CN109813277A - 测距模型的构建方法、测距方法、装置以及自动驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测距模型的构建方法、测距方法、装置以及自动驾驶系统，应用于光轴对称倾斜的双目相机中，该构建方法包括：基于双目相机的基线距离B、被测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到α及β的正切函数公式。其中，α为所述双目相机的左相机或右相机与Y轴所成夹角，β为被测点W到所述双目相机的左相机光心或右相机光心连线与Y轴的夹角；根据双目相机光轴交点与被测点的实际关系，所述α及β的正切函数公式推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型。本发明通过对光轴对称倾斜的双目相机的测距模型的构建，在双目相机标定时获取测距模型中的各个参数，使得双目相机在之后的使用过程中可快速、精准测距。

Description

测距模型的构建方法、测距方法、装置以及自动驾驶系统

技术领域

本发明涉及双目相机领域，尤其涉及光轴对称倾斜的双目相机的测距模型的构建方法、测距方法、装置以及自动驾驶系统。

背景技术

通常意义的双目相机由左、右两台平行等位的摄像机组成，它们的光轴是完全平行的。两台摄像机对于同一个目标成像；求取目标在两台摄像机中所成像的“视差值”；通过相似三角形的几何关系，计算双目相机与目标之间的实际距离。

理想的双目相机测距方法如公式1所示。其中，d为同一目标点在左、右图像中的视差距离值，B为双目相机的基线距离，f为焦距，Z即为目标点的被测距离。为了满足上述公式，双目相机的加工制作必须尽可能保证光轴的平行，之后再通过标定计算去弥补机械加工存在的微小误差。

而对于光轴对称倾斜的双目相机，上述利用相似三角形几何关系推导的测距方法是不可用的。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明提出一种测距模型的构建方法、测距方法、装置以及自动驾驶系统，用于解决现有技术中光轴对称倾斜的双目相机测距模型构建问题。

为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种测距模型的构建方法，并采用如下技术方案：

一种测距模型的构建方法，应用于光轴对称倾斜的双目相机，该构建方法包括：基于双目相机的基线距离B、被测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到公式(2)和公式(3)：

其中，α为所述双目相机的左相机或右相机与Y轴所成夹角，β为被测点W到所述双目相机的左相机光心或右相机光心连线与Y轴的夹角；

根据双目相机光轴交点、被测点与X轴的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型为：

其中，-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，f为所述双目相机的焦距，视差值D＝d或-d，d为被测点在所述双目相机的视差距离值。

根据本发明的第二个方面，提供一种双目相机的测距方法，并采用如下技术方案：

一种双目相机的测距方法，应用于光轴对称倾斜的双目相机，该测距方法包括：启动阶段：调用预设在所述双目相机内的测距模型；标定阶段：根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；测距阶段：根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

根据本发明的第三个方面，提供一种测距模型的构建装置，并采用如下技术方案：

一种测距模型的构建装置包括：推算模块，用于基于双目相机的基线距离B、被测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到公式(2)和公式(3)：

其中，α为所述双目相机任一光轴与Y轴所成夹角，β为被测点W与任一光心连线与Y轴的夹角；根据双目相机光轴交点与被测点的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型为：

其中，-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，f为所述双目相机的焦距，视差值D＝d或-d，d为被测点在所述双目相机的视差距离值。

根据本发明的第四个方面，提供一种双目相机的测距装置，并采用如下技术方案：

一种双目相机的测距装置，应用于光轴对称倾斜的双目相机，该测距装置包括：启动模块，用于在启动阶段，调用预设在所述双目相机内的测距模型；标定模块，用于在标定阶段，根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；测距模块，用于测距阶段，根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

