TWI412725B - 距離量測與定位方法 - Google Patents
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- TWI412725B TWI412725B TW099144496A TW99144496A TWI412725B TW I412725 B TWI412725 B TW I412725B TW 099144496 A TW099144496 A TW 099144496A TW 99144496 A TW99144496 A TW 99144496A TW I412725 B TWI412725 B TW I412725B
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Description
本發明是關於一種距離量測與定位方法，尤其是關於一種將像素差異法距離量測的原理，應用於二維傾斜面之目標物的定位方法。
在以影像為基礎的距離量測中，影像信號分析或全畫面影像圖形辨識的方法(例如C. C. Peng,A compact digital image sensing distance and angle measuring device
,M.S. thesis,Optical Science Center,Nation Central Univ.,Taoyuan County,Taiwan,2001)，已被廣泛的探討及應用於習知技術中。當以影像信號分析或全畫面影像圖形辨識的技術做為距離量測系統時，必須使用高速DSP微電腦處理系統，故其具有體積大，攜帶不便，以及量測速度較慢的缺點。
除此之外，習知技術中亦使用雙眼立體視覺的方式來完成距離量測，雙CCD攝影機(例如J. C. Aparicio Femandes and J. A. B. Campos Neves,“Angle Invariance for Distance Measurements Using a Single Camera,”IEEE International Symposium on Industrial Electronics
,vol.1,2006,pp. 676-680)係利用同一物件在兩張影像畫面中的對應關係，以視差法作為距離量測的依據，而單一CCD距離量測系統(例如Schultz Stephen,Giuffrida Frank and Mondello Charles,GRAY Robert,“Oblique geolocation and measurement system,”US patent of invention
,No. 044692,2004)係利用其影像的變動量完成三度空間的距離量測，此量測方式雖有其量測的方便性，但卻無法應用於陰暗的環境中。
有鑑於此，本發明提出一種係以影像為基礎之量測方法，藉由像素差異法距離量測的原理，並透過硬體架構，只要使用任單一攝影機或相機，便可以輕易完成簡易的距離量測工作，大幅改善習知技術之各項缺點。
本發明之距離量測與定位方法包括下列步驟：(1)利用一拍攝裝置對一在傾斜面上的待測物體進行二次拍攝，且二次拍攝的距離差Δh
；(2)定義一虛擬水平面，且此虛擬水平面與拍攝的影像平面平行；(3)求出傾斜面與虛擬水平面之間的夾角θ m
；(4)在傾斜面上定義一垂直方向與一水平方向；(5)利用二次拍攝之影像的像素值、距離差Δh
、以及拍攝時在垂直方向之最大可視角θ V
，求出待測物體上的量測點C
'在虛擬水平面上距離拍攝的光學中心軸之間距離d C'
；(6)利用距離d C'
以及夾角θ m
，求出在垂直方向上該量測點C
'至該光學中心軸的距離。
本發明之距離量測與定位方法可更包括下列步驟：利用二次拍攝之影像的像素值、距離差Δh
、以及拍攝裝置之光學中心至鏡頭的距離h S
，求出第一次拍攝時量測點C
'至該拍攝鏡頭的距離h 1
(C
')。
本發明之距離量測與定位方法可更包括下列步驟：利用拍攝影像中的水平最大像素值N H _max
、距離h 1
(C
')、第一次拍攝之影像的像素值、以及拍攝時在水平方向之最大可視角θ H
，求出在水平方向上量測點C
'至光學中心軸的距離。
