CN110763140B - 一种非平行光轴高精度双目测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机视觉技术领域，具体涉及一种非平行光轴高精度双目测距方法，首先搭建双目测距装置，并建立与双目测距装置在左右相机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；然后标定测距公式中的参数，获得未知量只包含待测场景目标在双目测距装置左右相机图像中的成像位置的测距公式；实际应用时，将直接读取的待测场景目标在左右相机图像中的成像位置数据代入标定后的测距公式即可计算获得待测场景目标与双目测距装置中参考相机的距离。本发明适用于光轴非理想平行状态的双目立体视觉装置，降低了由于安装导致的光轴不平行带来的测距误差，提高了实际工程应用中的测距精度。

Description

一种非平行光轴高精度双目测距方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，具体涉及一种非平行光轴高精度双目测距方法。

背景技术

现有的双目测距技术，一般假设两台摄像机的像平面位于同一平面上、光轴严格平行、距离固定、焦距相同。通过双目视觉原理图和三角测量公式，可根据视差求出测距目标与两台摄像机之间的垂直距离，计算公式如下：

其中，Z表示测距目标P与两台摄像机(O_L、O_R)之间的垂直距离；B表示两台摄像机之间的距离，即基线长度；f表示两台摄像机的焦距；X^L和X^R分别表示测距目标在左目摄像机和右目摄像机上的像素坐标；k表示像素的实际物理尺寸，|X^L-X^R|·k即左目摄像机和右目摄像机的视差，见图1。

上述公式的成立是在满足理想模型的情况下才成立的。在实际应用中，左目摄像机和右目摄像机几乎不可能像理想模型中那样严格的光轴平行，且基线长度B和焦距f的真实值与测量值之间存在一定的误差。光轴的平行度、基线长度、焦距的偏差，会显著影响测距的精度，测距误差一般在5％以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非平行光轴高精度双目测距方法，该测距方法能够在左右相机光轴之间可有小幅夹角时成立，测距精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非平行光轴高精度双目测距方法，包括如下步骤：

S1.建立双目测距系统，测距系统包括规格相同的左目摄像机和右目摄像机；

S2.建立与双目测距系统在左、右目摄像机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；所述测距公式为：

其中：

上述公式中：

记待测距目标为P，左目摄像机的光心为O_L，右目摄像机的光心为O_R，O_LO_R的长度为B，P到O_LO_R的垂直距离为Z，垂点为O_Z，α为左目摄像机的光轴与测距线POz夹角，β为右目摄像机的光轴与测距线POz夹角；k为摄像机的像素物理尺寸；f为焦距；X_L为目标P在左目摄像机中成像点的像素坐标；X_R为目标P在右目摄像机中成像点的像素坐标；Q为实测Z值相比真实Z的固定偏差；

S3.选择不同的距离，至少进行3次标定，分别获得标定点的实测距离Zn，标定点在左目图像的像素坐标为X_n ^R，在右目图像中的坐标为X_n ^L，n≥3；并将每次获得的Zn、X_n ^R和X_n ^L分别带入公式(1)，求得M、N、Q，然后将M、N、Q带入公式(1)；

S4.读取待测距目标在左、右摄像机中成像的像素坐标，带入由步骤S3获得的公式(1)，求得Z。

进一步地，所述光轴非理想平行是指左、右目摄像机光轴之间有小幅度夹角，即夹角小于 15°。

进一步地，在所述步骤S3中，当n＝3时，直接可求出M、N、Q；当n＞3时，采用

从 n中任选3组进行计算，然后求取多次计算结果的平均值。

进一步地，所述测距系统还包括定时指令模块、计算模块和显示模块，定时指令模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，计算模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，定时指令模块与计算模块相连，计算模块与显示模块相连。

进一步地，在所述步骤S3中，每次标定时，触发定时指令模块，分别向左目摄像机和右目摄像机发出采集图像指令，指令中包含时间戳，左目摄像机和右目摄像机收到指令同时拍摄待测距目标的图像，并将图像编号、附带时间戳后转发给计算模块，计算模块通过图像处理获得待测距目标分别在左目图像和右目图像中的像素坐标。

进一步地，所述图像处理包括但不限于以下几种图像处理方法，包括图像匹配、二值化、噪声滤波和图像特征提取。

进一步地，触发定时指令模块时采用手工触发。

本发明提出一种光轴非平行双目测距方法。首先搭建双目测距装置，并建立与双目测距装置在左右相机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；然后标定测距公式中的参数，获得未知量只包含待测场景目标在双目测距装置左右相机图像中的成像位置的测距公式；实际应用时，将直接读取的待测场景目标在左右相机图像中的成像位置数据代入标定后的测距公式即可计算获得待测场景目标与双目测距装置中参考相机的距离。本发明适用于光轴非理想平行状态的双目立体视觉装置，降低了由于安装导致的光轴不平行带来的测距误差，提高了实际工程应用中的测距精度。在50m～200m的有效测距范围内，Z值的测量误差在±5‰以内。借助于本发明的上述方法，基于三次自动标定过程的非平行光轴双目测距精度较现有技术提高一个数量级，且不受摄像机光轴平行度、基线长度、焦距、像素物理尺寸等误差的影响，测距精度极高。

