CN115077468A - 一种变焦测距方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变焦测距方法，包括以下步骤：步骤S1:对可变倍相机进行不同倍率下的标定，生成不同倍率下的焦距曲线；步骤S2:通过目标识别技术对监测区域内的目标物进行识别；步骤S3:根据目标物特征在不同焦距段拍照，基于前后两次不同焦距段的图像计算物体距离摄像机的距离和坐标。本发明解决了传统视觉测量技术适用于远距离测量的不足，弥补了传统视觉测量技术的不足。
Description
技术领域
本发明涉及工程测量领域，具体涉及一种变焦测距方法及装置。
背景技术
在传统的工程测量等领域，非接触式测量主要有基于激光、超声波等的测量方式，该方式主要通过测量波在空间传播的时间基于波速计算距离，时间测测量可通过精密计时传感器获取时间，也可通过相位差计算传播时间。目前激光测量技术在手持式激光测距仪、三维激光扫描和激光雷达中获得了广泛的应用，也是目前使用最为广泛的非接触测量技术。基于激光等空间波测量的方法可以实现精确测量，但是对于远距离测量时，不容易对准被测目标，测量结构复杂，需配合棱镜和光学瞄准仪器等测量。
另一类是基于视觉的测量，即通过摄像机的空间光学光学成像建立测量模型，主要常见的单目测量、双目测量、结构光测量等。目前由于单目图像无空间深度信息，因此需要通过先验知识才能进行某些特定场景下的特定物体的测量。双目测量是通过左右图像的视差形成空间深度信息的一种视觉测量方法，也是目前广泛使用的一种视觉测量技术，由于受到基线长度的限制，双目测量不适用于远距离的测量，目前双目测量量程基本在20m以内。结构光测量是通过特定的光源发射具有某种规律的调制光，生成条纹光束等特定图案，摄像机通过获取条纹图案，基于调制规律反推空间深度的一种技术，目前在桌面式三维扫描仪等系统中被广泛使用，同样由于受到光源的限制，结构光无法进行远距离的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变焦测距方法及装置，解决了传统视觉测量技术适用于远距离测量的不足，弥补了传统视觉测量技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变焦测距方法，包括以下步骤：
步骤S1：对可变倍相机进行不同倍率下的标定，生成不同倍率下的焦距曲线；
步骤S2：通过目标识别技术对监测区域内的目标物进行识别；
步骤S3：根据目标物特征在不同焦距段拍照，基于前后两次不同焦距段的图像计算物体距离摄像机的距离和坐标。
进一步的，所述步骤S1具体为：
步骤S11：对可变倍率摄像机在不同倍率下进行标定；
步骤S12：根据标定的不同倍率Ri下的焦距值Fi＝[fxi，fyi]下，根据相机有效成像距离[d1，dn]等间距划分n个距离的测量焦距修正位，其中第j个位置的距离为dj；；
步骤S13：将标准测量尺按平行于视频成像面布置，依次放置在测量距离为dj位置处，并通过透镜成像模型，基于实景测尺、像素物理尺寸和测量距离dj计算实际位置下的实际焦距值[fxi j，fyi j]，焦距偏差为ΔFi j＝[fxi-fxi jfyi-fyi j]；由此获得修订后的在不同倍率Ri下的焦距在距离为dj处的实际焦距值为：Fi+ΔFi j，；并设Pi(dj)＝Fi+ΔFi j；
步骤S14：根据拉格朗日插值多项式获得焦距曲线，整个测量范围内倍率为Ri的精确焦距曲线为：
进一步的，所述步骤S11具体为：将摄像机通过控制端依次设置在不同成像倍率下，从小到大依次为R1...Ri...Rn，且R1＜...＜Rn＜...＜Rn，并通过移动棋盘格与摄像机之间距离或更换大幅面的棋盘格，保证棋盘图像在视频画面满足预设要求；依次在不同倍率Ri下，通过棋盘标定方法该焦段下的内参矩阵进行标定并记录；
不同倍率Ri下的内参矩阵表示为：
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21：通过控制端控制云台使目标物出现在摄像机画面中，并通过框选确定目标物范围；
步骤S22：基于确定的目标物范围基于图像识别算法识别被测目标物，并计算目标物轮廓和目标物中心点像素坐标。
进一步的，所述步骤S3，具体为：
