CN111982061B - 一种基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，包括以下步骤：首先构建一个双目测距装置，然后确定标定距离，以棋盘格为参照物标定双目重叠区域，再判断测温目标的所处区域，对于双目重叠区域内的特定目标基于双目成像原理进行距离计算，对与非双目重叠区域内的特定目标基于三角关系进行距离计算。本发明的测距方法具有测距精度高、鲁棒性好、算法空间时间复杂度小、占用内存量低、计算时间短等优点，并且使得双目定焦摄像机的测量范围以及测量距离可以根据双目定焦摄像机的焦距自由配置组合进行调整，降低了双目测距的设备门槛。

Description

一种基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法

技术领域

本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法。

背景技术

传染病爆发期间，热成像测温成为筛选体温异常的一项重要措施，为实现体温的高效监测、抑制传染病的蔓延做出了重要贡献。但是，热成像测温设备的测温精度受环境因素和测温距离的影响十分显著，尤其是测温距离对测温精度的影响非常大，导致大部分热成像测温设备在固定距离情况下的测温精度尚能接受，一旦偏离固定距离的范围，测温结果便会产生很大误差。因此，如何精确测距对测温数据进行距离补偿是当前热成像测温技术发展的重点和难点。

以教室场景为例，假设教室长为10米，宽为8米，有多名学生上课，上课过程中学生保持坐定姿势，且均面朝前方，环境温度相对稳定，如果此时欲得到所有学生的体温信息，可以用一个云台红外摄像机扫描在场的任何一个学生，测量其体温信息，但是由于学生的座位有前后差别，如果想得到准确的温度值，那么必须能够精确测量学生到摄像机镜头的距离，进而才能消除距离对热成像测温精度的影响。

在以往的解决方案中，通常利用热成像相机对固定的两个距离进行不同温度的标定，得到一个标定系数，让其进行自适应的补偿，但是此方案并不能达到理想效果，仅对标定温度下的目标有效，超出此范围则出现很大误差，所以此方式仅适合有固定测量距离的方案，例如门禁测温产品，使用场景极其有限，若需要适应更多的场景，则需要精确测距进行距离补偿。

目前最常用的测距方法主要有三种：第一种是通过在摄像头上加装激光或其他距离传感器，成本普遍较高；第二种是使用单目摄像头进行测距，需要大量参考数据，且精度不高；第三种是使用双目摄像头，通过对双目图像做图像匹配，最终生成深度图像。双目测距技术是计算机视觉技术的一个重要分支，它模仿人眼获取周边环境的深度信息，一直是机器视觉研究领域的热点问题。基于双目摄像机从不同位置拍摄同一物体，然后利用几何原理生成双目视觉模型，再从视觉模型中得到物体的深度信息，可被用于机器人导航、虚拟现实等场景中。目前的方法大多都是利用相同参数的固定焦距的相机安装在同一平面，通过对镜头标定，使得同一目标在左右两幅图像上只有水平视差，然后利用标定结果对双目图像做立体匹配，进而生成深度图像，这种方法成本较低，精度较高，但是受限于定焦镜头，假如目标距离双目摄像头较远，此时如果使用短焦镜头，则目标信息不足，使得测量精度大打折扣，如果使用长焦镜头，虽然远距目标信息可以获取到，但是视场角较小，测量范围也会随之变小。

针对现有测距方法的不足，提出了一种区别于以往的单个热成像相机或者单个热成像相机搭载单个定焦镜头的方案，使热成像相机搭载两个不同焦距的定焦镜头，并设计了基于该不同焦距双目定焦摄像机的测距方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种操作简单、实用性强、测量范围广、测量精度高的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，可以根据不同焦距摄像机镜头采集的目标图像信息进行分区域测距，使得远近目标都能精确测距。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，包括以下步骤：

步骤一、选用两个相同规格不同焦距的定焦摄像机，将两个定焦摄像机的镜头平面固定在同一平面上，同时确保两个定焦摄像机的镜头处于同一水平高度上，从而构建一个双目测距装置；