其中，距離差Δh
=[D
(h 1
)-D
(h 2
)]×cotθ H
，D
(h 1
)為第一次拍攝水平寬度，D
(h 2
)為第二次拍攝水平寬度，θ H
為拍攝時在該水平方向之最大可視角。
其中，拍攝裝置係一變焦攝影機或變焦相機。
下面將舉較佳實例並配合圖式詳細描述本發明之距離量測與定位方法。
第1圖係像素差異法距離量測之Δh
位移前之示意圖，第2圖係像素差異法距離量測之Δh
位移後之示意圖，在影像中，距離的遠近與像素值之間存在著一個關係式，也就是說當攝影距離改變時，目標物於影像中所佔有的像素值，會因為攝影距離不同而有所改變，此方法係基於一個簡單攝影機(或相機等其他拍攝裝置)位移方式，其中Δh
為在不同攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)的差距。
第3圖係顯示在不同的拍攝距離h 1
(O
)與h 2
(O
)下，兩個任意參考點的像素變化量關係示意圖，其係依據第1圖以及第2圖所繪製之像素差異法量測系統之架構，並由水平角度觀看整個定位量測位置關係，且其目標平面所組成點A、O、B必須垂直於光學中心軸。各使用符號說明如下：
2θ H
：水平最大可視角
OP 1
、OP 2
：光學中心點
Δh
：不同攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)的差距
O
：數位攝影機光學中心軸與目標垂直平面交會點
hs
：光學中心點OP到攝影機鏡頭之距離
N H _max
：數位攝影機水平最大像素值
D
(h 1
)、D
(h 2
)：實際水平投射最大寬度
N 1
()、N 2
()：兩個任意參考點，A點至B點的像素值
根據第3圖所示，可找出一簡單的關係式，係基於數位攝影機的位移量與參考點於影像中像素的變化，並假設選定之參考點A與B之間的實際距離為固定，因此可獲得距離與像素之間的關係式如下：
其中參考點A以及參考點B可任意選擇，而D
()為垂直平面上參考點A與參考點B之間的距離，故將公式(1)以及公式(2)做整理，即可進一步獲得公式(3)如下：
因數位攝影機之位移量為Δh
=h 1
(O
)-h 2
(O
)，利用簡單的類似三角函數原理，即可將公式表示為：
若將數位攝影距離之位移量表示為h 1
(O
)=h 2
(O
)+Δh
，並將其帶回公式(4)，即可求解出數位攝影機與目標物所在之垂直平面的距離h 1
(O
)與h 2
(O
)，分別表示如下：
再者，第3圖所示之參數2θ H
為攝影機水平之最大可視角度，此參數利用習知技術Ti-Ho Wang,Ming-Chih Lu,Chen-Chien Hsu,Yin Yu Lu,and Ching-Pei Tsi,“Three Dimensional Measurement Based on Image Shift and Its Applications in Object Inspection,”WSEAS Transactions on Systems
,vol.6,No. 5,May 2007,pp. 926-933，將可以非常精確求解得知，而N H _max
為攝影機之影像中水平最大像素值，因此任意兩參考點A與B於目標垂直平面上兩點之間的距離表示如下：
根據上述關係，亦可分別求得任意參考點A與光學中心軸投影點O之間的距離，如下所示：
由上述可得知，數位攝影機與垂直平面之間的攝影距離，以及垂直平面上的任意兩參考點之間的距離。但若假設待測平面為一個傾斜平面，其上述之像素差異法距離量測公式將不適用。
事實上，在大部分的距離量測中，數位攝影機與量測平面之間會存在一個傾斜的夾角，如移動機器人上所架設之數位攝影機具，數位攝影機與量測平面之間，或是數位攝影機與目標物之間，皆會存在一個夾角。為了克服傾斜面量測的問題，本發明提出一種像素差異法之傾斜面的量測方法，以下將分別依序說明其傾斜角度的量測、傾斜面攝影距離的量測以及計算出傾斜面上任意兩參考點之間的距離。
首先，將說明本發明像素差異法之傾斜面之傾斜角度的量測，第4圖係像素差異法之傾斜面量測之Δh
位移示意圖，第5圖係根據第4圖所繪製之像素差異法之傾斜面量測系統示意圖，其中係以水平角度觀看整個量測關係。各使用符號說明如下：