附图说明

图1为左、右目摄像机光轴平行时的双目测距示意图；

图2为本发明的双目测距系统；

图3为左、右目摄像机光轴非平行时的双目测距示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实际应用中，左目摄像机和右目摄像机几乎不可能像理想模型中那样严格的光轴平行，且基线长度B和焦距f的真实值与测量值之间存在一定的误差。光轴的平行度、基线长度、焦距的偏差，会显著影响测距的精度，测距误差一般在5％以上。

针对上述问题，本发明提供一种非平行光轴高精度双目测距方法，包括以下步骤：

S1.建立双目测距系统，如图2所示，测距系统包括规格相同的左目摄像机和右目摄像机、定时指令模块、计算模块和显示模块，定时指令模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，计算模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，定时指令模块与计算模块相连，计算模块与显示模块相连。其中，左、右目摄像机的光轴处于非理想平行状态，即光轴之间可有小幅夹角(小于15°)。

S2.建立与双目测距系统在左、右目摄像机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；

所述测距公式为：

其中：

上述公式中：

记待测距目标为P，左目摄像机的光心为O_L，右目摄像机的光心为O_R，O_LO_R的长度为B，P到O_LO_R的垂直距离为Z，垂点为O_Z，α为左目摄像机的光轴与测距线POz夹角，β为右目摄像机的光轴与测距线POz夹角；k为摄像机的像素物理尺寸；f为焦距；X_L为目标P在左目摄像机中成像点的像素坐标；X_R为目标P在右目摄像机中成像点的像素坐标；Q为实测Z值相比真实Z的固定偏差。

下面以图3为辅助，进行具体的介绍，记待测距目标为P(有效测距范围50m～200m)，两台摄像机的像素物理尺寸为k，焦距为f(50mm～100mm)，两台摄像机光心之间的距离为 B(600mm～1000mm)，即基线长度为B(600mm～1000mm)。

记左目摄像机的光心为O_L，右目摄像机的光心为O_R，目标P距离O_LO_R的垂直距离为Z，垂点为O_z，左目摄像机距离测距线PO_z的距离为B_L；右目摄像机距离测距线PO_z的距离为B_R。

记左目摄像机的光轴与测距线PO_z夹角为α，左目摄像机采集到的目标成像点为P_L，P_L距离左目相机光轴距离为X_L，P_L的像素坐标为X^L；

记右目摄像机的光轴与测距线PO_z夹角为β，右目摄像机采集到的目标成像点为P_R，P_R距离右目摄像机光轴距离为X_R，P_R的像素坐标为X^R。

记左目摄像机与测距线PO_z的夹角为γ，记右目摄像机与测距线PO_z的夹角为θ。

则如图3所示的，各个点、线、角的几何关系如下：

B＝B_L+B_R

X_L+X_R＝|X^L-X^R|·k

其中，|X^L-X^R|表示测距目标在左目图像和右目图像中的像素坐标差，k为像素的实际物理尺寸。

进一步的，计算得出Z：

进一步的，令：

进一步的，计算得出：

进一步的，记标定时实测Z值时相比真实Z的固定偏差为Q，即摄像机外壳最前端与镜头中心点O之间的距离为Q，则得出就算距离的最终公式为：

S3.选择不同的距离，至少进行3次标定，分别获得标定点的实测距离Zn，标定点在左目图像的像素坐标为X_n ^R，在右目图像中的坐标为X_n ^L，n≥3；并将每次获得的Zn、X_n ^R和X_N ^L分别带入公式(1)，求得M、N、Q，然后将M、N、Q带入公式(1)；

在所述步骤S3中，每次标定时，手工触发定时指令模块，分别向左目摄像机和右目摄像机发出采集图像指令，指令中包含时间戳，左目摄像机和右目摄像机收到指令同时拍摄待测距目标的图像，并将图像编号、附带时间戳后转发给计算模块，计算模块通过图像处理获得待测距目标分别在左目图像和右目图像中的像素坐标。图像处理包括但不限于以下几种图像处理方法，包括图像匹配、二值化、噪声滤波和图像特征提取。

在本实施例中，具体的图像处理步骤为：计算模块对两台摄像机发来的图像进行预处理，根据图像编号、时间戳对两台摄像机的图像进行配对，并进行二值化、噪声滤波处理，然后基于图像特征法提取待测距目标分别在左目图像和右目图像中的像素坐标。

选择三个不同的距离，进行三次标定：

第1次标定，实测距离为Z₁＝180，标定点在左目图像的像素坐标为X₁ ^L，标定点在右目图像中的坐标为X₁ ^R。

第2次标定，实测距离为Z₂＝190m，标定点在左目图像的像素坐标为X₂ ^L，标定点在右目图像中的坐标为X₂ ^R。

第3次标定，实测距离为Z₃＝210m，标定点在左目图像的像素坐标为X₃ ^L，标定点在右目图像中的坐标为X₃ ^R。

进一步的，得出以下3个等式：

进一步的，记三次标定的视差分别为：

X₁＝|X₁ ^L-X₁ ^R|

X₂＝|X₂ ^L-X₂ ^R|

X₃＝|X₃ ^L-X₃ ^R|

进一步的，计算得出测距公式中的三个参数M、N、Q：

M＝(Z₁-Q)(X₁+N)

