CN113124820A - 一种基于曲面镜的单目测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于测距技术领域，提供了一种基于曲面镜的单目测距方法，步骤包括：步骤S1：对相机的光轴和内参数进行标定；步骤S2：相机镜头圆周方向安装曲面镜，所述曲面镜轴线与所述相机的光轴平行；步骤S3：采集测量目标的图像信息；步骤S4：计算相机的像素与测量目标物理尺度的比例因子M；步骤S5：计算相机与测量目标之间的距离。本发明采用的曲面镜单目测距方法结构简单、使用方便、应用范围广。

Description

一种基于曲面镜的单目测距方法

技术领域

本发明涉及一种测距技术领域，尤其是涉及一种基于曲面镜的单目测距方法。

背景技术

现有技术中有双目测距和单目测距，其中单目测距具有结构简单、操作方便的特点而被广泛使用。目前单目测距的方法有三种分别为：黄斑测距、裂像测距、峰值（焦斑）测距。上述三种方法中，黄斑测距中利用光程差，导致其受限于单目相机结构尺度；裂像测距和峰值（焦斑）测距均会受到相机镜头焦距以及像素分辨率的限制。存在的这些限制，导致单目测距的范围局限在5-20m之内，如果超过这个范围，单目相机通常采用无限远对焦，此时在像平面上获得的图像相位和反差都差不多，无法直接测距。

在较远距离上，目前单目测距通常有两种计算方式：一种为已知物体实际尺寸和相机焦距的条件下，利用相似三角形获得物体与相机之间的距离；另一种为已知相机高度和被测物体与地面接触点的距离，进而获得相机与物体距离，其本质均是通过三角定位法进行测距。在传统的单目测距、光流法的应用中，通过相机只能获得目标在像平面上的像素尺度及移动速度，必须依赖其他外部条件给定参考尺度或者参考距离。在目标特征未知的情况下，通常采用激光雷达、毫米波雷达测距等方法进行辅助，这些设备成本相对较高，系统相对复杂。但是如果限制于使用摄像机相关的被动测距方法，实践中通常采用双目系统，根据立体视觉匹配算法计算距离，不过双目基线尺度和图像匹配效果对测距性能影响显著，在实测中往往难以提供大尺度基线导致测量精度受限。

自1988年，Nayar等人提出采用2个曲面镜进行体视全景成像以来，利用多个曲面镜、曲面镜与透镜组合、旋转（多）平面镜、鱼眼镜头与曲面镜的视场差异进行体视成像的技术迅速发展，但这些应用中仍存在多镜面之间基线长度有限的问题，多应用于室内等小范围环境成像和测距，在较远距离及户外可能存在图像畸变过大导致的特征点匹配困难等问题。在一些应用中，采用在相机光轴垂直平面上设置激光器作为辅助指示器的方法，减少曲面镜数量，但是在这类方法的计算过程中，基于曲面镜及其组合构造的各类光程差，严重依赖于光路主轴基线长度。与此同时，在投影点关系分析时，更多的是关注正交投影，而没有充分利用单目摄像中的透视投影关系，使得目前该类方法的结构相对复杂，在工程测距上应用也较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于曲面镜的单目测距方法，来解决上述所说的技术问题，本发明实施例的步骤包括：

步骤S1：对相机的光轴和内参数进行标定；

步骤S2：相机镜头一侧安装曲面镜，所述曲面镜轴线与所述相机的光轴平行；

步骤S3：利用安装了曲面镜的相机，采集测量目标实物的图像信息和测量目标在曲面镜中虚像的图像信息；

步骤S4：计算相机的像素与测量目标物理尺度的比例因子M；

步骤S5：计算相机与测量目标之间的距离。

进一步的，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离小于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度小于预设清晰度时，所述比例因子M的计算公式如下：

其中，H ₁ 为测量目标高度相对于相机光轴的参考高度，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度。进一步的，其中H ₁ 的计算通过以下公式联立获得：

其中，m为曲面镜放大率，f _c 为曲面镜焦距，H ₂ 为测量目标虚像相对于相机光轴的参考高度；S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离。

进一步的，所述曲面镜放大率m的计算公式如下：

其中，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度；d ₂ 为曲面镜一侧测量目标的虚像相对于曲面镜上表面参考直线的距离，d ₁ 为曲面镜另一侧测量目标实像相对于曲面镜上表面参考直线的距离；A ₂ 为虚像的特征面积，A ₁ 为实像的特征面积。

进一步的，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离大于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度大于预设清晰度时，计算所述比例因子M包括如下步骤：

步骤S41：计算初始比例因子M ₀ ，计算公式如下：

其中，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度，f _c 为曲面镜焦距；

步骤S42：通过第i次比例因子Mi，计算第i次修正系数α _i ，通过所述第i次修正系数α _i 与所述第i次比例因子M _i ，计算得到第i+1次比例因子M _i+1 ；