θ m
：實際傾斜面與影像平面之間的夾角
Δk
：虛擬平面VP_A
和VP_B
之間的距離
d A
、d B
：兩參考點A與B點於虛擬水平面上至光學中心軸之距離
VP_A
、VP_B
：通過A與B點且與光學中心軸垂直之虛擬水平面
N n
(A
)、N n
(B
)：影像中參考點A與B點距離影像中心的像素值
在第5圖中，h S
為光學中心O P
(optical origin)到數位攝影機鏡頭的距離，Δh
為攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)之間的位移量。因為任意兩參考點A與B係座落於傾斜平面上，故公式(5)與公式(6)不適用，然而本發明則提出一虛擬水平面的概念，虛擬水平面VP_A
與VP_B
為平行影像平面且垂直於光學中心軸的平面，此兩平面並不存在於實際空間中，但在本發明中係假設參考點A與B分別位與兩虛擬水平面上，並且距離光學中心軸投影點O之間的距離為d A
與d B
。
因此，根據上述原理，即可分別求得兩虛擬水平面與數位攝影機之間的距離，其公式如下：
h 1
(A
)與h 1
(B
)分別為數位攝影機在位置OP 1
時，距離虛擬水平面VP_A
與VP_B
的距離，h 2
(A
)與h 2
(B)分別為數位攝影機在位置OP 2
時，距離虛擬水平面VP_A
與VP_B
的距離，N n
(X
)係表示在數位攝影機位置為OP 1
與OP 2
時，影像中參考點X
距離影像中心的像素值，故將上述公式整理後，即可求得實際傾斜面與虛擬水平面的夾角θ m
，其公式如下：
h 1
(A
)-h 2
(B
)=h 2
(A
)-h 2
(B
)=Δk
=(d A
+d B
)tanθ m
(13)
再者，將說明本發明像素差異法之傾斜面之攝影距離的量測，由第5圖可得知，h 1
(O
)與h 2
(O
)為所定義之攝影距離，並利用上述所求得之傾斜角度θ m
，當Δk
為兩虛擬水平面VP_A
與VP_B
之間的距離時，因為兩虛擬水平面互為水平，所以可利用三角函數的原理求解出任意兩參考點A、B與光學中心軸的距離d A
與d B
，其公式如下：
於是可求得數位攝影機位於OP 1
與OP 2
時，與光學中心軸投射點O之攝影距離，其公式如下：
h 1
(O
)=h 1
(A
)-d A
tanθ m
=h 1
(B
)+d B
tanθ m
(17)
h 2
(O
)=h 2
(A
)-d A
tanθ m
=h 2
(B
)+d B
tanθ m
(18)
最後，將說明本發明像素差異法之傾斜面式上任意兩參考點之間的距離量測，請參閱第5圖中所標示參考點A與B兩點之間的距離，為本發明所定義傾斜平面上之任意兩點間距離，由上述公式中，已分別求得傾斜平面與虛擬水平面之間的夾角θ m
，以及兩參考點與光學中心軸的距離d A
與d B
，因此可求得傾斜面任意兩參考點的距離，其公式如下：
D
(AB
)=(d A
+d B
)secθ m
(19)
若任意兩參考點位於相同側，其公式可改寫如下：
D
(AB
)=|(d A
-d B
)|secθ m
(20)
緊接著，將說明本發明基於像素差異法傾斜面測量之二維平面定位，其包括二維定位之水平寬度量測以及二維平面定位之垂直寬度量測。第6圖係像素差異傾斜量測之二維平面立體示意圖，其中P
、Q
、R
與S
為影像平面的平行面，OP 1
與OP 2
為數位攝影機位在攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)時光學中心點的位置，O
為光學中心軸所投射在P
、Q
、R
與S
平面的投影點，而由P'
、Q'
、R'
與S'
所構成的區域範圍為數位攝影機位於OP 1
拍攝時的實際傾斜平面，P"
、Q"
、R"
與S"
所構成的區域範圍為數位攝影機位於OP 2
拍攝時的實際傾斜平面。在開始進行定位之前，必須先行定義下列三項先決條件：
1. 首先須確定所選定之任意量測點C'
係坐落於P'
、Q'
、R'
與S'
所構成的傾斜平面上。
2. 在P'
、Q'
、R'
與S'
傾斜平面上的任意兩參考點A'
以及B'
與量測點C'
所構成的線段與必須互為垂直。
3. 線段應與X
