CN107270867A

CN107270867A - 一种主动测距系统以及方法

Info

Publication number: CN107270867A
Application number: CN201710694264.5A
Authority: CN
Inventors: 代红林
Original assignee: Elco Tianjin Electronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Yike Automation Co ltd
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: CN107270867B

Abstract

本发明公开了一种主动测距系统，包括摄镜头、发射圆锥镜、发射孔径光阑、发光光源、准直透镜、圆形接收孔径光阑，发射光源经过发射孔径光阑遮挡后发射，发射准直透镜置于光源之前，发射光源射向发射圆锥镜的锥尖，发射圆锥镜的锥尖投射的阴影中心与面阵CCD/CMOS传感器的中心重合，面阵CCD/CMOS传感器面上覆盖圆形孔径光阑，所述圆形孔径光阑的开孔直径等于阵CCD/CMOS传感器有效区域的内切圆直径。相应地，还提供了一种主动测距方法，本发明可以通过视觉成像来检测距离，无需另外安装测距传感器，节约了独立使用光电传感器测距的成本，便于在产业上推广和应用。

Description

一种主动测距系统以及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，特别是涉及一种基于单目摄像头和投光器的主动测距系统及方法。

背景技术

目前行业内视觉测距一般是利用双目成像系统，根据双目视图偏差、双目相机成像点距离等参数，建立主动视角测距的坐标模型，根据建立的测距模型对被测目标进行测量。该方法不仅硬件上需要双成像系统，且调校标定复杂，耗时长，摄像系统的任意参数发生变化需要重新标定，计算测距算法也较为复杂。另外，传统的双目测距系统对低照度、画面变化频繁的应用场景并不适合。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种主动测距系统以及方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种主动测距系统，包括摄镜头、发射圆锥镜、发射孔径光阑、发光光源、准直透镜、圆形接收孔径光阑，发射光源经过发射孔径光阑遮挡后发射，发射准直透镜置于光源之前，发射光源射向发射圆锥镜的锥尖，发射圆锥镜的锥尖投射的阴影中心与面阵CCD/CMOS传感器的中心重合，面阵CCD/CMOS传感器面上覆盖圆形孔径光阑，所述圆形孔径光阑的开孔直径等于阵CCD/CMOS传感器有效区域的内切圆直径，圆形孔径光阑的中心和面阵CCD/CMOS传感器有效感光区域的中心重合。

相应地，还提供了一种主动测距方法，所述方法利用如上述所述的系统进行，测距时在光源开闭前后分别获取一张照片，二者图像做差，提取光斑环带特征，计算出光斑环带直径所占的像素点数目；该装置获取的像素点带入公式(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，计算出l，其中m光斑环带直径在水平方向所占像素个数，M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，θ1、θ2分别光束发射半角、摄像头水平视场半角，l为距离摄像头虚拟原点的距离，圆锥镜反射光虚拟原点与摄像头虚拟原点间距为h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，可以通过视觉成像来检测距离，无需另外安装测距传感器，节约了独立使用光电传感器测距的成本，便于在产业上推广和应用。

附图说明

图1所示为本申请的结构示意图；

图2所示为本申请中面阵CCD/CMOS传感器与其他模块连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出了一种测距方法，不仅降低了成像系统的数目，还不受环境照度的影响，对动态画面的测距也不受影响。本发明的测距主要依靠光斑的成像进行测距的，其自身发出的光斑可以认为是静态的，且不会因为外界环境照度低导致无法成像。

如图1所示，本申请系统包括单目摄像镜头4、发射圆锥镜11、发射孔径光阑15、遮光筒12、透明窗口支架5、发光光源14、准直透镜13、圆形接收孔径光阑8、图像处理单元模块10、光源驱动模块、信号输出单元、显示单元模块等。面阵CCD/CMOS传感器9、光源驱动模块、信号输出单元(输出视频信号和测距数据)、显示单元模块均与图像处理单元模块10相连，发射光源14与光源驱动模块相连。发射光源14经过发射孔径光阑15遮挡后发射，发射准直透镜13置于发射光源14之前，发射光源14射向发射圆锥镜11的锥尖，发射圆锥镜11的锥尖投射的阴影中心即是该面阵型CCD/CMOS传感器9的中心，面阵CCD/CMOS传感器9面上覆盖圆形孔径光阑8，该光阑的开孔直径等于传感器有效区域的内切圆直径，圆形孔径光阑9的中心和面阵CCD/CMOS传感器有效感光区域的中心重合。遮光筒12固定在面阵CCD/CMOS传感器9的有效感光区域的中心。