步骤S43：判断所述第i+1次比例因子M _i+1 是否收敛：若收敛，则第i+1次比例因子M _i+1 为最终比例因子M；若不收敛，则i=i+1，i=0、1、2、...n，n为循环次数，重复步骤S42。

进一步的，所述第i+1次比例因子M _i+1 的计算公式如下。

M _i+1 =α _i M _i

进一步的，所述第i次修正系数α _i 的计算公式如下：

计算第i次目标高度H ₁ ⁱ 和虚像高度H ₂ ⁱ ，计算公式如下：

H ₁ ⁱ =M _i* x ₁

H ₂ ⁱ =M _i* x ₂

计算第i次修正系数α _i ，计算公式如下：

其中，S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离。

进一步的，步骤S5中，相机与测量目标之间的距离计算公式如下：

L=f*M

其中，f为相机焦距，L为相机与测量目标之间的距离。

进一步的，所述曲面镜为凸面镜或凹面镜。

进一步的，所述曲面镜为曲率可以控制的柔性曲面镜。

本发明的有益效果为：

（1）本发明中，通过采用在相机镜头的一侧安装曲面镜，两者的组合方式使用来进行测距，虽然现有技术中也存在将相机与曲面镜组合来进行测距，但是现有技术中在进行测距时曲面镜需要安装在相机光轴的垂直平面上，用于大视场观测，而对于畸变较小的中心视场利用不足；而采用本发明的实施例进行测距时，仅需要将曲面镜安装在相机的圆周方向上，使得相机的光轴与曲面镜的轴线平行即可，其操作简单，且提高了测距计算结果的精度。

（2）在现有技术中进行测距时，曲面镜通常安装在相机光轴的垂直面上，且在测距计算时严重依赖于相机与曲面镜等配合使用过程中光路主轴基线的长度，使得其适用的范围只能局限在类似室内这种近距离以内，而本发明的实施例中由于是将曲面镜安装在相机下方的圆周方向而不是光轴上，不涉及光路主轴基线，因此在计算过程中不用测量光路主轴基线的长度，使得相机于曲面镜结合使用测距时，对于较近和较远距离范围内均可实现测距，实现了高效的工程测距，应用范围广。

（3）本发明中，曲面镜与相机配合使用实现测距中，与现有技术相比较，不仅利用了曲面镜的成像原理，还充分利用了摄像机中透视投影关系，采用的测距原理简单，计算过程也相对简单。

（4）本发明中，曲面镜与相机配合实现测距的计算过程中，利用的是已知的且容易获得的物理量，如容易获得的曲面镜属性中的焦距、相机的焦距、偏置距离等物理量，与现有技术中在计算测距的过程中通常要获得测量目标的实际尺寸或相机的高度相比，本发明的计算过程基于在未知测量目标尺寸和距离的情况下，可以实现有效的单目测距。

（5）本发明中，通过引入了曲面镜的半径作为外部尺寸，解决了单目测距时需要给定目标特征尺寸或参考距离的问题，且不需要额外的主动测距辅助工具，既保持了被动测距方案的优点，又降低了测距方案复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例中的流程示意图 ；

图2是本发明实施例中的结构示意图；

图3是本发明中一个实施例的图像示意图。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

本发明实施例提供了一种基于曲面镜的单目测距方法，其步骤包括：

步骤S1：对相机的光轴和内参数进行标定；

步骤S2：相机镜头一侧安装曲面镜，所述曲面镜轴线与所述相机的光轴平行；

步骤S3：利用安装了曲面镜的相机，采集测量目标实物的图像信息和测量目标在曲面镜中虚像的图像信息；

步骤S4：计算相机的像素与测量目标物理尺度的比例因子M；

步骤S5：计算相机与测量目标之间的距离。

如图2所示，所述曲面镜安装在相机镜头的一侧，所述曲面镜的反射面朝向所述相机镜头设置，且曲面镜的轴线（母线）与相机的光轴平行；其中，所述曲面镜安装在相机镜头的一侧具体可以为：如下侧、上侧、左侧、右侧等其他任一方向，只要能实现所述测量目标通过所述曲面镜在相机中成像，对具体曲面镜安装在相机镜头一侧的具体位置在此不做限制。

现有技术中，通过相机与曲面镜组合测距时，通常将曲面镜安装在相机的光轴方向，操作比较困难，而本案采用相机与曲面镜在进行测距的时候，仅需要曲面镜安装在相机的圆周方向，结构简单，安装方便，易操作。

本发明的实施例中以凸透镜为例进行说明。

进一步地，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离小于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度小于预设清晰度时，所述比例因子M的计算公式如下：