方向軸互為平行，線段則需要與Y
方向軸互為平行。
第7圖係立體視角之二維平面定位示意圖，其中P'
、Q'
、R'
與S'
所構成之範圍為實際傾斜平面，而P
、Q
、R
與S
所構成的範圍則為虛擬水平面，由圖中可知，點A'
、C'
構成了一線段，且此線段延伸至y方向軸並且與其交點為O 1
，而點A'
、C'
與O 1
在影像中剛好在同一條水平面掃描線上，因此即可得知A'
、C'
與O 1
三點位於空間中的相對位置關係圖，如第8圖所示。
請參閱第8圖之二維平面定位之水平寬度量測示意圖，其係以水平視角來觀看量測點C'
與任意參考點A'
以及O 1
的相對關係，其中N H _max
為於影像中水平最大像素值，N 1
()為點A'
與C'
於影像中所佔有的像素值，h S
為光學中心點OP 1
到數位攝影機鏡頭的距離，h 1
(A'
)為量測之攝影距離。
在此可運用上述所推導出的像素差異法距離量測公式來求得參考點A'
的攝影距離，且因目標點C'
與參考點A'
位於同一平面上，故目標點C'
距離數位攝影機的距離與參考點A'
的攝影距離相等，其公式如下所示：
在水平視角所觀察之環境，可使用三角函數來求解出目標點C'
與O 1
之間的距離，其被定義之水平寬度：
請參閱第9圖之二維平面定位之垂直寬度量測示意圖，其係以垂直視角來表示二維平面定位中垂直的寬度量測，其中2θ V
為垂直最大可視角，θ m
為實際傾斜面與影像平面之間的夾角，VP_B'
與VP_C'
分別為經過點B'
與C'
之虛擬水平面，此虛擬水平面與光學中心軸互為相交垂直，且點B'
與C'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離分別為d B '
與d C '
，N V _max
為影像中垂直最大像素值。
首先可使用三角函數求解出參考點B'
與數位攝影機之間的攝影距離，如下所示：
h 1
(C
')-h 1
(B
')=Δk
(24)
求解出參考點B'
與數位攝影機之間的攝影距離後，根據第9圖所示，可得知h 1
(C 1
)-h 1
(A 1
)=Δk
，故可求得實際傾斜平面與虛擬水平面之間的夾角，其公式如下：
再者，利用三角函數關係式可求得參考點B'
與C'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離分別為d B '
與d C '
根據公式(23)以及公式(25)，即可求得二維平面定位中的垂直寬度量測，其公式如下：
利用上述所求得之二維平面寬度量測，目標點C'
以及數位攝影機的攝影距離h 1
(C'
)，即可求得目標點C'
之數學式，其描述如下：
其中D
()、D
()、h 1
(C'
)已分別於公式(22)、公式(28)以及公式(21)求得，以完成空間中目標物於二維平面上的定位。
最後，本發明將說明傾斜式像素差異法之參數Δh之求解方法，如上所述，本發明係利用像素差異法傾斜面量測以完成二維平面定位，在此方法中有一關鍵參數Δh
之取得方式，係藉由沿著數位攝影機光學中心軸的方向移動，而產生不同攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)之差值所獲得，但由於必須移動數位攝影機，故增加了量測時的誤差量，為了克服此項缺點，本發明提出以數位變焦相機為基礎，並藉由數位相機的變焦功能，來獲得此參數Δh
。
第10圖係數位變焦攝影機Δh
距離量測系統示意圖，首先必須在原先的量測系統上架設一組雷射，此雷射光束會在平面上產生出投影亮點A，其各使用之符號說明如下：
OP 1
、OP 2
：光學中心點
O
：數位變焦攝影機光學中心軸與目標垂直平面交會點
N H _max
：水平最大像素值
D
(h 1
)、D
(h 2
)：水平實際寬度
h 1
(O
)、h 2
(O
)：數位變焦攝影機鏡頭至待側平面的距離
N 1
()、N 2
()：影像中雷射點投影點A距離影像中心的像素值
D S
：雷射發射器距離光學中心OP 1
、OP 2
的距離
由圖中可得知，2θ H
為數位變焦攝影機水平最大可視角，Δh
為攝影距離h 1
(O
)與h 2
(O
)所相差的距離，故可藉由數位攝影機變焦方式，針對雷射光束A在兩個不同的攝影距離之下，於影像中所得到的像素值N 1
