CN105717511B - 基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法 - Google Patents
基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距装置及方法，该激光测距装置包括激光发射器、激光整型模块、成像透镜组、普通摄像头芯片及DSP处理单元；激光发射器经激光整型模块整型为线束激光；激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度；激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度范围内的目标物体表面，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普通摄像头芯片上，DSP处理单元对上述成像的折线或曲线的图像数据进行处理，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，可以一次测量一个宽角度范围内多个点的距离，测距方式快速、灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及一种测距方法，尤其涉及一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法。
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。
本发明中提出采用一种激光整型装置，该激光整型装置将激光发射器发出的激光整型为线束激光，经过整型后激光发射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激光斑在拍摄图像中的位置不同，求出线段质心位置，按照本发明推导的公式可以求出物体距离。同时，本发明也提出了，前方物体距离不同所拍摄到的折线或曲线的粗细也不同：在近距离，成像的线段粗，线段直径可能为几十个像素点；在远距离，例如5米处，成像的线段细，线段直径可能只有几个像素点。记录这个不同线段粗细的特点，可以对所求取的距离值进行自纠错，对于错误的测距帧可以舍弃。同时，如附图3所示，理论上最近测距距离是G点，但由于激光不是一个像素点的激光线，而是有一定粗度的激光线，所以最近测距在I点；同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的图像线段。对于这些不完整线段的图像，提前记录下其图像计算质心和实际质心的不同位置对应关系，可以用来表述到超出理论值的近距离测量。
发明内容
本发明针对上述技术存在的缺陷，提供了一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法，该测距方法可以一次测量一个宽角度范围内多个点的距离；测距装置结构简单，用户成本低；测距方法快速、灵敏，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，一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法，包括以下步骤：
1)获取图像数据：调整激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度，激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度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普通摄像头芯片上，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，普通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：
a)对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求垂直距离d，已知激光发射器到普通摄像头芯片镜头组的距离为p，普通摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，普通摄像头芯片镜头中轴与激光发射器夹角为θ，带入公式计算出垂直距离d，其中，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上普通摄像头芯片成像的总点数；
对于最近测量点G，当G的理论值n＝y时，可求得最近测量量程dG，
b)已知普通摄像头芯片镜头在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x＝m，y＝n的坐标点来说，带入公式求出待测距离dx，获取测距结果(γ，dx)为在γ方向的距离dx；
c)重复步骤a)及步骤b)，计算完自左向右整个X轴方向上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。
所述的步骤3)中进一步包括对不同距离的成像的折线线段或曲线线段自校准步骤：假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在普通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的粗细也不同，记录下在不同距离的折线线段或曲线线段粗细特性和垂直距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
所述测距方法进一步包括对无法拍摄到完整反射折线或反射曲线的某一点距离以内的物体测距方法：对其在普通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，从而获取超出理论值的测距范围。
所述激光发射器经激光整型模块整型为线束激光，激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度；激光发射器到普通摄像头芯片中心的距离为3cm～9cm；
所述的激光整型模块安装在所述激光发射器后端，用于将点束激光整型为线束激光；所述激光整型模块可以为成型透镜、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。
所述的测距装置进一步包括一基座，所述激光发射器、成像透镜组、普通摄像头芯片及DSP处理单元固定在该基座上。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明中激光发射器经激光整型模块整型发出的线束激光，照射到前方目标物体表面反射所成的像为折线线段或曲线线段，经过DSP处理单元进行数据处理得到待测距离，本发明可以一次测量一个宽角度范围内多个点的距离，提高了测量精度，使得测量距离更加快速精确。
2)本发明结构简单，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为基于本发明所述测距方法的测距装置结构示意图
图2为基于本发明所述测距方法的测距装置侧视图
图3为本发明所述的测距方法在Y轴方向测距方法原理图
图4为本发明所述的测距方法在X轴方向测距方法原理图
图5为本发明所述的测距方法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方法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方法斜对着墙面得到的折线线段示意图
图中符号表示：1：激光发射器；2：DSP电路；3：FIFO模块；4：成像透镜；5：普通摄像头芯片；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
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，一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法，采用的装置如下：激光发射器1、激光整型模块10、成像透镜组4、普通摄像头芯片5及DSP处理单元8；激光发射器1经激光整型模块10整型为线束激光，线束激光照射到前方宽角度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共同成像于普通摄像头芯片5上，普通摄像头芯片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。