其中，H ₁ 为测量目标高度相对于相机光轴的参考高度，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度。

进一步地，其中H ₁ 的计算通过以下公式联立获得：

其中，m为曲面镜放大率，f _c 为曲面镜焦距，H ₂ 为测量目标虚像相对于相机光轴的参考高度；S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离。

进一步地，所述曲面镜放大率m的计算公式如下：

其中，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度；d ₂ 为曲面镜一侧测量目标的虚像相对于曲面镜上表面参考直线的距离，d ₁ 为曲面镜另一侧测量目标实像相对于曲面镜上表面参考直线的距离；A ₂ 为虚像的特征面积，A ₁ 为实像的特征面积。

上述实施例中，（1）曲面镜的放大率m可以通过像高与物高的比值、像距与物距的比值、像的面积与物的面积比值，这三种方式计算获得；（2）H ₁ 的获得公式中使用了曲面镜成像公式，如下所示；（3）如图2所示可知，公式中d ₁ 和d ₂ 的表达关系为d ₁₌ H ₁ +S，d₂₌ H ₂ -S；（4）如图1所示，实施例中x ₁ 和x ₂ 的值可以通过在相机中的坐标值获得；偏置距离S为在安装曲面镜时可以通过测量直接获得；（5）对于所述测量目标的实像和虚像的坐标选取，可以通过局部特征提取方法获得，也可以通过采用面积中心方法获得。

进一步地，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离大于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度大于预设清晰度时，计算所述比例因子M包括如下步骤：

步骤S41：计算初始比例因子M₀，计算公式如下：

其中，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度，f _c 为曲面镜焦距；

步骤S42：通过第i次比例因子Mi，计算第i次修正系数α _i ，通过所述第i次修正系数α _i 与所述第i次比例因子M _i ，计算得到第i+1次比例因子M _i+1 ；

步骤S43：判断所述第i+1次比例因子M _i+1 是否收敛：若收敛，则第i+1次比例因子M _i+1 为最终比例因子M；若不收敛，则i=i+1，i=0、1、2、...n，n为循环次数，重复步骤S42。

进一步地，所述第i+1次比例因子M _i+1 的计算公式如下。

M _i+1 =α _i M _i

进一步地，所述第i次修正系数α _i 的计算公式如下：

计算第i次目标高度H ₁ ⁱ 和虚像高度H ₂ ⁱ ，计算公式如下：

H ₁ ⁱ =M _i* x ₁

H ₂ ⁱ =M _i* x ₂

计算第i次修正系数α _i ，计算公式如下。

其中，S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离。

下面对上述步骤进行举例说明，（1）首先忽略曲面镜偏置距离S，近似取相机光轴为曲面镜上表面参考直线，在相机的像平面上可以直接获得x ₁ 、x ₂ ，根据曲面镜的曲率半径获得对应的曲面镜焦距f _c ，再将上述已知量代入曲面镜成像公式获得初始比例因子M ₀ ；（2）根据初始比例因子M ₀ ，反算目标高度H ₁ ⁰ 和虚像高度H ₂ ⁰ ；（3）在测量目标的一侧，引入偏置距离S，根据曲面镜成像公式计算修正系数α ₀ ；（4）将上述步骤获得的修正系数α ₀ 和初始比例因子M ₀ 代入公式M _i+1 =α _i M _i 中，获得第1次初始比例因子M ₁ ，若M ₁ =M ₀ ，说明比例因子M收敛，此时比例因子M=M ₁ ；若M ₁ ≠M ₀ ，则根据比例因子M ₁ ，反算目标高度H ₁ ¹ 和虚像高度H ₂ ¹ ；根据曲面镜成像公式计算修正系数α ₁ ,再结合比例因子M ₁ ，得到M ₂ ，再进行判断比例因子M是否收敛，以此类推。

进一步地，步骤S5中，相机与测量目标之间的距离计算公式如下：

L=f * M

其中，f为相机焦距，L为相机与测量目标之间的距离。

进一步地，所述曲面镜为凸面镜或凹面镜。

进一步的，所述曲面镜为曲率可以控制的柔性曲面镜

在进行测距时，当对相机视场要求较高的情况下，本发明实施例优先采用凸透镜；若对相机的视场要求低，且同时要求距离分辨率高的情况下，本发明实施例优先采用凹面镜。

在距离测量目标较近时，小曲率半径的曲面镜可以获得更高的距离分辨率，但是在距离测量目标较远时，误差相对较大；大曲率半径的曲面镜刚好相反，在距离测量目标较远近时，获得的分辨率误差相对较大，在距离测量目标较远时，获得的距离分辨率较高。结合不同曲率半径的优缺点，本发明在实施过程中为了提高测距结果更加贴近实际值，如可以采用多段曲率结合的方式组成曲面镜，也可以采用曲率可以控制的柔性曲面镜，除此之外，曲面镜在安装过程中可以选择安装一片或者多片二维曲面镜，或者根据相机视场范围的需要进行定制。