()、N 2
()，再藉由所獲得的像素值差異，即可求解出在數位攝影機變焦方式下，水平實際的寬度值D
(h 1
)與D
(h 2
)。
故利用數位攝影機變焦方式以及三角函數關係式，可求得之關係式如下：
將上述公式整理後，即可獲得實際水平寬度D
(h 1
)與D
(h 2
)，其公式如下：
再利用第10圖中所示之相似三角形比例關係，即可求得Δh
之關係式為：
Δh
=[D
(h 1
)-D
(h 2
)]×cotθ H
(34)
因此，藉由數位攝影機的變焦功能，再配合一組與數位攝影機光學中心軸平行的雷射，即可推導出在像素差異法傾斜式距離量測中的參數Δh
，本發明之參數Δh
不須經過預先的量測便可以獲得，克服了原先像素差異法傾斜面之距離量測中可能遭遇到的問題。
請參閱第11圖，第11圖係應用本發明之量測方法，將所擷取之影像轉換成實際空間之座標位置，以完成二維平面定位之流程圖。
第12圖係依據本發明之拍攝系統的方塊圖，拍攝系統5包括一變焦數位攝影機51、一量測裝置53、一處理器54、以及一顯示裝置55。其中，變焦數位攝影機51用以擷取一影像，並產生影像信號組VO1
。
量測裝置53處理影像信號VO1
，以產生影像信號VO2
。處理器54對影像信號VO2
進行處理，以產生處理信號予顯示裝置55(例如液晶顯示器)，使其呈現對應畫面。
在本實施例中，量測裝置53包括一設定模組531、一偵測模組532以及一運算模組533。設定模組531提供一掃描信號VHK
，用以在顯示裝置55所呈現的畫面中，設置一水平線，該水平線同時通過鏡頭51所擷取到的影像畫面之第一及第二參考點A、B。
偵測模組532偵測第一及第二參考點A、B對應畫面之像素值，用以提供像素值N(A)、N(B)。當變焦數位攝影機51與第一及第二參考點A、B之間的距離未被改變時，偵測模組532偵測出第一及第二參考點A、B對應畫面之像素值N1
(A)、N1
(B)。
當變焦數位攝影機51與第一及第二參考點A、B之間的距離被改變時，偵測模組532偵測出第一及第二參考點A、B對應畫面之像素值N2
(A)、N2
(B)。
運算模組533根據偵測模組532之偵測結果，得知變焦數位攝影機51與第一及第二參考點A、B之間的距離，並處理掃描信號VHK
以及影像信號VO1
，以產生影像信號VO2
。
當處理器54將處理過的影像信號VO2
傳送至顯示裝置55時，在顯示裝置55所呈現的畫面中，除了變焦數位攝影機51所擷取的影像外，另外還包括水平線、游標線(即垂直線)、以及所量測到的數值。
請同時參閱第4圖，當變焦數位攝影機接觸到開關S1
時，可透過偵測模組532得知參考點A、B所對應之像素值N1
(A)、N1
(B)。當變焦數位攝影機往右移動距離Δh時，開關S2
會被觸發，此時再透過偵測模組532得知二參考點A、B所對應之另一像素值N2
(A)、N2
(B)。
第13圖係設定模組的方塊圖，其中設定模組531包括一掃描線設定器5311以及一掃描線控制器5312。掃描線控制器5312係根據攝影機51所提供的影像信號VO1
，可提供N條掃描信號。掃描線設定器5311用以致能N條掃描信號其中之一者。掃描線控制器5312再輸出掃描線設定器5311所致能的第k條掃描信號VHK
，使得畫面中的第k條掃描線為反白的狀態。
在本實施例中，掃描線設定器5311係根據調整信號SAV
，致能N條掃描信號之一者。在其他實施例中，掃描線設定器5311可固定致能N條掃描信號之一者。舉例而言，掃描線設定器5311固定致能第10條掃描線的信號。
第14圖係偵測模組的方塊圖，其中位置控制器5321及5323偵測二參考點A、B所對應的像素值N(A)、N(B)。以第4圖為例，在攝影機位移前，位置控制器5321偵測到的像素值為N1
(A)，而位置控制器5323偵測到的像素值為N1
(B)。
在攝影機位移後，位置控制器5321偵測到的像素值為N2
(A)，而位置控制器5323偵測到的像素值為N2
(B)。運算模組533再根據像素值N1
(A)、N1
(B)、N2
(A)、N2
(B)及移動距離Δh，得知攝影機與待測物之間的距離。
在本實施例中，偵測模組532藉由比較器5324、5325，在畫面中設置游標線，並控制游標線，使其與水平線相交於參考點A、B。
