CN105717513A - 一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法 - Google Patents

一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法，该激光测距装置包括激光发射器、成像透镜组、普通摄像头芯片及图像处理单元；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设置；激光发射器到普通摄像头芯片中心的距离为一特定值；激光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑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，经过图像处理单元接收光斑，计算出待测距离。本发明结构简单，用户成本低；测距方式快速、灵敏，在通信、航空、智能家居等测距领域有很高的应用价值。

Description

一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测距方法，尤其涉及一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法。
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，用来画地图、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。假设激光发射到目标物体上，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激光斑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，求出光斑质心位置，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光斑大小也不同：在近距离，成像的光斑大，光斑直径可能为几十个像素点；在远距离，例如5米处，成像的光斑小，光斑直径可能只有几个像素点。记录这个不同光斑大小的特点，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，而是一片光斑，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光斑。对于这些不完整光斑的图像，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，提供了一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法，本发明的测距装置结构简单，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，一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法，其特征在于：该装置包括激光发射器、成像透镜组、普通摄像头芯片及图像处理单元；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，激光发射器发出激光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑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，实现光信号转换为电信号，普通摄像头芯片把图像数据传输给图像处理单元，图像处理单元采集光斑并计算出待测距离。
所述的图像处理单元包括FIFO模块、连接导线、处理器DSP电路；普通摄像头芯片输出的数字图像信号，通过连接导线缓存在FIFO模块，或者直接输入DSP电路进行处理。
该测距装置进一步包括一基座，所述成像透镜组、普通摄像头芯片及图像处理单元固定在该基座上。
所述激光发射器的发射方向与所述普通摄像头芯片所在平面所成角度的范围为81°～86°。
所述激光发射器到所述普通摄像头芯片中心的距离范围为3cm～9cm。
所述普通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激光测距方法如下：
1)调整激光头，使激光头方向平行于普通摄像头芯片视野的方向；激光发射器发出点状激光照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑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，实现光信号转换为电信号；
2)普通摄像头芯片把一帧数字图像数据传输给图像处理单元，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；
3)对该帧光斑图像进行处理，首先用数字算法消除图像畸变，而后根据激光的颜色以及亮度进行平滑，最后进行二值化；
4)对该光斑求取质心，将所有二值化后判定为高的坐标点，全部坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(X，Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
5)已知激光发射器到普通摄像头芯片镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的光斑质心坐标Y对应的点数，y为普通摄像头芯片成像的总的Y轴点数；
所述的步骤3)中还包括光斑图像的自校准步骤：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光斑图像的大小也不同，记录下在不同距离的光斑大小特性和距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
上述测距方法还包括对于无法拍摄到完整光斑图像的某一点距离以内的物体测距方法：对其普通摄像头芯片范围内的不完整光斑求取质心，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。
本发明具有如下有益效果：
1)通过对光斑图像进行数字算法消除图像畸变、平滑及二值化等一系列分析处理，获得图像光斑的质心，代入本发明对应设备的距离公式中求取待测距离，提高了测量精度，使得测量距离更加快速精确。
2)由于近距离成像的光斑会比较大，远距离的光斑会比较小，本发明通过实测记录光斑大小特性和距离的关系，从而进行自校准。对于不符合该特性的测量可以判定为是一次失败的测距，丢弃本次测距。
3)对于无法拍摄到完整光斑图像的某一点距离以内的物体，对其在普通摄像头芯片范围内的不完整光斑求取质心，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。
4)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为本发明所述的激光测距装置结构示意图
图2为本发明所述的激光测距装置结构侧视图
图3为本发明所述的激光测距原理图
图4为处理后的激光光斑图像效果图
图5为近距离拍照的不完整光斑示意图
图中符号表示：1：激光发射器；2：DSP电路；3：FIFO模块；4：成像透镜组；5：普通摄像头芯片；6：连接导线；7：基座；8：图像处理单元
a-近距离光斑图像；b-远距离光斑图像；c-中距离光斑图像
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，一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置，该装置包括激光发射器1、成像透镜组4、普通摄像头芯片5及图像处理单元8；所述的图像处理单元8包括FIFO模块3、连接导线6、DSP电路2；普通摄像头芯片5输出的数字图像信号，通过连接导线缓存在FIFO模块3，或者直接输入DSP电路2进行处理。
如图2所示，该激光发射器进一步还包括一基座7，所述成像透镜组4、普通摄像头芯片5及图像处理单元8固定在该基座7上；所述激光发射器1的发射方向与所述普通摄像头芯片5所在平面所成角度的范围为81°～86°，本实施例中优选84.3°。
所述激光发射器1到所述普通摄像头芯片5中心的距离范围为3cm～9cm，本实施例中优选5cm。
在本实施例中普通摄像头芯片5选用CCD图像传感器；在本发明的另一实施例中普通摄像头芯片5选用CMOS图像传感器。
该测距装置通过激光发射器1发出光束照射到待测的目标物体上，从目标物体上反射的光束经过普通摄像头芯片5把光信号转换为电信号，经过图像处理单元8数据处理得到待测距离信息，结构简单，体积小，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。
具体来说，本发明还提供一种上述激光测距装置的测距方法：
1)从激光发射器1发出点状激光束照射到待测目标物体表面发生漫反射，反射的光斑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5上，实现光信号转换为电信号；
2)普通摄像头芯片5获取该帧图像光斑后，首先用数字算法消除图像畸变，而后根据激光的颜色以及亮度进行平滑，最后进行二值化处理，可以得到如图4所示的图像效果图，在实测中光斑的边缘一般不会这么光滑。
其中，对于在不同的距离成像的激光斑，通过记录下在不同距离的光斑大小特性和距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
3)对步骤2)中处理的光斑求取质心：将所有二值化后判定为高的坐标点，全部坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(X，Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；距离越远的位置，成像光斑越靠下，同时光斑占像素点越少；反之，距离越近的位置，成像光斑越靠上，同时光斑占像素点越多。
4)计算待测距离，如图3所示，已知成像透镜组中心B距激光器A的距离为p，成像透镜组的视场角为2α，整个视场角的拍摄范围为DF，n为上述图像中的光斑质心坐标Y对应的点数，y为普通摄像头芯片成像的总的Y轴点数，根据三角形定律，得出如下公式：
C D D F = n y = p 2 * d 2 * s i n α , 推出 d 2 = p * y 2 * n * s i n α , 又因为d1＝AC＝d2＝BD，p＝CD＝AB(根据平行线定律)，即得到待测距离AC间的距离d1。
如图3、图5中所示，G点为理论上最近测距距离，但由于激光不是一个像素点，而是一片光斑，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光斑；对H点以内的在普通摄像头芯片范围内的不完整光斑求取质心，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。
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 (9)