步骤二、确定标定距离，标定双目重叠区域，具体为：在标定距离处观察两个定焦摄像机的成像，以棋盘格为参照物，将棋盘格放置在长焦摄像机图像画面的左上角，使棋盘格的左上角尽可能与长焦摄像机图像画面的左上角重合，拍摄此时的长短焦摄像机图像，并记录棋盘格在短焦摄像机图像画面中的位置，同理依次将棋盘格放置在长焦摄像机拍摄画面的左下角、右上角和右下角，分别记录棋盘格在短焦摄像机图像画面中的位置，四个位置所包围的区域即为双目重叠区域；

步骤三、对双目重叠区域内的特定目标采用双目成像原理进行距离计算，具体为：

(1)将双目定焦摄像机水平放置，对双目重叠区域内的特定目标进行图像采集，获取目标在左视场中的图像A和在右视场中的图像B；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取图像A和图像B中特定目标的人脸高度信息，图像A中的人脸高度信息记为h₁，图像B中的人脸高度信息记为h₂；

(3)将h₁和h₂代入双目成像距离计算公式，得到特定目标到双目定焦摄像机镜头的距离d；

步骤四、对非双目重叠区域内的特定目标基于三角关系进行距离计算，具体为：

(1)预设一条基准线L，该基准线L穿过拍摄图像的中心，并且是短焦摄像机图像的垂直于水平面的中心线；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取非双目重叠区域内的特定目标的人脸位置信息，并将人脸中心点记为P₂；

(3)过点P₂在短焦摄像机图像上做一条垂直于基准线L的直线M，在直线M上选取位于双目重叠区域内的另一特定目标的人脸位置信息，并将该特定目标的人脸中心点记为P₁；若直线M在双目重叠区域内无人脸位置信息，则选择双目重叠区域内距离直线M最近的人脸位置信息，并将该人脸中心点记为P₁；

(4)过短焦摄像机焦点做基准线L的垂线N，测量点P₂到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₂，点P₁到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₁，利用三角关系求出点P₂与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₂和点P₁与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₁，并利用步骤三求出点P₁到短焦摄像机镜头的距离d，最后利用三角关系求出点P₂到短焦摄像机镜头的距离d’。

进一步地，本发明的双目测距装置的左侧为长焦摄像机，右侧为短焦摄像机。

进一步地，本发明的双目成像距离计算公式为：

式中，f₁和f₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机的焦距，h₁和h₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机拍摄的人脸高度信息，d为计算得到的特定目标到双目定焦摄像机镜头的距离。

进一步地，本发明的双目成像距离计算公式的具体推导过程为，由于相机成像过程中，焦距与图像中目标所占比例成正相关，拍摄相同特定目标时，长焦摄像机拍摄的图像目标占比大，短焦摄像机拍摄的图像目标占比小，假设特定目标的图像高度为S，对于长焦摄像机，其焦距为f₁，拍摄的图像A中的人脸高度信息为h₁，存在等比关系

同理，对于短焦摄像机，其焦距为f₂，拍摄的图像B中的人脸高度信息为h₂，存在等比关系

联立上述两个等比关系即得到双目成像距离计算公式。

进一步地，本发明的三角关系具体为，

式中，d₁是点P₁到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度，d₂是测量点P₂到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度，f是短焦摄像机的焦距，θ₁是点P₁与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角，θ₂是点P₂与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角，d是点P₁到短焦摄像机镜头的距离，D是垂线N的垂足到短焦摄像机镜头的距离，为中间变量，d’是点P₂到短焦摄像机镜头的距离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)本发明的测量范围以及测量距离可以根据双目定焦摄像机的焦距配置进行调整，扩大了双目测距方法的使用环境，降低了双目测距的设备门槛。

(2)本发明的算法空间时间复杂度小，占用内存量低，计算时间短，实用性强。

(3)本发明的测距精度高，在可移动设备端也具有良好表现，具有鲁棒性好、可靠性高、可扩展性强、易维护等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的流程示意图。

图2是本发明实施例的产品使用场景示意图。

图3是本发明实施例的不同焦距双目定焦摄像机的双目重叠区域标定示意图。

图4是本发明实施例双目成像原理示意图

图5是本发明实施例三角关系原理示意图。

附图标记说明：1、长焦摄像机；2、短焦摄像机；3、双目重叠区域；4、非双目重叠区域；5、棋盘格。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图5，本实施例的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，具体为：