根据本发明的第五个方面，提供一种自动驾驶系统，并采用如下技术方案：

一种自动驾驶系统包括上述的测距装置。

本发明针对光轴对称倾斜的双目相机，构建一种测距模型。在实际使用中，对同一台双目相机，初次使用时加载本发明构建的测距模型，通过设置多组障碍物所得到的多组已知距离，并计算得到多组障碍物对应的多组视差值，将多组已知距离及对应的多组视差值带入该测距模型计算或拟合出测距模型中的参数，得出已知参数的测距模型。在实际测距过程中，即可反复使用获取已知参数的测距模型进行测距，使得光轴对称倾斜的双目相机可以快速、精准测距。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1表示本发明实施例所述的光轴交点与X轴距离远于被测点与X轴距离的双目相机测距模型图；

图2表示本发明实施例所述的光轴交点与X轴距离近于被测点与X轴距离的双目相机测距模型图；

图3表示本发明实施例所述的双目相机的测距方法的流程图；

图4表示本发明实施例所述的双目相机的测距装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对专有易混名词解释：

视差值(本文用D表示)：目标点在左相机的坐标减去右相机的坐标的差值，与像元尺寸的乘积，可能是正数、0或负数。

视差距离值(本文用d表示)：对上述视差值取绝对值，其为非负数。

图1表示本发明实施例所述的光轴交点与X轴距离远于被测点与X轴距离的双目相机测距模型图。

图2表示本发明实施例所述的光轴交点与X轴距离近于被测点与X轴距离的双目相机测距模型图。

图1与图2均为光轴对称倾斜的双目相机的测距模型。其中，图1双目相机光轴交点远于被测点W；图2双目相机光轴交点近于被测点W。图中，O1、O2为左右相机的光心；O1O2的长度称为双目相机的基线距离，通常以B来表示；X轴与相机基线共线；Y轴为相机基线的中垂线，指向相机测距的方向；Z1＇O1、Z2＇O2为左、右相机的光轴，相交于M点，设M点与X轴的垂直距离为Z₀；Z1＇O1与Z2＇O2的长度为相机的焦距，通常用f表示；Z1O1、Z2O2垂直于X轴；被测点W与光心的连线，与Y轴所成的夹角为β；相机光轴与Y轴所成的夹角为α；被测点W在左、右相机的像点分别是X1和X2；为了方便计算，设Z为被测点W与X轴的垂直距离，即待测距离。

由图1和图2可知：

其中，B为双目相机的基线距离，Z为待测距离，Z₀为相机光轴交点到X轴距离。

当光轴交点远于被测点时，由图1可知：

故：

其中，d为被测点在双目相机中的视差距离值，即Z1＇X1与Z2＇X2的长度之和。将公式(2)与公式(3)代入公式(5)可得：

同理，当光轴交点近于被测点时，由图2可知：

故：

将公式(2)与公式(3)代入公式(8)可得：

为了便于理解，设H1为被测点在左相机中的图像坐标，设H2为被测点在右相机中的图像坐标，p为像元尺寸。如果光轴交点远于被测点，如图1。其H1>H2，视差距离值d＝(H1-H2)·p；如果光轴交点近于被测点，如图2。则H1<H2，视差距离值d＝-(H1-H2)·p。视差值D＝(H1-H2)·p，那么对于图1，即公式(6)，d＝D；对于图2，公式(9)，d＝-D。因此，公式(6)与公式(9)皆可改写为：

对同一台相机而言，由于B，Z₀，f皆为常数，可以设-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，且A_常、B_常、C_常、D_常皆为常数，对于同一台相机而言，A_常、B_常、C_常、D_常均为固定，需要在相机标定的过程中求取；通过公式10可得：