步骤S31：基于目标物中心点像素坐标控制云台使相机对中，目标物画面趋近成像画面中心，并自动拍照保存生成图像P1，并记录此时的相机成像倍率Ri、焦距Fi；
步骤S32：如果目标物轮廓画面超出了整体画面的预设比例以上，则相机缩小成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri-1，并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面，记录此时的摄像机倍率Ri-1，焦距Fi-1；
如果目标物轮廓画面小于整体画面的预设比例，则相机放大成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri+1，并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面，记录此时的摄像机倍率(Ri+1)，焦距(Fi+1)信息；
步骤S33：将放大或缩小倍率后的相机焦距用Fj表示，倍率用Rj表示
步骤S34：基于Ri，Rj前后两次的成像图像和焦距值建立测距计算公式；
步骤S35：将计算所得的距离L代入焦距曲线方程(2)获得在该距离处倍率为Ri，和Rj时修订的焦距值Fi(L)，Fj(L)；
步骤S36：基于修订的焦距值Fi(L)，Fj(L)，获得修订后精确测量距离。
进一步的，所述步骤S34，具体为：设可变倍率摄像机在不同倍率下的图像分辨率不变，则每个像素的物理尺寸保持不变，为[dx，dy].前后两次成像的物体像素大小分别为[sxi，syi]、[sxj，syj]，图像像素大小为通过图像识别技术获取目标轮廓后自动获取所得，则
则根据透视投影原理可知：
定义焦距比和图像像素比分别为：
则通过以上方程联立求解可得：
通过上式即可获得被测物体与摄像机的初步距离。
进一步的，所述修订后精确测量距离，具体为：
其中
进一步的，在步骤S32的基础上进一步进行变焦截取图像，在Ri-2或Ri+2的倍率下，通过对图像进行识别分析，如果在图像中所测目标物清晰完整，整体轮廓未超出图像画面且大于图像总范围的20％，则获取当前焦距值Fk和图像特征像素尺寸hk
则获得(Fi，Fj)，(Fi，Fk)，(Fj，Fk)三种变焦组合，获得三种变焦组合下的距离值：Lij，Lik，Ljk，则最终的测量距离为：
L＝(Lij+Lik+Ljk)/3 (10)。
一种变焦测距方法的装置，包括高精度可控云台、可变倍率摄像机和后台控制系统。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明解决了进行远距离测量时不宜瞄准被测物体的问题，并可同时对目标物进行多点空间测量；
2、本发明解决了传统视觉测量技术适用于远距离测量的不足，弥补了传统视觉测量技术的不足。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明一实施例中焦距计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种变焦测距方法，包括以下步骤：
步骤S1：对可变倍相机进行不同倍率下的标定，生成不同倍率下的焦距曲线；
步骤S2：通过目标识别技术对监测区域内的目标物进行识别；
步骤S3：根据目标物特征在不同焦距段拍照，基于前后两次不同焦距段的图像计算物体距离摄像机的距离和坐标。
在本实施例中，所述步骤S1具体为：
步骤S11：对可变倍率摄像机在不同倍率下进行标定，具体如下
将摄像机通过控制端依次设置在不同成像倍率下，从小到大依次为R1...Ri...Rn，且R1＜...＜Ri＜...＜Rn，并通过移动棋盘格与摄像机之间距离或更换大幅面的棋盘格，保证棋盘图像在视频画面满足预设要求；依次在不同倍率Ri下，通过棋盘标定方法该焦段下的内参矩阵进行标定并记录；
不同倍率Ri下的内参矩阵表示为：
步骤S12：根据标定的不同倍率Ri下的焦距值Fi＝[fxi，fyi]下，根据相机有效成像距离[d1，dn]等间距划分n个距离的测量焦距修正位，其中第j个位置的距离为dj；；
步骤S13：将标准测量尺按平行于视频成像面布置，依次放置在测量为dj上，并通过透镜成像模型，基于实景测尺、像素物理尺寸和测量距离dj计算实际位置下的实际焦距值[fxi j，fyi j]，焦距偏差为ΔFi j＝[fxi-fxi j fyi-fyi j]；由此获得修订后的在不同倍率Ri下的焦距在距离为dj处的实际焦距值为：Fi+ΔFi j，；并设Pi(dj)＝Fi+ΔFi j；