步骤一、选用两个相同规格不同焦距的定焦摄像机，将两个定焦摄像机的镜头平面固定在同一平面上，同时确保两个定焦摄像机的镜头处于同一水平高度上，从而构建一个双目测距装置。本实施例的双目测距装置应用于教室场景中，双目测距装置安装在教室前侧中央，并且位于黑板上方约2.5米处，教室内设置有讲台和多排学生座位，同一排的任意学生座位到双目测距装置的距离相同，并使双目测距装置的左侧为长焦摄像机1，右侧为短焦摄像机2；

步骤二、确定标定距离，标定双目重叠区域3，具体为：将标定距离设置为3米，在标定距离处观察两个定焦摄像机的成像，以棋盘格5为参照物，将棋盘格5放置在长焦摄像机图像画面的左上角，使棋盘格5的左上角尽可能与长焦摄像机图像画面的左上角重合，拍摄此时的长短焦摄像机图像，并记录棋盘格5在短焦摄像机图像画面中的位置，同理依次将棋盘格5放置在长焦摄像机拍摄画面的左下角、右上角和右下角，分别记录棋盘格5在短焦摄像机图像画面中的位置，四个位置所包围的区域即为双目重叠区域3，双目重叠区域3外侧部分即为非双目重叠区域4；

步骤三、对双目重叠区域3内的特定目标采用双目成像原理进行距离计算，具体为：

(1)将双目定焦摄像机水平放置，对双目重叠区域内的特定目标进行图像采集，获取目标在左视场中的图像A和在右视场中的图像B；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取图像A和图像B中特定目标的人脸高度信息，图像A中的人脸高度信息记为h₁，图像B中的人脸高度信息记为h₂；

(3)将h₁和h₂代入双目成像距离计算公式，得到特定目标到双目定焦摄像机镜头的距离d,公式为：

式中，f₁和f₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机的焦距，h₁和h₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机拍摄的人脸高度信息，d为计算得到的特定目标到双目定焦摄像机镜头的距离。

该公式的具体推导过程为：由于相机成像过程中，焦距与图像中目标所占比例成正相关，拍摄相同特定目标时，长焦摄像机1拍摄的图像目标占比大，短焦摄像机2拍摄的图像目标占比小，假设特定目标的图像高度为S，对于长焦摄像机1，其焦距为f₁，拍摄的图像A中的人脸高度信息为h₁，存在等比关系

同理，对于短焦摄像机2，其焦距为f₂，拍摄的图像B中的人脸高度信息为h₂，存在等比关系

联立上述两个等比关系即得到双目成像距离计算公式。

步骤四、对非双目重叠区域4内的特定目标基于三角关系进行距离计算，具体为：

(1)预设一条基准线L，该基准线L穿过拍摄图像的中心，并且是短焦摄像机2图像的垂直于水平面的中心线；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取非双目重叠区域内的特定目标的人脸位置信息，并将人脸中心点记为P₂；

(3)过点P₂在短焦摄像机2图像上做一条垂直于基准线L的直线M，在直线M上选取位于双目重叠区域内的另一特定目标的人脸位置信息，并将该特定目标的人脸中心点记为P₁；若直线M在双目重叠区域内无人脸位置信息，则选择双目重叠区域内距离直线M最近的人脸位置信息，并将该人脸中心点记为P₁；本实施例假设所有学生均为坐定姿态，所以可以认为直线M上的人脸均位于同一排座位上，直线M上的任意位置到短焦摄像机2镜头的距离均相同。

(4)过短焦摄像机2焦点做基准线L的垂线N，测量点P₂到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₂，点P₁到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₁，利用三角关系：

求出点P₂与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₂和点P₁与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₁，并利用步骤三求出点P₁到短焦摄像机镜头的距离d，最后利用三角关系：

求出点P₂到短焦摄像机镜头的距离d’。其中，D是垂线N的垂足到短焦摄像机镜头的距离，为中间变量，无需测量。

依据上述步骤，可以求出教室内所有学生的距离信息，为热成像测温模块的温度补偿提供基础。本实施例能够实现目标距离的精确计算，与传统双目测距算法相比，对镜头焦距无特殊要求，可以通过长焦和短焦的自由配置组合，实现测量范围以及测量距离的灵活调整，能够扩大双目测距方法的使用环境，降低了双目测距的设备门槛。此外，本实施例的算法空间时间复杂度小，占用内存量低，计算时间短，实用性强，在可移动设备端也具有良好表现，具有鲁棒性好、可靠性高、可扩展性强、易维护等优点。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选用两个相同规格不同焦距的定焦摄像机，将两个定焦摄像机的镜头平面固定在同一平面上，同时确保两个定焦摄像机的镜头处于同一水平高度上，从而构建一个双目测距装置；

