CN107806830A - 一种基于变焦摄像头的测距装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于变焦摄像头的测距装置及使用方法，包括变焦镜头，在变焦镜头的聚焦环和变焦环处分别设置有齿轮一和齿轮二，变焦镜头和CMOS相机相组合后通过步进电机一和步进电机二设置在机架上，使步进电机一的输出齿轮和齿轮一啮合，步进电机二的输出齿轮和齿轮二啮合，通过同时变焦和聚焦寻找被测目标物的清晰成像，然后根据神经网络算法计算目标物至镜头的距离，具有系统简单，成本低，适用于粮库环境的距离测量，并能获得相对较高的测量精度的特点。

Description

一种基于变焦摄像头的测距装置及使用方法

技术领域

本发明涉及测距技术领域，特别涉及一种基于变焦摄像头的测距装置及使用方法。

背景技术

粮库内存粮量变化周期一般较长，且粮库内粮面平整，采用测量粮面高度来反应存粮量是一种简单有效的方法。

根据透镜成像原理(如图1)，当透镜能够清晰成像时，物距、焦距和像距三者满足高斯公式。所以，当焦距一定的情况下，通过调焦得到被测目标物清晰图像时的像距，再根据高斯公式即可计算出被测目标物至镜头的距离。但是，当透镜的焦距一定的情况下，物距u>2f时，像距v的变化范围非常小(如图2)，所以定焦镜头是无法进行较大范围的距离测量的。

现有的测距装置如超声波测距，传统的激光测距、红外线测距等，会受到测量环境等因素的影响。红外线测距测量的精度低，距离近，方向性差；激光测距制作难度大，成本高，而且必须保证光学系统干净，否则将影响测量；超声波测距虽然可以在较差的环境下使用，但是其精度低，成本高。所以寻找一种能够适应粮库环境下的测距装置非常有必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于变焦摄像头的测距装置及使用方法，本发明采用普通的变焦镜头，通过同时变焦和聚焦寻找被测目标物的清晰成像，然后根据神经网络算法计算目标物至镜头的距离，具有系统简单，成本低，适用于粮库环境的距离测量，并能获得相对较高的测量精度的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于变焦摄像头的测距装置，包括变焦镜头6，在变焦镜头6的聚焦环和变焦环处分别设置有齿轮一3和齿轮二5，变焦镜头6和CMOS相机1相组合后通过步进电机一4和步进电机二7设置在机架2上，使步进电机一4的输出齿轮和齿轮一3啮合，步进电机二7的输出齿轮和齿轮二5啮合。

一种基于变焦摄像头的测距装置的使用方法，

将两个步进电机分别经过齿轮减速机构与变焦镜头的变焦环和聚焦环进行固定，即可使变焦环与聚焦环旋转的角度转换为两个步进电机旋转的脉冲数；

第一步，数据处理模块向电机驱动模块发送某一固定脉冲数，驱动变焦环电机调节变焦环旋转相应角度，CMOS相机1拍摄一张照片，由显示模块进行显示，同时图像检测模块按照选定的图像质量清晰度评价函数计算清晰度值，并将此值发送给数据处理模块，数据处理模块将本次清晰度值和变焦环位置(变焦环电机移动脉冲数)进行记录；

第二步，数据处理模块再向电机驱动模块发送另一固定脉冲数，驱动聚焦环电机旋转，CMOS相机1拍照后图像检测模块计算清晰度值，与上一次计算出的清晰度值进行比较，然后按照爬山算法(或其他搜索算法)依次调节聚焦环并计算相应位置时拍摄照片的清晰度，直至找出在该焦距位置时清晰度最高的聚焦环位置，将相应聚焦环电机和变焦环电机移动的脉冲数记录在数据处理模块中；