进一步的，基于标定得出的参数值M、N、Q，和任一待测距目标在左目图像的像素坐标 X^L和在右目图像中的像素坐标X^R，根据以下公式计算距离Z：

在具体操作时，为了降低误差，可进行多次标定，例如标定n次，n＞3，此时可选用

的方式，从n次测量中任选3个进行计算，最后求取多次计算结果的均值，得到M、N、Q。

S4.读取待测距目标在左、右摄像机中成像的像素坐标，带入由步骤S3获得的公式(1)，求得Z。

触发指令模块，向左目摄像机和右目摄像机发出采集图像指令，指令中包含时间戳。左目摄像机和右目摄像机收到指令同时拍摄待测距目标的图像，并将图像编号、附带时间戳后转发给计算模块。计算模块对两台摄像机发来的图像进行预处理，根据图像编号、时间戳对两台摄像机的图像进行配对，并进行二值化、噪声滤波处理，然后基于图像特征法提取待测距目标分别在左目图像的像素坐标X^L和右目图像中的像素坐标X^R，代入上述公式计算得出距离Z，输出到显示模块上。

本发明提出一种光轴非平行双目测距方法。首先搭建双目测距装置，并建立与双目测距装置在左右相机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；然后标定测距公式中的参数，获得未知量只包含待测场景目标在双目测距装置左右相机图像中的成像位置的测距公式；实际应用时，将直接读取的待测场景目标在左右相机图像中的成像位置数据代入标定后的测距公式即可计算获得待测场景目标与双目测距装置中参考相机的距离。本发明适用于光轴非理想平行状态的双目立体视觉装置，降低了由于安装导致的光轴不平行带来的测距误差，提高了实际工程应用中的测距精度。在50m～200m的有效测距范围内，Z值的测量误差在±5‰以内。借助于本发明的上述方法，基于三次自动标定过程的非平行光轴双目测距精度较现有技术提高一个数量级，且不受摄像机光轴平行度、基线长度、焦距、像素物理尺寸等误差的影响，测距精度极高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.建立双目测距系统，测距系统包括规格相同的左目摄像机和右目摄像机；

S2.建立与双目测距系统在左、右目摄像机光轴非理想平行时配合使用的测距公式；所述测距公式为：

其中：

上述公式中：

记待测距目标为P，左目摄像机的光心为O_L，右目摄像机的光心为O_R，O_LO_R的长度为B，P到O_LO_R的垂直距离为Z，垂点为O_Z，α为左目摄像机的光轴与测距线POz夹角，β为右目摄像机的光轴与测距线POz夹角；k为摄像机的像素物理尺寸；f为焦距；X_L为目标P在左目摄像机中成像点的像素坐标；X_R为目标P在右目摄像机中成像点的像素坐标；Q为实测Z值相比真实Z的固定偏差；左目摄像机采集到的目标成像点为P_L，P_L距离左目相机光轴距离为X_L，P_L的像素坐标为X^L；右目摄像机采集到的目标成像点为P_R，P_R距离右目摄像机光轴距离为X_R，P_R的像素坐标为X^R，|X^L-X^R|表示测距目标在左目图像和右目图像中的像素坐标差；

S3.选择不同的距离，至少进行3次标定，分别获得标定点的实测距离Zn，标定点在左目图像的像素坐标为X_n ^R，在右目图像中的坐标为X_n ^L，n≥3；并将每次获得的Zn、X_n ^R和X_n ^L分别带入公式(1)，求得M、N、Q，然后将M、N、Q带入公式(1)；

S4.读取待测距目标在左、右摄像机中成像的像素坐标，带入由步骤S3获得的公式(1)，求得Z。

2.根据权利要求1所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，所述光轴非理想平行是指左、右目摄像机光轴之间有小幅度夹角，即夹角小于15°。

3.根据权利要求1所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当n＝3时，直接可求出M、N、Q；当n＞3时，采用

从n中任选3组进行计算，然后求取多次计算结果的平均值。

4.根据权利要求1所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，所述测距系统还包括定时指令模块、计算模块和显示模块，定时指令模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，计算模块分别与左目摄像机和右目摄像机相连，定时指令模块与计算模块相连，计算模块与显示模块相连。

5.根据权利要求4所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，在所述步骤S3中，每次标定时，触发定时指令模块，分别向左目摄像机和右目摄像机发出采集图像指令，指令中包含时间戳，左目摄像机和右目摄像机收到指令同时拍摄待测距目标的图像，并将图像编号、附带时间戳后转发给计算模块，计算模块通过图像处理获得待测距目标分别在左目图像和右目图像中的像素坐标。

6.根据权利要求5所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，所述图像处理包括但不限于以下几种图像处理方法，包括图像匹配、二值化、噪声滤波和图像特征提取。

7.根据权利要求5所述的非平行光轴高精度双目测距方法，其特征在于，触发定时指令模块时采用手工触发。

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