激光照射到前方一定距离范围内目标物体表面，发生漫反射，反射的折线或曲线与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上，反射的折线或曲线成像为多条高亮度的折线线段或者曲线线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，摄像头芯片记录对应方向的一帧数字图像数据，并将该帧图像数据传输给DSP处理单元，该帧图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的图像数据；

2)处理图像数据：DSP处理单元对步骤1)中所述的数字化了的图像数据进行处理，首先用数字算法消除图像畸变，而后进行数据平滑消除噪点，最后设定门限进行二值化；

3)再次根据步骤1)中所述的折线线段或曲线线段的左右关系对图像平滑进而消除噪点，消除噪点后各条折线线段或曲线线段为自左向右排列，使得同一个X坐标上只有不超过一个高亮线段存在；

4)求取每一个X坐标上的高亮线段的质心：将同一个X坐标的高亮线段的点坐标加起来进行平均，可以得到对应X坐标的质心为Y；经过本步计算，从左到右的任意一个X坐标上，只可能有不超过1个的Y高亮质心点；对于某个X，如果有1个Y质心点，代表这个方向上的距离在测距范围内，如果没有Y质心点，代表这个方向上的距离不在测距范围内；

5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离，根据DSP控制的激光器轮流发射可以确定本次测距是根据激光器A还是激光器B测距，如附图3所示；

a)已知激光器A到摄像头芯片镜头组的距离为p₁，激光器B到摄像头芯片镜头组的距离为p₂，摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，激光器A与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₁，激光器B与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₂；

对于激光器A发射求垂直距离，对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求激光器A的垂直距离d₁，带入公式计算出的垂直距离d₁，其中，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上摄像头芯片成像的总点数；

对于最近测量点G₁，当G₁的理论值n＝y时，

如果θ₁＞α，就会有最远测距点d_T1，反之，θ₁≤α时，理论值是无穷远；同时因为激光功率会衰减导致比较远处也无法被测量。

对于激光器B发射求垂直距离，根据Y轴坐标求激光器B的垂直距离d₂， $d_2=\frac{p_2\·y}{{\mathrm{cos\θ}}_2\·\[2\·n\·tg\mathrm{\α}-y\·(tg\mathrm{\α}-{\mathrm{tg\θ}}_2)\]}$

对于最近测量点G₂，当G₂的理论值n＝y时，

可求得最近测量量程d_G2，

如果θ₂＞α，可求得最远测量量程d_T2，

b)已知摄像头芯片镜头在X轴上视场角为2β，图像数据在X轴的中心点为O，每一个X代表一个方向，X方向与Y方向所成的方向角为γ，对于激光器A发射：对于x＝m，y＝n的坐标点来说，带入公式求出待测距离d_x1，获取测距结果(γ，d_x1)为在γ方向的距离d_x1；

对于激光器B发射，同样，对于x＝m，y＝n的坐标点来说，激光器B与水平方向的夹角为θ₁₂，θ₁₂＝θ₂-θ₁，设激光器B对应在水平方向的距离为d_x2，d_x2＝d₂·cosθ₁₂，带入公式，求出待测距离d_x2，获取测距结果(γ，d_x2)为在γ方向的距离d_x2；

c)重复步骤a)及步骤b)，分别计算完自左向右整个2β宽角度范围内的多个点的测距角度及测距距离并将整个2β范围内的多个点的测距结果输出。

待测目标物体在摄像头芯片上成像时，不同距离成像的折线线段或曲线线段的粗细也不同，如附图5所示，图中左边为激光照射到不同距离的墙面上，从左到右依次为由远到近；图的右边为成像的不同粗细的折线线段示意图，线段从左到右依次为由细到粗；

如附图3所示，以激光器A为例，G₁点为理论上最近测距距离，但由于线束激光不是一个像素点的激光线，而是成像为高亮度折线线段或曲线线段，所以最近测距点在I点，同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的折线线段或曲线线段，本发明对H点距离以内的物体成像在在摄像头芯片范围内的不完整折线线段或曲线线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而校准了近距离的测量准确度，并且获取超出理论值的测距范围。

附图6为本发明所述的测距装置正对着墙面成像的折线线段示意图，激光器正对着墙面，激光照射到墙面上反射的折线或曲线在摄像头芯片上所成的像为一条直线线段。

附图7为本发明所述的测距装置斜对着墙面成像的折线线段示意图，激光器斜对着墙面，激光照射到墙面上反射的折线或曲线在摄像头芯片上所成的像为一条斜线线段。

前述实施例和优点仅是示例性的，并不应被理解为限制本公开。本发明可容易地应用于其它类型的设备。此外，本公开的示例性实施例的描述是解释性的，并不限制权利要求的范围，许多的替换、修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。

Claims (8)