在每一條掃描線的開始，像素控制器5322所輸出的像素值NP
便由0開始往上計數，一直到掃描線結束(NP
=Nmax)。當像素值N(A)或N(B)等於像素控制器所輸出之像素值NP
時，則比較器5324或5325將致能掃描信號VEQ1
或VEQ2
。因此，會在該條掃描線的像素值N(A)及N(B)為處將產生「反白」的影像信號。
當所有掃描線都在像素值N
(A
)及N
(B
)處產生「反白」的影像信號時，就會產生二條垂直第k條掃描線的「反白」直線，也就是先前所提到的游標線。
第15圖為運算模組的方塊圖。運算模組533包括一減法器5331、一微處理器5332、一字元儲存記憶體5333、以及一處理單元5334。減法器5331用以得知二參考點A
、B
所對應之像素值N
(A
)及N
(B
)之間的差值。
當開關S1
被觸發時，表示攝影機尚未移動，由於減法器5331所接收到的像素值分別為N 1
(A
)、N 1
(B
)，故微處理器5332先接收減法器5331的計算結果。
當開關S 2
被觸發時，表示攝影機已移動距離Δh，由於減法器5331所接收到的像素值分別為N 2
(A
)、N 2
(B
)，故微處理器5332將利用此時所接收到的計算結果與上次所接收到的計算結果，進一步計算求得攝影機鏡頭與待測物體上參考點A
、B
之間的距離h1
(A)、h1
(B)、h2
(A)、h2
(B)，並將結果儲存於字元儲存記憶體5333中。
處理單元5334接收字元儲存記憶體5333的資料V CS
、攝影機51的影像信號V O 1
、設定模組的掃描信號V HK
、以及偵測模組的掃描信號V EQ 1
、V EQ 2
，經處理後輸出一影像信號V O 2
。
如前所述，處理器54處理影像信號V O 2
，然後傳送至顯示裝置55，此時在顯示裝置55所呈現的畫面中，除了變焦數位攝影機51所擷取的影像外，另外還包括水平線、游標線(即垂直線)、以及量測到的數值。
下列將說明本發明之各組實驗條件以及實驗結果。
實驗一為傾斜面上不同攝影距離之量測，其量測條件為：
(1) 使用數位攝影機(相機)為Canon
400D
(2) 全畫面像素個數1千萬像素，N H _max
=3888
(3) 所測得相機內部參數h S
=4.11cm
，cotθ H
=1.55
(4) 移動距離Δh
=25cm
表一至表六為目標物於不同傾斜角角度(0度、30度、45度、60度)下的距離量測，使用像素差異法傾斜面距離量測公式所計算得知的實際攝影距離，從實驗數據顯示在不同攝影距離下，當傾斜角度θm 45°時所量測到的結果，誤差量約略落在3%的附近，但是當傾斜角度θm
為60度時，整體量測誤差量明顯增加，探討其原因分析為，像素差異法傾斜面距離量測公式在距離近且有傾斜角度時，所量測的距離與實際距離會有很大的誤差量，是因為當攝影距離較近時，雖然所量測到的傾斜角度與實際角度誤差只有一點，但於影像中像素值卻有很大的差異，而攝影距離較長時，傾斜角度於影像中的變化相較之下變化較小，所以在攝影距離較長時，傾斜角度60度的距離量測誤差量比攝影距離近時誤差量明顯下降(例如當攝影距離為150cm、傾斜角度為60度時，其距離量測誤差量係落在5%以內，而當攝影距離為100cm時、傾斜角度為60度時，其距離量測誤差量為12.12%，相較於兩者，當攝影距離較長，其誤差量明顯下降)。
表七至表十二為目標物於不同拍攝距離(50cm、100cm、150cm、200cm、250cm、300cm)下的角度量測，利用像素差異法傾斜角度量測公式所量測的結果，從實驗數據中可發現，當傾斜角度逐漸變大時，整體的誤差量也漸漸的增加，雖然如此誤差量仍然在可接受的範圍之內。
表十三至表十八為不同攝影距離(50cm、100cm、150cm、200cm、250cm、300cm)下傾斜面上任意兩參考點A
與B
之間的距離量測，係運用像素差異法傾斜面任意兩點距離公式(19)、公式(20)所量測出的實際距離，由實驗數據中可發現，當傾斜的角度越大時，會造成傾斜面上任意兩點間距離誤差增加，探討其原因，因為此公式乃利用三角函數原理所推得，因此cos(θ m