激光整型模块10安装在激光发射器1的后端，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。
如附图2所示，所采用的测距装置进一步包括一基座7，激光发射器1、成像透镜组4、普通摄像头芯片5及DSP处理单元8固定在该基座上，基座8与普通摄像头芯片所在平面成一定角度，本实施例中所成的角度可以为84.3°；激光发射器1到成像透镜组4的距离可以为5㎝。
本实施例中普通摄像头芯片5为CCD图像传感器，在本发明的其他实施例中，普通摄像头芯片5可以为CMOS图像传感器。
一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法，步骤如下：
1)获取图像数据：调整激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度，激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度范围内待测目标物体表面，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普通摄像头芯片上，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，普通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，将各条折线线段或曲线线段调整为自左向右的折线，使得同一个X坐标上只有一个高亮线段存在；
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。
如同算法原理所述，在普通摄像头芯片所成的图像中X轴方向的每一列代表一个成像角度，而Y轴成像坐标代表测距距离对应当前位置的垂直距离。
5)根据自左至右的所有(X，Y)计算测量角度和测量距离：
a)对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求垂直距离d，如图3所示：已知激光发射器到普通摄像头芯片镜头组的距离为p，普通摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，普通摄像头芯片镜头中轴与激光发射器夹角为θ，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上普通摄像头芯片成像的总点数，
求解如下：设L＝BE，那么根据三角形相似原理推出：
根据公式(1)得出：
由公式(2)得出：
又因为
得出垂直距离d，
另外，对于最近测量点G，当G的理论值n＝y时，带入公式(5)，可求得最近测量量程dG，
b)已知普通摄像头芯片镜头在X轴上视场角为2β，图像数据在X轴的中心点为O，如图4所示：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x＝m，y＝n的坐标点来说，推出测量距离dx，
步骤a)中已经求取了本方向的垂直距离为d，结合公式(5)和公式(7)，可以求dx，获取测距结果(γ，dx)为在γ方向的距离dx；
c)重复步骤a)及步骤b)，计算完自左向右整个X轴方向2β宽角度范围内的2X个点的测距角度及测距距离并将整个2β范围内的2X个点的测距结果输出。
步骤3)中进一步包括折线粗细和垂直距离的关系进行自校准步骤：假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在普通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；记录下在不同距离成像的的折线线段或曲线线段粗细特性和垂直距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
结合附图3所示，G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普通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普通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普通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 (3)
1.一种基于线束激光器和普通摄像头芯片的多点测距方法，其特征在于，测距步骤如下：
1)获取图像数据：调整激光发射器的发射方向与普通摄像头芯片所在平面成某一角度，激光发射器经过激光整型模块发出的线束激光照射到前方宽角度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普通摄像头芯片上，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，普通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：
a)对于某一个(X，Y)，根据Y轴坐标求垂直距离d，已知激光发射器到普通摄像头芯片镜头组的距离为p，普通摄像头芯片镜头在Y轴视场角为2α，普通摄像头芯片镜头中轴与激光发射器夹角为θ，带入公式计算出垂直距离d，其中，n为激光点在Y轴上的坐标，y为Y轴方向上普通摄像头芯片成像的总点数；
对于最近测量点G，当G的理论值n＝y时，可求得最近测量量程dG，
b)已知普通摄像头芯片镜头在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x＝m，y＝n的坐标点来说，带入公式求出待测距离dx，获取测距结果(γ，dx)为在γ方向的距离dx；
c)重复步骤a)及步骤b)，计算完自左向右整个X方向上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。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于：所述的步骤3)中进一步包括对不同距离的成像的折线线段或曲线线段自校准步骤：假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在普通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的粗细也不同，记录下在不同距离的折线线段或曲线线段粗细特性和垂直距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
3.根据权利要求1或2所述的测距方法，其特征在于：该方法进一步包括对无法拍摄到完整反射折线或反射曲线的某一点距离以内的物体测距方法：对其在普通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，从而获取超出理论值的测距范围。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20200804 Address after: No. 181, erbatou, taimuyang village, Qinyu Town, Fuding City, Ningde City, Fujian Province Patentee after: Deng Weixiao Address before: 100084, building 88, No. 1, Nongda South Road, Beijing, Haidian District, B1-317 Patentee before: BEIJING ROBOTLEO INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20201118 Address after: Room 501, Jianshe building, No.20, Zhongshi Road, Huangdai Town, Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Suzhou Xiangcheng Daichen science and Technology Industrial Park Operation Management Co., Ltd Address before: No. 181, erbatou, taimuyang village, Qinyu Town, Fuding City, Ningde City, Fujian Province Patentee before: Deng Weixiao |