CN115797459B - 一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意焦距组合的双目定焦镜头的测距方法，属于计算机视觉技术领域，可以将两个任意焦距的镜头构建双目系统并对视场重叠部分的目标进行测距，大大突破了原有双目系统对于相机焦距的要求。本发明方法包括以下步骤：首先固定感光元件位置，并保持感光元件处于同一平面并且高度相同；然后加装两个焦距任意的镜头并利用棋盘格对各镜头进行标定；最后通过任意焦距组合的双目测距算法对双目系统中重叠视场中目标进行测距。

Description

一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法

技术领域

本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法。

背景技术

视觉测距系统在目标探测与跟踪系统中起着日益重要的作用，已广泛应用于公安、边防、公路交通、城市场景三维重建等各个行业。随着多焦距镜头、红外热像仪、近红外相机的发展，视觉测距系统从单一的可见光镜头发展到多种视觉传感器镜头组合的多视觉传感器组合系统。而测距功能作为双目视觉系统的重要功能之一，如何通过任意焦距组合的双目测距系统对视场中目标的距离进行有效测量是当前双目视觉系统发展中的重点与难点。

发明内容

本发明提供了一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，解决了现有技术中对视场中目标的距离进行有效测量的问题。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，包括以下步骤：

(1)将成像系统感光原件固定在同一平面上，保证两块感光原件处于同一高度上，选用任意焦距的镜头与感光原件组合成为两个相机，从而构建一个不同焦距的双目测距装置；

(2)利用棋盘格标定分别对两个相机进行标定，分别得到两个相机的不同的内参矩阵，记相机的内参的矩阵分别为与/>结合感光原件的大小与内参矩阵求解两个相机的主距f₁、f₂以及主点(c_x1,c_y1)、(c_x2,c_y2)，记主点之间的距离为基线距b；

(3)采集双目成像系统中视觉信息数据，对双目成像系统中左右视场中重叠区域内的目标利用不平衡双目成像原理进行测距。

以上所述步骤中，步骤(3)的具体过程如下：

(3a)将长短焦双目成像系统水平放置，采集当前视场中的图像信息，分别获取左视场中的图像A与右视场中的图像B；

(3b)获取测距目标在左右视场中的匹配点，记左视场中测距目标点在像素坐标系下的坐标为(u₁,v₁)，右视场中测距目标点在像素坐标系下的坐标为(u₂,v₂)，结合步骤(2)中通过标定得到的相机主距与主点参数，基于相似性三角形原理构建距离方程，解算该目标点距离相机的距离；

步骤(3b)中所述双目测距装置双目成像距离计算公式为：

式中，f₁、f₂、f_x1、f_x2、c_x1、c_x2分别为短焦相机与长焦相机的主距、x方向的内参、x方向主点的坐标，u₁、u₂是目标点短焦相机与长焦相机在x方向的像素坐标系下的坐标，b是基线距。

进一步的，双目测距装置双目成像距离计算公式推导过程为：相机成像过程中，以左目短焦镜头光心为世界坐标系为原点，光轴为Z轴正方向，过原点竖直向下为y轴正方向，过原点与y轴垂直为x轴正方向建立世界坐标系，对于空间一点(X,Y,Z)，在左测短焦相机与右侧长焦相机中成像点为(u₁,v₁)与(u₂,v₂)，两点距离两个屏幕主点的x轴像距离分别是x₁、x₂，f₁、f₂分别为短焦相机与长焦相机的主距，可以根据三角形相似可以得到：

假设相机1与相机2的感光元件的像素单元在x与y方向的长度分别为α₁、α₂、β₁、β₂，可以得到图像坐标系到像素坐标系转换关系

联立上述等式可以得到目标点距离。

有益效果：本发明提供了一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，可以将两个任意焦距的镜头构建双目系统并对视场重叠部分的目标进行测距，大大突破了原有双目系统对于相机焦距的要求；本发明能够适用于不同类型的镜头包括红外镜头、近红外镜头、可见光镜头等符合小孔成像原理的镜头，构建的双目系统大大拓展了双目系统的镜头适用范围。

附图说明

图1是本发明实施的任意焦距双目定焦摄像机的双目重叠区域目标测距示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，包括以下步骤：

将成像系统感光原件固定在同一平面上，保证两块感光原件处于同一高度上，选用任意焦距的镜头与感光原件组合成为两个相机，从而构建一个不同焦距的双目测距装置；如图1所示，两块CMOS平面处于同一高度，图中含有两个任意焦距的镜头1与镜头2，其中镜头1为短焦镜头，镜头2是长焦镜头，镜头1的主距为f₁，该镜头的主点为O_A，镜头2的主距为f₂，该镜头的主点为O_B，b为主点O_A与O_B之间的距离，即双目系统的基线距；相机成像过程中，以左目短焦镜头光心为世界坐标系原点O₁(0,0,0)，光轴为Z轴正方向，过原点竖直向下为y轴正方向，过原点与y轴垂直为x轴正方向建立世界坐标系，对于空间一点O(-X,-Y,Z)在镜头1成像平面上投影为P_A(u₁,v₁)，在镜头2成像平面上投影为P_B(u₂,v₂)，该两点距离主点的距离在x轴的分量分别是x₁、x₂；