其中，单目摄像头和圆锥反射镜、准直透镜、光源等光轴共轴；摄像头4置于发射光源14之前，摄像头4的光轴和发射光源14光轴共轴；发射光束经过准直透镜准直后得到平行光；发射的平行光经发射圆锥镜发射后，照射到前方物体上可以得到环形的光斑；发射光光束发射半角的角度小于摄像头横向和纵向的视场角，使得所成圆环光斑始终在摄像机视场之内；发射光的光源为红外光源，中心波长可以是808nm、850nm、940nm等红外光；摄像头4固定在透明窗口支架5上，透明窗口支架5一方面支撑摄像头，另一方面发射光通过其透明窗口部分发射出去；发射孔径光阑主要用于限制打到圆锥锥尖上的光斑直径；遮光筒在防止外界干扰的同时，还可以限制经圆锥镜反射后的出光环带宽度；测距时在光源开闭前后分别获取一张照片，二者图像做差，提取光斑环带特征，计算出光斑环带直径所占的像素点数目；该装置获取的像素点带入公式(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，计算出l。其中m光斑环带直径在水平方向所占像素个数，M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，θ1、θ2分别为发射光的半角、水平视场半角。l为距离摄像头虚拟原点的距离，圆锥镜反射光虚拟原点与摄像头虚拟原点间距为h。

相应地，还提供了一种利用上述主动测距系统的测距方法，可以通过视觉成像来检测距离，无需另外安装测距传感器。圆锥反射镜圆锥角为θ(θ＜90°)，圆锥发射镜圆周角很小，一般为10°以下，发射光源通过该圆锥反射镜反射后，得到一环形光，再讲过遮光筒对反射光束的约束，在接收屏上得到一圆形环带光斑，环带光斑的粗细取决于发射孔径光阑和遮光筒的约束。该发射光打到垂直于圆锥轴线上的接收屏上后，得到一圆形光斑。摄像头置于圆锥反射镜之前，但不会阻挡圆锥反射镜的发射光，经圆锥发射镜反射后发射光的半角θ1小于摄像头的水平视场半角θ2，摄像头能够拍摄到光斑的完整形状，由图像处理单元进行处理，经过传输单元输出视频图像和测得距离数据，其中θ1＝θ。摄像头中的图像处理单元提取圆形光斑的特征，计算出直径在水平方向所占像素个数m，通过L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，其中θ1、θ2分别为发射光的半角、水平视场半角。M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，L和l分别为接收面距离圆锥镜虚拟原点和距离摄像头虚拟原点尺寸，两虚拟点间距为h，则有l＝L+h，h需要提前确定，确定的过程如下，当接收板距离圆锥镜虚拟原点在L3处时，测得光斑直径在水平方向所占像素数为m3，当为L4时测得所占像素点数为m4，则分别带人L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，l＝L+h，则可求得h。则L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M变为(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，因为h、θ1、θ2、M均为已知，m可以通过计算求得，因此可以计算出l，即接收面距离摄像头虚拟原点尺寸。