1.一种基于普通摄像头芯片的低成本激光测距装置及方法，其特征在于：该装置包括激光发射器、成像透镜组、普通摄像头芯片及图像处理单元；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，激光发射器发出激光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑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，实现光信号转换为电信号，普通摄像头芯片把图像数据传输给图像处理单元，图像处理单元采集光斑并计算出待测距离。
2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述的图像处理单元包括FIFO模块、连接导线、处理器DSP电路；普通摄像头芯片输出的数字图像信号，通过连接导线缓存在FIFO模块，或者直接输入DSP电路进行处理。
3.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：该测距装置进一步包括一基座，所述成像透镜组、普通摄像头芯片及图像处理单元固定在该基座上。
4.根据权利要求3所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发射器的发射方向与所述普通摄像头芯片所在平面所成角度的范围为81°～86°。
5.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发射器到所述普通摄像头芯片中心的距离范围为3cm～9cm。
6.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述普通摄像头芯片包括但不限于CCD图像传感器、CMOS图像传感器。
7.一种激光测距方法，其特征在于，测距方法如下：
1)调整激光头，使激光头方向平行于普通摄像头芯片视野的方向；激光发射器发出点状激光照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑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，实现光信号转换为电信号；
2)普通摄像头芯片把一帧数字图像数据传输给图像处理单元，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；
3)对该帧光斑图像进行处理，首先用数字算法消除图像畸变，而后根据激光的颜色以及亮度进行平滑，最后进行二值化；
4)对该光斑求取质心，将所有二值化后判定为高的坐标点，全部坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(X，Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
5)已知激光发射器到普通摄像头芯片镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的光斑质心坐标Y对应的点数，y为普通摄像头芯片成像的总的Y轴点数。
8.根据权利要求7所述的激光测距方法，其特征在于：所述的步骤3)中还包括光斑图像的自校准步骤：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光斑图像的大小也不同，记录下在不同距离的光斑大小特性和距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
9.根据权利要求7所述的激光测距方法，其特征在于：还包括无法拍摄到完整光斑图像的某一点距离以内的物体测距方法：对其普通摄像头芯片范围内的不完整光斑求取质心，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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