步骤二、确定标定距离，标定双目重叠区域，具体为：在标定距离处观察两个定焦摄像机的成像，以棋盘格为参照物，将棋盘格放置在长焦摄像机图像画面的左上角，使棋盘格的左上角与长焦摄像机图像画面的左上角重合，拍摄此时的长短焦摄像机图像，并记录棋盘格在短焦摄像机图像画面中的位置，同理依次将棋盘格放置在长焦摄像机拍摄画面的左下角、右上角和右下角，分别记录棋盘格在短焦摄像机图像画面中的位置，四个位置所包围的区域即为双目重叠区域；

步骤三、对双目重叠区域内的目标采用双目成像原理进行距离计算，具体为：

(1)将双目定焦摄像机水平放置，对双目重叠区域内的目标进行图像采集，获取目标在左视场中的图像A和在右视场中的图像B；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取图像A和图像B中目标的人脸高度信息，图像A中的人脸高度信息记为h₁，图像B中的人脸高度信息记为h₂；

(3)将h₁和h₂代入双目成像距离计算公式，得到目标到双目定焦摄像机镜头的距离d；

步骤四、对非双目重叠区域内的目标基于三角关系进行距离计算，具体为：

(1)预设一条基准线L，该基准线L穿过拍摄图像的中心，并且是短焦摄像机图像的垂直于水平面的中心线；

(2)利用现有技术的人脸识别算法获取非双目重叠区域内的目标的人脸位置信息，并将人脸中心点记为P₂；

(3)过点P₂在短焦摄像机图像上做一条垂直于基准线L的直线M，在直线M上选取位于双目重叠区域内的另一目标的人脸位置信息，并将该另一目标的人脸中心点记为P₁；若直线M在双目重叠区域内无人脸位置信息，则选择双目重叠区域内距离直线M最近的人脸位置信息，并将该人脸中心点记为P₁；

(4)过短焦摄像机焦点做基准线L的垂线N，测量点P₂到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₂，点P₁到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度d₁，利用三角关系求出点P₂与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₂和点P₁与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角θ₁，并利用步骤三求出点P₁到短焦摄像机镜头的距离d，最后利用三角关系求出点P₂到短焦摄像机镜头的距离d’。

2.根据权利要求1所述的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，其特征在于：所述双目测距装置的左侧为长焦摄像机，右侧为短焦摄像机。

3.根据权利要求1所述的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，其特征在于：所述双目成像距离计算公式为：

式中，f₁和f₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机的焦距，h₁和h₂分别为长焦摄像机和短焦摄像机拍摄的人脸高度信息，d为计算得到的目标到双目定焦摄像机镜头的距离。

4.根据权利要求3所述的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，其特征在于：所述双目成像距离计算公式的具体推导过程为，由于相机成像过程中，焦距与图像中目标所占比例成正相关，拍摄相同目标时，长焦摄像机拍摄的图像目标占比大，短焦摄像机拍摄的图像目标占比小，假设目标的图像高度为S，对于长焦摄像机，其焦距为f₁，拍摄的图像A中的人脸高度信息为h₁，存在等比关系

同理，对于短焦摄像机，其焦距为f₂，拍摄的图像B中的人脸高度信息为h₂，存在等比关系

联立上述两个等比关系即得到双目成像距离计算公式。

5.根据权利要求1所述的基于不同焦距双目定焦摄像机的测距方法，其特征在于：所述三角关系具体为，

式中，d₁是点P₁到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度，d₂是测量点P₂到基准线L的距离在短焦摄像机镜头上的投影长度，f是短焦摄像机的焦距，θ₁是点P₁与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角，θ₂是点P₂与短焦摄像机焦点的连线和垂线N的夹角，d是点P₁到短焦摄像机镜头的距离，D是垂线N的垂足到短焦摄像机镜头的距离，为中间变量，d’是点P₂到短焦摄像机镜头的距离。

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