利用棋盘格标定分别对两个摄像机进行标定，分别得到两个相机的不同的内参矩阵，记相机的内参矩阵分别为与/>则主点坐标为O_A(c_x1,c_y1)、O_B(c_x2,c_y2)；

将长短焦双目成像系统水平放置，采集当前视场中的图像信息，分别获取左视场中的图像A与右视场中的图像B；

相机成像过程中，以左目短焦镜头光心为世界坐标系为原点，光轴为Z轴正方向，过原点竖直向下为y轴正方向，过原点与y轴垂直为x轴正方向建立世界坐标系。对于空间一点(X,Y,Z)，在左测短焦相机与右侧长焦相机中成像点为(u₁,v₁)与(u₂,v₂)，该两点距离两个屏幕主点的x轴像距离分别是x₁、x₂，f₁、f₂分别为短焦相机与长焦相机的主距，可以根据三角形相似可以得到：

假设相机1与相机2的感光原件中像素单元在x与y方向的长度分别为α₁、β₁、α₂、β₂，可以得到图像坐标系到像素坐标系转换关系：

联立上述等式可以得到目标点距离：

对上述算法进行测试，得到的效果如表1所示：

表1双目测距实验结果

序号	激光测距/m	双目解算/m	误差/m	误差百分比
					1	0.916	0.909	0.007	0.76％
2	1.869	1.840	0.029	1.55％
					3	2.893	2.831	0.062	2.14％
4	3.980	3.958	0.022	0.55％
					5	5.139	4.984	0.155	3.02％
6	5.327	5.621	-0.294	-5.52％

以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将成像系统感光原件固定在同一平面上，保证两块感光原件处于同一高度上，选用任意焦距的镜头与感光原件组合成为两个相机，两个镜头的感光成像平面在同一平面上，构建不同焦距的双目测距装置；

(2)利用棋盘格标定分别对两个相机进行标定，分别得到两个相机的不同的内参矩阵，记相机的内参的矩阵分别为与/>结合感光原件的大小与内参矩阵求解两个相机的主距f₁、f₂以及主点(c_x1,c_y1)、(c_x2,c_y2)，记主点之间的距离为基线距b；

(3)采集双目成像系统中视觉信息数据，对双目成像系统中左右视场中重叠区域内的目标利用不平衡双目成像原理进行测距，双目测距装置的双目成像距离计算公式为：

式中，f₁、f₂、f_x1、f_x2、c_x1、c_x2分别为短焦相机与长焦相机的主距、x方向的内参、x方向主点的坐标，u₁、u₂是目标点短焦相机与长焦相机在x方向的像素坐标系下的坐标，b是基线距。

2.根据权利要求1所述的任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，其特征在于，所述双目测距装置左侧为短焦镜头，右侧为长焦镜头。

3.根据权利要求2所述的任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：

(a)将长短焦双目成像系统水平放置，采集当前视场中的图像信息，分别获取左视场中的图像A与右视场中的图像B；

(b)获取测距目标在左右视场中的匹配点，记左视场中测距目标点在像素坐标系下的坐标为(u₁,v₁)，右视场中测距目标点在像素坐标系下的坐标为(u₂,v₂)，结合步骤(2)中通过标定得到的相机主距与主点参数，基于相似性三角形原理构建距离方程，解算该目标点距离相机的距离。

4.根据权利要求3所述的任意焦距组合的双目视觉系统测距方法，其特征在于，基于相似性三角形原理构建距离方程具体包括以下步骤：

相机成像过程中，以左目短焦镜头光心为世界坐标系为原点，光轴为Z轴正方向，过原点竖直向下为y轴正方向，过原点与y轴垂直为x轴正方向建立世界坐标系，对于空间一点(X,Y,Z)，在左测短焦相机与右侧长焦相机中成像点为(u₁,v₁)与(u₂,v₂)，两点距离两个屏幕主点的x轴像距离分别是x₁、x₂，f₁、f₂分别为短焦相机与长焦相机的主距，可以根据三角形相似可以得到：

假设相机1与相机2的感光元件的像素单元在x与y方向的长度分别为α₁、α₂、β₁、β₂，可以得到图像坐标系到像素坐标系转换关系

联立上述等式可以得到目标点距离。