测距时光源开闭前后分别得到一幅图像，光源开启前拍摄的一幅图像作为背景图像，光源开启后拍得图像不仅包括光源开启前图像，还包括光斑图像，将光源开闭前后的两幅图像做差，则可得到光斑的图像。基于此原理将两幅图像做差，提取出光斑环带特征，计算出光斑直径所占的像素点数。利用公式(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，选取距离已知的两个点l1和l2，分别带入该公式，求出h，则后续求l时，对该装置而言，h值为已知值。θ1、θ2、M也为已知值，m是根据成像计算出的像素点，则将以上值带入(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，即可求出唯一未知值l，即测得距离值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动测距系统，其特征在于，包括摄镜头、发射圆锥镜、发射孔径光阑、发光光源、准直透镜、圆形接收孔径光阑，发射光源经过发射孔径光阑遮挡后发射，发射准直透镜置于光源之前，发射光源射向发射圆锥镜的锥尖，发射圆锥镜的锥尖投射的阴影中心与面阵CCD/CMOS传感器的中心重合，面阵CCD/CMOS传感器面上覆盖圆形孔径光阑，所述圆形孔径光阑的开孔直径等于阵CCD/CMOS传感器有效区域的内切圆直径，圆形孔径光阑的中心和面阵CCD/CMOS传感器有效感光区域的中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种主动测距系统，其特征在于，还包括遮光筒、透明窗口支架，光源、准直透镜、发射圆锥镜设置在遮光筒内，遮光筒上端连接有透明窗口支架，摄像头固定在透明窗口支架上。

3.根据权利要求1所述的一种主动测距系统，其特征在于，还包括图像处理单元模块、光源驱动模块、信号输出单元、显示单元模块，所述面阵CCD/CMOS传感器、光源驱动模块、信号输出单元、显示单元模块均与图像处理单元模块相连，光源与光源驱动模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种主动测距系统，其特征在于，所述摄像头置于发射光源之前，摄像头的光轴和发射光源光轴共轴。

5.根据权利要求1所述的一种主动测距系统，其特征在于，经圆锥发射镜反射后发射光的光束发射半角小于摄像头水平视场半角，使得所成圆环光斑始终在摄像机视场之内。

6.根据权利要求1所述的一种主动测距系统，其特征在于，测距时在光源开闭前后分别获取一张照片，二者图像做差，提取光斑环带特征，计算出光斑环带直径所占的像素点数目，该装置获取的像素点带入公式(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，计算出l，其中m光斑环带直径在水平方向所占像素个数，M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，θ1、θ2分别光束发射半角、摄像头水平视场半角，l为距离摄像头虚拟原点的距离，圆锥镜反射光虚拟原点与摄像头虚拟原点间距为h。

7.一种主动测距方法，其特征在于，所述方法利用如上述权利要求1-6中任一项所述的系统进行，测距时在光源开闭前后分别获取一张照片，二者图像做差，提取光斑环带特征，计算出光斑环带直径所占的像素点数目；该装置获取的像素点带入公式(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，计算出l，其中m光斑环带直径在水平方向所占像素个数，M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，θ1、θ2分别光束发射半角、摄像头水平视场半角，l为距离摄像头虚拟原点的距离，圆锥镜反射光虚拟原点与摄像头虚拟原点间距为h。

8.根据权利要求7所述的主动测距方法，其特征在于，圆锥反射镜圆锥角为θ，θ＜90°。

9.根据权利要求7所述的主动测距方法，其特征在于，发射光源通过该圆锥反射镜反射后，得到一环形光，该发射光打到垂直于圆锥轴线上的接收屏上后，得到一圆形光斑，摄像头置于圆锥反射镜之前，但不会阻挡圆锥反射镜的发射光，经圆锥发射镜反射后发射光的光束发射半角θ1小于摄像头的水平视场半角θ2，摄像头能够拍摄到光斑的完整形状，由图像处理单元进行处理，经过传输单元输出视频图像和测得距离数据，其中θ1＝θ，摄像头中的图像处理单元提取圆形光斑的特征，计算出直径在水平方向所占像素个数m，通过L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，其中θ1、θ2分别为光束发射半角、水平视场半角，M为图像传感器有效感光区域在水平方向的像素总数目，L和l分别为接收面距离圆锥镜虚拟原点和距离摄像头虚拟原点尺寸，两虚拟点间距为h，则有l＝L+h，h需要提前确定，确定的过程如下，当接收板距离圆锥镜虚拟原点在L3处时，测得光斑直径在水平方向所占像素数为m3，当为L4时测得所占像素点数为m4，则分别带入L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，l＝L+h，则可求得h。则L*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M变为(l-h)*tanθ1/(l*tanθ2)＝m/M，因为h、θ1、θ2、M均为已知，m可以通过计算求得，因此可以计算出l，即接收面距离摄像头虚拟原点尺寸。