为了更好地理解本发明的实施例，下面以玉兰花作为测量目标进行说明：

对相机设备的光轴和内参数进行标定，并获得相机的焦距f=2.6；

在相机镜头的下方安装曲面镜，曲面镜轴线与相机的光轴平行，且在曲面镜上表面距离相机光轴的偏置距离S=5mm；

利用安装了曲面镜的相机，采集玉兰花的实物图像信息和玉兰花在曲面镜中虚像的图像信息，采集图像信息具体如图3所示，此时可以获得，玉兰花的实物像素是251，曲面镜中虚像像素是244，此时可以根据下方公式，获得曲面镜放大率m；

本实施例选用的是曲率半径为2m的凸面镜，通过曲率半径可以经查阅可获得其焦距f _c 的值；

将上述步骤获得的曲面镜放大率m的值、焦距f _c 的值代入下列两个方程，联立可得H ₁ 和H ₂ 的值；

将H ₁ 的值代入相机的像素与测量目标物理尺度的比例因子M的计算公式周中，获得比例因子M的值；

将上述获得的比例因子M的值、相机焦距f的值代入测距公式，计算得到玉兰花与相机之间的距离L=6.37m。

L=f * M

玉兰花与相机的实际距离为6.2m，由此可以看出采用本发明在相机下方安装曲面镜的方法，在未知测量目标特征尺度和距离的情况下，可以较为精确的实现单目测距。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：对相机的光轴和内参数进行标定；

步骤S2：相机镜头一侧安装曲面镜，所述曲面镜轴线与所述相机的光轴平行；

步骤S3：利用安装了曲面镜的相机，采集测量目标实物的图像信息和测量目标在曲面镜中虚像的图像信息；

步骤S4：计算相机的像素与测量目标物理尺度的比例因子M；

步骤S5：计算相机与测量目标之间的距离。

2.如权利要求1所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离小于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度小于预设清晰度时，所述比例因子M的计算公式如下：

其中，H ₁ 为测量目标高度相对于相机光轴的参考高度，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度。

3.如权利要求2所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，其中H ₁ 的计算通过以下公式联立获得：

其中，m为曲面镜放大率，f _c 为曲面镜焦距，H ₂ 为测量目标虚像相对于相机光轴的参考高度；S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离。

4.如权利要求3所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述曲面镜放大率m的计算公式如下：

其中，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度；d ₂ 为曲面镜一侧测量目标的虚像相对于曲面镜上表面参考直线的距离，d ₁ 为曲面镜另一侧测量目标实像相对于曲面镜上表面参考直线的距离；A ₂ 为虚像的特征面积，A ₁ 为实像的特征面积。

5.如权利要求1所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述步骤S4中，若所述测量目标与所述相机之间的距离大于预设距离，或采集的所述图像信息的特征清晰度大于预设清晰度时，计算所述比例因子M包括如下步骤：

步骤S41：计算初始比例因子M ₀ ，计算公式如下：

其中，x ₁ 为测量目标在相机中的实像相对于相机光轴的参考高度，x ₂ 为测量目标在相机中的的虚像相对于相机光轴的参考高度，f _c 为曲面镜焦距；

步骤S42：通过第i次比例因子Mi，计算第i次修正系数α _i ，通过所述第i次修正系数α _i 与所述第i次比例因子M _i ，计算得到第i+1次比例因子M _i+1 ；

步骤S43：判断所述第i+1次比例因子M _i+1 是否收敛：若收敛，则第i+1次比例因子M _i+1 为最终比例因子M；若不收敛，则i=i+1，i=0、1、2、...n，n为循环次数，重复步骤S42。

6.如权利要求5所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述第i+1次比例因子M _i+1 的计算公式如下：

M _i+1 =α _i M _i 。

7.如权利要求5所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述第i次修正系数α _i 的计算公式如下：

其中，S为曲面镜上表面至相机光轴的偏置距离；

其中，第i次目标高度H ₁ ⁱ 和虚像高度H ₂ ⁱ ，计算公式如下：

H ₁ ⁱ =M _i* x ₁

H ₂ ⁱ =M _i* x ₂ 。

8.如权利要求1所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，步骤S5中，相机与测量目标之间的距离计算公式如下：

L=f*M

其中，f为相机焦距，L为相机与测量目标之间的距离。

9.如权利要求1所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述曲面镜为凸面镜或凹面镜。

10.如权利要求1所述的基于曲面镜的单目测距方法，其特征在于，所述曲面镜为曲率可以控制的柔性曲面镜。

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