第三步，数据处理模块控制变焦环电机，将变焦环移动到下一位置，按照上一步中同样的方法调节聚焦环，找出该焦距位置时清晰度最高的聚焦环位置，比较两个焦距位置上的最高清晰度值，如果本次最高清晰度值小于上次，则将上次最高清晰度值对应的位置作为清晰成像的位置，否则继续移动变焦环至第三位置，在变焦环调节范围内重复此过程直至找到在整个焦距范围内清晰度最高的位置作为清晰成像的位置，此时，变焦环和聚焦环电机旋转的总脉冲数将对应于清晰成像时的焦距和像距。

本发明的有益效果是：

本发明可使用现有变焦镜头，结构简单成本低，成功克服了由于无法得到精确焦距和像距而无法计算物距的困难，特别适用于粮库等中近程静止物体的距离测量，能够获得较高的精度，如果结合监控摄像头可将测距与监控同时完成。

附图说明

图1是成像原理示意图。

图2是定焦时物距与像距的函数关系示意图。

图3是本发明系统结构示意图。

图4是本发明调焦成像机构装配轴测示意图。

图5是本发明调焦成像机构装配俯视示意图。

图6是本发明调焦成像机构中机架示意图。

图7是本发明调焦成像机构减速机构中齿轮示意图。

图8是试验被测目标物图形示意图。

图9是试验流程图。

图10是试验数据表。

图11是实验数据精确度对比表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

如图4、图5所示，调焦成像机构由变焦镜头、CMOS相机、步进电机、齿轮和机架组成。分别将齿轮一3和齿轮二5固定在变焦镜头6的聚焦环和变焦环处，然后将CMOS相机1和变焦镜头6组合后，与步进电机一4和步进电机二7固定在机架2上，并且使步进电机一4的输出齿轮和齿轮一3啮合，步进电机二7的输出齿轮和齿轮二5啮合。

试验数据的采集：

取一块白色纸板，在其上绘制如图8所示图形，作为被测目标物。

将被测目标物放置在距离变焦镜头6为a的位置，通过控制系统给变焦环电机发送n个脉冲，使变焦环移动一格，然后由控制系统控制聚焦环电机按照爬山算法的准则寻找到照片清晰成像时聚焦环的位置，并记录此位置时聚焦环电机旋转的脉冲数，如图9所示。

保持被测目标物位置不变，再给变焦环电机发送n个脉冲，使变焦环移动二格，然后再按照上步中的方法调节聚焦环寻找清晰成像位置，并记录相应脉冲数。不断重复此过程，直至变焦环无法调节为止。

依次将被测目标物与镜头之间的距离调节为a的整数倍(镜头位置不变)，不断重复上述两个步骤，可得到被测目标物距离、变焦环脉冲数和聚焦环脉冲数三者对应关系的数据表，如图10所示。

在试验过程中，如果控制系统寻找出清晰度最高的位置，但通过人工判断此时照片仍为不清晰时，说明在当前位置、焦距下无法清晰成像，此时可忽略聚焦环脉冲数。

将图10中的数据进行分析，删除掉变化范围小或变化规律不明显的数据，保留数据为图10中深色背景部分，将保留数据以表格形式存放在控制器中，这些数据将作为快速调节变焦环和聚焦环的依据。

测距使用方法：

将调焦机构中的摄像头对准粮库中的粮面，在显示屏上选择被测物，变焦环和聚焦环调整至初始位置，变焦环电机和聚焦环电机的脉冲数清零，开始进行测量。

控制器按照数据表(图10中深色背景部分)取出第一个焦距所对应的脉冲值发送至变焦环电机控制其旋转，CMOS相机1拍摄照片后在控制器中进行清晰度计算，然后控制器按照数据表查询出该焦距位置时聚焦环电机的脉冲变化范围，控制器按照爬山算法的规则在此范围内控制聚焦环，直至寻找出拍摄照片清晰度值最高的位置，将当前位置时的清晰度值、变焦环和聚焦环电机旋转的脉冲数记录在控制器中。