图3表示本发明实施例所述的双目相机的测距方法的流程图。

参见图3所示，一种双目相机的测距方法，应用于光轴对称倾斜的双目相机，该测距方法包括：

S101：启动阶段：调用预设在所述双目相机内的测距模型；

S103：标定阶段：根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；

S105：测距阶段：根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

具体的说，在步骤S101中，测距模型预设在双目相机中，首次使用时，启动加载程序，加载该测距模型，即上述实施例中的公式(11)。然后对双目相机进行标定。在步骤S103中，通过设置多组障碍物，并测出每组障碍物到X轴的距离，以及计算出每组障碍物在双目相机中的视差值，将每组障碍物到X轴的已知距离以及对应的视差值带入到测距模型中，计算出测距模型中的各个参数，即代入公式11，求解A_常、B_常、C_常、D_常，得到已知了参数的测距模型。在步骤S105中，基于已知了参数的测距模型，在实际测距过程中，将计算得到的被测点视差值D代入公式11即可得到被测点的距离Z。

本发明提供的一种测距模型的构建装置，包括：推算模块，用于基于双目相机的基线距离B、待测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到公式(2)和公式(3)：

其中，α为所述双目相机的左相机或右相机与Y轴所成夹角，β为被测点W到所述双目相机的左相机光心或右相机光心连线与Y轴的夹角；根据双目相机光轴交点与被测点的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型为：

其中，-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，f为所述双目相机的焦距，视差值D＝d或-d，d为被测点在所述双目相机的视差距离值。

图4表示本发明实施例所述的双目相机的测距装置的结构示意图。

参见图4所示，一种双目相机的测距装置包括：启动模块40，用于在启动阶段，调用预设在所述双目相机内的测距模型；标定模块42，用于在标定阶段，根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；测距模块44，用于测距阶段，根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

可选地，所述标定模块42包括：获取模块(图中未示)，用于通过设置多组障碍物，测所述每个障碍物到所述双目相机基线的垂直距离，得到多组已知距离；第一计算模块(图中未示)，计算所述每个障碍物在所述双目相机的视差值，得到多组障碍物对应的多组视差值；第二计算模块(图中未示)，用于将所述多组已知距离以及所述多组视差值带入所述测距模型，求得所述测距模型中参数。

本发明提供的一种自动驾驶系统包括上述的测距装置。

本发明针对光轴对称倾斜的双目相机，构建一种测距模型。在实际使用中，对同一台双目相机，初次使用时加载本发明构建的测距模型，通过设置多组障碍物所得到的多组已知距离，并计算得到多组障碍物对应的多组视差值，将多组已知距离及对应的多组视差值带入该测距模型计算或拟合出测距模型中的参数，得出已知参数的测距模型。在实际测距过程中，即可反复使用获取已知参数的测距模型进行测距，使得光轴对称倾斜的双目相机可以快速、精准测距。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测距模型的构建方法，应用于光轴对称倾斜的双目相机，其特征在于，包括：

基于双目相机的基线距离B、被测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到公式(2)和公式(3)：

其中，α为所述双目相机的左相机或右相机与Y轴所成夹角，β为被测点W到所述双目相机的左相机光心或右相机光心连线与Y轴的夹角；

根据双目相机光轴交点、被测点分别与X轴的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型为：

其中，-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，f为所述双目相机的焦距，D为被测点在所述双目相机的视差值，D＝d或-d，d为被测点在所述双目相机的视差距离值，A_常、B_常、C_常、D_常均为常数。

2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离远于所述被测点与X轴距离时，所述根据双目相机光轴交点与被测点的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型包括：

由正切函数得到公式(4)：

展开公式(4)，得到公式(5)：

将公式(2)与式(3)代入公式(5)得到公式(6)：

设H1为所述被测点在左相机中的图像坐标，设H2为被测点在右相机中的图像坐标，p为像元尺寸；

在当所述双目相机光轴交点与X轴距离远于所述被测点与X轴距离时，其H1>H2，视差距离值d＝(H1-H2)·p；

因为视差值D＝(H1-H2)·p，所以d＝D，则公式(6)可改写为公式(10)：

令-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，则可得到(11)：

3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离近于所述被测点与X轴距离时，所述根据双目相机光轴交点与被测点的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型包括：