步骤S14：根据拉格朗日插值多项式获得焦距曲线，整个测量范围内倍率为Ri的精确焦距曲线为：
进一步的，所述步骤S11具体为
在本实施例中，步骤S2具体为：
步骤S21：通过控制端控制云台使目标物出现在摄像机画面中，并通过框选确定目标物范围；
步骤S22：基于确定的目标物范围基于图像识别算法识别被测目标物，并计算目标物轮廓和目标物中心点像素坐标。
在本实施例中，步骤S3，具体为：
步骤S31：基于目标物中心点像素坐标控制云台使相机对中，目标物画面趋近成像画面中心，并自动拍照保存生成图像P1，并记录此时的相机成像倍率Ri、焦距Fi等信息；
步骤S32：如果目标物轮廓画面超出了整体画面的预设比例以上，则相机缩小成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri-1，并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面P2，记录此时的摄像机倍率Ri-1，焦距Fi-1等信息；
如果目标物轮廓画面小于整体画面的预设比例，则相机放大成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri+1，并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面P2，记录此时的摄像机倍率(Ri+1)，焦距(Fi+1)信息；
步骤S33：将放大或缩小倍率后的相机焦距用Fj表示，倍率用Rj表示
步骤S34：基于Ri，Rj前后两次的成像图像和焦距值建立测距计算公式；
步骤S35：将计算所得的距离L代入焦距曲线方程(2)获得在该距离处倍率为Ri，和Rj时修订的焦距值Fi(L)，Fj(L)；
步骤S36：基于修订的焦距值Fi(L)，Fj(L)，获得修订后精确测量距离。
优选的，参考图2，基于Ri，Rj前后两次的成像图像和焦距值建立测距计算公式，具体计算过程为：
对于前方L米处一个长度为H的物体，在倍率为Ri，Rj下，即焦距为Fi，Fj时，所成的项的大小分别为hi，hj。
设可变倍率摄像机在不同倍率下的图像分辨率不变，则每个像素的物理尺寸保持不变，为[dx，dy].前后两次成像的物体像素大小分别为[sxi，syi]、[sxj，syj]，图像像素大小为通过图像识别技术获取目标轮廓后自动获取所得，则
则根据透视投影原理可知：
定义焦距比和图像像素比分别为：
则通过以上方程联立求解可得：
通过上式即可获得被测物体与摄像机的初步距离。
优选的，基于修订的焦距值重新代入式(8)，可获得修订后精确测量距离，具体为：
其中
为了提高计算精度可在第四部计算基础上进一步进行变焦截取图像，如在Ri-2或Ri+2的倍率下，也可根据需要提高倍率，通过对图像进行识别分析，如果在图像中所测目标物清晰完整，整体轮廓未超出图像画面且大于图像总范围的20％，则获取当前焦距值Fk和图像特征像素尺寸hk
则获得(Fi，Fj)，(Fi，Fk)，(Fj，Fk)三种变焦组合，获得三种变焦组合下的距离值：Lij，Lik，Ljk，则最终的测量距离为：
L＝(Lij+Lik+Ljk)/3 (10)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种变焦测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:对可变倍相机进行不同倍率下的标定，生成不同倍率下的焦距曲线；
步骤S2:通过目标识别技术对监测区域内的目标物进行识别；
步骤S3:根据目标物特征在不同焦距段拍照，基于前后两次不同焦距段的图像计算物体距离摄像机的距离和坐标。
2.根据权利要求1所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
步骤S11:对可变倍率摄像机在不同倍率下进行标定；
步骤S12:根据标定的不同倍率Ri下的焦距值Fi＝[fxi,fyi]下，根据相机有效成像距离[d1,dn]等间距划分n个距离的测量焦距修正位，其中第j个位置的距离为dj；；