控制器按照数据表(图10中深色背景部分)取出第二个焦距所对应的脉冲值发送至变焦环电机，驱动变焦环电机旋转，控制器采用与上一步中相同的方法控制聚焦环电机寻找出该焦距位置时照片清晰度最高的聚焦环位置。比较两个焦距位置上的最高清晰度值，如果本次最高清晰度值小于上次，则将上次最高清晰度值对应的位置作为清晰成像的位置，否则继续移动变焦环至数据表中下一位置，在数据表中焦距范围内重复此过程直至找到在整个焦距范围内清晰度最高的位置作为清晰成像的位置。控制器中记录此位置时，变焦环和聚焦环电机移动的脉冲数。

控制器将清晰成像时得到的变焦环和聚焦环电机脉冲数，送入神经网络中进行计算，得出的结果即为被测目标至镜头的距离，在显示屏上进行显示。

通过试验验证，该方法在摄像头清晰成像范围内能够获得较高的测量精度，如图11所示。

变焦镜头多是通过改变镜头组之间的距离来改变焦距的，而且镜头的位移也很难精确的测量，所以无法通过两个电机旋转的脉冲数计算出精确的焦距和像距，进而也无法通过高斯公式计算物距。

通过试验的方法，在镜头有效测量距离的范围内沿某一固定方向等距离采集目标图像序列，每一位置的目标图像均按照上述方法找到清晰成像时变焦环和聚焦环的位置，并在数据处理模块中读取此位置时对应的变焦环和聚焦环脉冲数。完成试验后将得到一组被测目标距离、变焦环脉冲数和聚焦环脉冲数三者对应关系的数据表，将该数据表输入神经网络进行训练，在实际测量时，按照前述方法将清晰成像时的变焦环脉冲数和聚焦环脉冲数输入物距计算模块中经过训练的神经网络后便可计算出被测目标的距离。

Claims (2)

1.一种基于变焦摄像头的测距装置，其特征在于，包括变焦镜头(6)，在变焦镜头(6)的聚焦环和变焦环处分别设置有齿轮一(3)和齿轮二(5)，变焦镜头(6)和CMOS相机(1)相组合后通过步进电机一(4)和步进电机二(7)设置在机架(2)上，使步进电机一(4)的输出齿轮和齿轮一(3)啮合，步进电机二(7)的输出齿轮和齿轮二(5)啮合。

2.一种基于变焦摄像头的测距装置的使用方法，其特征在于，包括，

将两个步进电机分别经过齿轮减速机构与变焦镜头的变焦环和聚焦环进行固定，即可使变焦环与聚焦环旋转的角度转换为两个步进电机旋转的脉冲数；

第一步，数据处理模块向电机驱动模块发送某一固定脉冲数，驱动变焦环电机调节变焦环旋转相应角度，CMOS相机(1)拍摄一张照片，由显示模块进行显示，同时图像检测模块按照选定的图像质量清晰度评价函数计算清晰度值，并将此值发送给数据处理模块，数据处理模块将本次清晰度值和变焦环位置进行记录；

第二步，数据处理模块再向电机驱动模块发送另一固定脉冲数，驱动聚焦环电机旋转，CMOS相机(1)拍照后图像检测模块计算清晰度值，与上一次计算出的清晰度值进行比较，然后按照爬山算法依次调节聚焦环并计算相应位置时拍摄照片的清晰度，直至找出在该焦距位置时清晰度最高的聚焦环位置，将相应聚焦环电机和变焦环电机移动的脉冲数记录在数据处理模块中；

第三步，数据处理模块控制变焦环电机，将变焦环移动到下一位置，按照上一步中同样的方法调节聚焦环，找出该焦距位置时清晰度最高的聚焦环位置，比较两个焦距位置上的最高清晰度值，如果本次最高清晰度值小于上次，则将上次最高清晰度值对应的位置作为清晰成像的位置，否则继续移动变焦环至第三位置，在变焦环调节范围内重复此过程直至找到在整个焦距范围内清晰度最高的位置作为清晰成像的位置，此时，变焦环和聚焦环电机旋转的总脉冲数将对应于清晰成像时的焦距和像距。