1.一种双激光标定的高精度摄像头芯片多点测距装置及方法，该测距装置包括激光器A、激光器B、激光整型模块、成像透镜组、摄像头芯片及DSP处理单元；所述激光器A、激光器B分别经激光整型模块整型为线束激光，激光器A、激光器B的发射方向与摄像头芯片所在平面分别成不同的角度，激光器A、激光器B到摄像头芯片中心的距离不同；DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，由于所述两个激光器到摄像头芯片中心的距离及角度不同，因此这两个激光器的测距范围也不同。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述的激光整型模块分别安装在所述激光器A、激光器B后端，用于将点束激光整型为线束激光；

所述激光整型模块为成型透镜组、振动片或旋转棱镜。

3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述的成像透镜组进一步包括一滤光片；

所述滤光片安装在所述成像透镜组前端，用以滤掉特定波长的光并透过另一段特定波长的光。

4.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述的测距装置进一步包括一基座，所述的激光器A、激光器B、成像透镜组、摄像头芯片及DSP处理单元固定在该基座上。

5.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述激光器A到所述摄像头芯片中心的距离范围为3cm～9cm；

所述激光器B到所述摄像头芯片中心的距离范围为1cm～5cm；

所述激光器A的测距范围为1m～10m；

所述激光器B的测距范围为10㎝～100㎝。

6.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。

7.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述摄像头芯片包括但不限于CCD图像传感器、CMOS图像传感器。

8.一种激光测距方法，其特征在于，测距方法如下：

1)获取图像数据：DSP处理单元控制激光器A、激光器B轮流发射激光，发射的激光分别经过激光整型模块整型为线束激光，经过整型的线束激光照射到前方一定距离范围内目标物体表面，发生漫反射，反射的折线或曲线与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于摄像头芯片上，反射的折线或曲线成像为多条高亮度的折线线段或者曲线线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，摄像头芯片记录对应方向的一帧数字图像数据，并将该帧图像数据传输给DSP处理单元，该帧图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的图像数据；

2)处理图像数据：DSP处理单元对步骤1)中所述的数字化了的图像数据进行处理，首先用数字算法消除图像畸变，而后进行数据平滑消除噪点，最后设定门限进行二值化；

3)再次根据步骤1)中所述的折线线段或曲线线段的左右关系对图像平滑进而消除噪点，消除噪点后各条折线线段或曲线线段为自左向右排列，使得同一个X坐标上只有不超过一个高亮线段存在；

4)求取每一个X坐标上的高亮线段的质心：将同一个X坐标的高亮线段的点坐标加起来进行平均，可以得到对应X坐标的质心为Y；经过本步计算，从左到右的任意一个X坐标上，只可能有不超过1个的Y高亮质心点；对于某个X，如果有1个Y质心点，代表这个方向上的距离在测距范围内，如果没有Y质心点，代表这个方向上的距离不在测距范围内；

5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离，根据DSP控制的激光器轮流发射可以确定本次测距是根据激光器A还是激光器B测距，a)已知激光器A到摄像头芯片镜头组的距离为p₁，激光器B到摄像头芯片镜头组的距离为p₂，摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，激光器A与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₁，激光器B与摄像头芯片镜头中轴夹角为θ₂；

对于激光器A发射求垂直距离，对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求激光器A的垂直距离d₁，带入公式计算出的垂直距离d₁，其中，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上摄像头芯片成像的总点数；

对于最近测量点G₁，当G₁的理论值n＝y时，

如果θ₁＞α，就会有最远测距点d_T1，反之，θ₁≤α时，理论值是无穷远；同时要注意激光功率会衰减导致比较远处也无法被测量。

对于激光器B发射求垂直距离，根据Y轴坐标求激光器B的垂直距离d₂， $d_2=\frac{p_2\·y}{{\mathrm{cos\θ}}_2\·\[2\·n\·tg\mathrm{\α}-y\·(tg\mathrm{\α}-{\mathrm{tg\θ}}_2)\]}$

对于最近测量点G₂，当G₂的理论值n＝y时，

可求得最近测量量程d_G2，

如果θ₂＞α，可求得最远测量量程d_T2，

b)已知摄像头芯片镜头在X轴上视场角为2β，图像数据在X轴的中心点为O，每一个X代表一个方向，X方向与Y方向所成的方向角为γ，对于激光器A发射：对于x＝m，y＝n的坐标点来说，带入公式求出待测距离d_x1，获取测距结果(γ，d_x1)为在γ方向的距离d_x1；

对于激光器B发射，同样，激光器B与水平方向的夹角为θ₁₂，θ₁₂＝θ₂-θ₁，设激光器B对应在水平方向的距离为d_x2，d_x2＝d₂·cosθ₁₂，带入公式，求出待测距离d_x2，获取测距结果(γ，d_x2)为在γ方向的距离d_x2；

c)重复步骤a)及步骤b)，分别计算完自左向右整个2β宽角度范围内的多个点的测距角度及测距距离并将整个2β范围内的多个点的测距结果输出。