步骤S13:将标准测量尺按平行于视频成像面布置，依次放置在测量为dj上，并通过透镜成像模型，基于实景测尺、像素物理尺寸和测量距离dj计算实际位置下的实际焦距值[fxi j,fyi j],焦距偏差为ΔFi j＝[fxi-fxi j fyi-fyi j]；由此获得修订后的在不同倍率Ri下的焦距在距离为dj处的实际焦距值为：Fi+ΔFi j,；并设Pi(dj)＝Fi+ΔFi j；
步骤S14:根据拉格朗日插值多项式获得焦距曲线,整个测量范围内倍率为Ri的精确焦距曲线为：
3.根据权利要求2所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：将摄像机通过控制端依次设置在不同成像倍率下，从小到大依次为R1…Ri…Rn,且R1<…<Ri<…<Rn,并通过棋盘标定与摄像机之间距离或更换大幅面的棋盘格，保证棋盘图像在视频画面满足预设要求；依次在不同倍率R-下,通过棋盘标定方法该焦段下的内参矩阵进行标定并记录；
不同倍率Ri下的内参矩阵表示为：
4.根据权利要求2所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
步骤S21:通过控制端控制云台使目标物出现在摄像机画面中，并通过框选确定目标物范围；
步骤S22:基于确定的目标物范围基于图像识别算法识别被测目标物，并计算目标物轮廓和目标物中心点像素坐标。
5.根据权利要求4所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述步骤S3，具体为：
步骤S31:基于目标物中心点像素坐标控制云台使相机对中，目标物画面趋近成像画面中心，并自动拍照保存生成图像P1，并记录此时的相机成像倍率R-、焦距Fi；
步骤S32:如果目标物轮廓画面超出了整体画面的预设比例以上，则相机缩小成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri-1,并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面P2，记录此时的摄像机倍率Ri-1，焦距Fi-1；
如果目标物轮廓画面小于整体画面的预设比例，则相机放大成像倍率至距离Ri最近的倍率Ri+1,并在此识别目标物轮廓，计算中心点并对中，提取摄像机画面P2，记录此时的摄像机倍率(Ri+1)，焦距(Fi+1)信息；
步骤S33:将放大或缩小倍率后的相机焦距用Fj表示,倍率用Rj表示
步骤S34:基于Ri，Rj前后两次的成像图像和焦距值建立测距计算公式；
步骤S35:将计算所得的距离L代入焦距曲线方程(2)获得在该距离处倍率为Ri和Rj时修订的焦距值Fi(L),Fj(L)；
步骤S36:基于修订的焦距值Fi(L),Fj(L)，获得修订后精确测量距离。
6.根据权利要求5所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述步骤S34，具体为：设可变倍率摄像机在不同倍率下的图像分辨率不变，则每个像素的物理尺寸保持不变，为[dx,dy].前后两次成像的物体像素大小分别为[sxi,syi]、[sxj,syj],图像像素大小为通过图像识别技术获取目标轮廓后自动获取所得，则
则根据透视投影原理可知：
定义焦距比和图像像素比分别为：
则通过以上方程联立求解可得：
通过上式即可获得被测物体与摄像机的初步距离。
7.根据权利要求5所述的一种变焦测距方法，其特征在于，所述修订后精确测量距离，具体为：
其中
8.根据权利要求5所述的一种变焦测距方法，其特征在于，在步骤S32的基础上进一步进行变焦截取图像，在Ri-2或Ri+2的倍率下，通过对图像进行识别分析，如果在图像中所测目标物清晰完整，整体轮廓未超出图像画面且大于图像总范围的20％，则获取当前焦距值Fk和图像特征像素尺寸hk
则获得(Fi，Fj),(Fi，Fk),(Fj，Fk)三种变焦组合，获得三种变焦组合下的距离值：Lij，Lik，Ljk,则最终的测量距离为：
L＝(Lij+Lik+Ljk)/3 (10)。
9.实现权利要求1-8任一所述的一种变焦测距方法的装置，其特征在于，包括高精度可控云台、可变倍率摄像机和后台控制系统。
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