由正切函数得到公式(7)：

展开公式(7)得到公式(8)：

将公式(2)与公式(3)代入公式(8)可得公式(9)：

设H1为被测点在左相机中的图像坐标，设H2为被测点在右相机中的图像坐标，p为像元尺寸，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离近于所述被测点与X轴距离时，则H1<H2，视差距离值d＝-(H1-H2)·p，因为视差值D＝(H1-H2)·p，所以d＝-D，公式(9)改为公式(10)：

令-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，则由公式(10)得到(11)：

4.一种双目相机的测距方法，应用于光轴对称倾斜的双目相机，其特征在于，包括：

启动阶段：调用预设在所述双目相机内的测距模型；

标定阶段：根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；

测距阶段：根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

5.如权利要求4所述的测距方法，其特征在于，所述标定阶段包括：

通过设置多组障碍物，测所述每个障碍物到所述双目相机基线的垂直距离，得到多组已知距离；

计算所述每个障碍物在所述双目相机的视差值，得到多组障碍物对应的多组视差值；

将所述多组已知距离以及所述多组视差值带入所述测距模型，求得所述测距模型中参数。

6.一种测距模型的构建装置，应用于光轴对称倾斜的双目相机，其特征在于，包括：推算模块，用于

基于双目相机的基线距离B、被测距离Z、双目相机光轴交点到X轴距离Z₀及正切函数得到公式(2)和公式(3)：

其中，α为所述双目相机的左相机或右相机与Y轴所成夹角，β为被测点W到所述双目相机的左相机光心或右相机光心连线与Y轴的夹角；

根据双目相机光轴交点、被测点分别与X轴的的实际关系，所述公式(2)、及所述公式(3)推算出光轴对称倾斜的双目相机的测距模型为：

其中，-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，f为所述双目相机的焦距，视差值D＝d或-d，d为被测点在所述双目相机的视差距离值。

7.如权利要求6所述的构建装置，其特征在于，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离远于所述被测点与X轴距离时，所述推算模块还用于：

由正切函数得到公式(4)：

展开公式(4)，得到公式(5)：

将公式(2)与式(3)代入公式(5)得到公式(6)：

设H1为所述被测点在左相机中的图像坐标，设H2为被测点在右相机中的图像坐标，p为像元尺寸；

在当所述双目相机光轴交点与X轴距离远于所述被测点与X轴距离时，其H1>H2，视差距离值d＝(H1-H2)·p；

因为视差值D＝(H1-H2)·p，所以d＝D，则公式(6)可改写为公式(10)：

令-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，则可得到(11)：

8.如权利要求6所述的构建装置，其特征在于，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离近于所述被测点与X轴距离时，所述推算模块还用于：

由正切函数得到公式(7)：

展开公式(7)得到公式(8)：

将公式(2)与公式(3)代入公式(8)可得公式(9)：

设H1为被测点在左相机中的图像坐标，设H2为被测点在右相机中的图像坐标，p为像元尺寸，在当所述双目相机光轴交点与X轴距离近于所述被测点与X轴距离时，则H1<H2，视差距离值d＝-(H1-H2)·p，因为视差值D＝(H1-H2)·p，所以d＝-D，公式(9)改为公式(10)：

令-B²＝A_常，4BZ₀f＝B_常，4Bf＝C_常，4Z₀＝D_常，则由公式(10)得到(11)：

9.一种双目相机的测距装置，应用于光轴对称倾斜的双目相机，其特征在于，包括：

启动模块，用于在启动阶段，调用预设在所述双目相机内的测距模型；

标定模块，用于在标定阶段，根据所述测距模型、多组距离及对应的视差值，计算出所述测距模型中的各个参数；

测距模块，用于测距阶段，根据所述各个参数、所述测距模型及实时计算出的视差值，计算被测物与所述双目相机之间的待测距离。

10.一种自动驾驶系统，其特征在于，包括权利要求9所述的测距装置。