)的特性為當角度值較小時，其變化量比較不是那麼劇烈，因此在傾斜角度較小時的任意兩點距離量測誤差相對比較小。反觀，當傾斜角度越大時，此時cos(θ m
)的變化量明顯變大，因此導致在傾斜角度較大時，任意兩點間距離相較於低角度時，誤差量比較大。
實驗二為二維斜面定位實驗，其係利用像素差異法二維平面定位公式所測得目標物的實際定位數據，其量測所定位之目標點A
、B
、C
、D
之座標，分別如表十九所示，並分別量測至y
方向軸的水平距離、到x
方向軸的水平距離以及攝影距離。由表十九可得知其座標量測結果，當目標物越接近於影像中心時，其量測時的誤差量較小，反之，當目標物距離影像中心遠時，其量測誤差量較大，主要是由於鏡頭的緣故而產生扭曲的現象，因此導致目標物於影像中所表示的像素值有失真的現象產生，也直接了影響了實驗的結果。
實驗三為Δh
對於量測結果的影響。相機移動距離Δh
對於目標物的量測具有相當重要的影響，即使是很小的位移量，也會因為像素過於接近而造成很大的誤差值，若以上述方程式中測量平放於垂直平面上之目標物的攝影距離為例，其中可被視為每個像素距離(distance per pixel)，而選擇較小的則可降低因參考點的錯誤判定所造成的誤差。然而，照相機在位移時，移動距離Δh
與N 2
()-N 1
()之間互相影響會很大，一般來說，當Δh
越大時，N 2
()-N 1
()也會隨之越大。
表二十係顯示Δh
對實驗結果所產生的影響，其中Δh
之範圍由10cm至275cm，而攝影距離為300cm。由實驗結果可得知，當Δh
值越大時，其量測結果越準確，且當Δh
大於50cm之後，其誤差值則開始明顯的下降。
此外，當Δh
值越大時，即使像素值的判定不正確，其對量測結果的影響也會比較小，舉例來說，當表二十中Δh
為50cm時，如果N 1
由26改為25，N 2
由31改為32，則其量測結果誤差值將分別達到-14.986%以及-12.208%，但當表二十中Δh
為200cm時，如果N 1
由26改為25，N 2
由77改為78，其量測結果誤差值分別只有-2.379%以及-1.097%。
由上述分析可得知，只要參考點可以正確的被定義於第一個地方，並盡可能維持每個像素距離(distance per pixel)於較低值，則可將不正確判定像素值的影響減至最低。
實驗四為使用變焦數位相機之等值Δh
量測。
量測條件：
(1) 使用PTZ數位攝影機(相機)為Axis
213R
(N
)
(2) 水平最大像素值N H _max
=640，垂直最大像素值N V _max
=480
(3) 所測得的量測參數h S
=3.29cm
，cotθ H
=2.656
(4) 雷射平行光束的距離D S
=9cm
表二十一係顯示目標物於垂直平面(亦即傾斜角θ m
=0°)之距離量測，而攝影距離範圍由50cm至300cm，變焦倍數為1.3。
其中，在不同的攝影距離下採用不同的移動距離Δh
，且當攝影距離越大，其Δh
亦越大(在變焦倍數1.3的相同條件下)，因為在投射雷射光束時即可同時進行測量，不需另外設法取得等值的Δh
，所以能克服因攝影機(相機)位移而難以取得位移量的問題。
h 1
(A'
)．．．量測之攝影距離。
2θ H
．．．水平最大可視角
2θ V
．．．垂直最大可視角
θ m
．．．實際傾斜面與影像平面之間的夾角
A．．．參考點A
B．．．參考點B
d B '
．．．點B'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離
d C '
．．．點C'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離
D S
．．．雷射發射器距離光學中心OP 1
、OP 2
的距離
D
(h 1
)、D
(h 2
)．．．水平實際寬度
h 1
(C'
)．．．目標點C'
以及數位攝影機的攝影距離
h 1
(B'
)．．．目標點B'
以及數位攝影機的攝影距離
h 1
(O
)、h 2
(O
)．．．數位變焦攝影機鏡頭至待側平面的距離
hs
．．．光學中心點OP 1
到數位攝影機鏡頭的距離
Δh
．．．在不同攝影距離的差距。
Δk
．．．虛擬平面VP_A
和VP_B
之間的距離
N V _max
．．．影像中垂直最大像素值
N 1
()、N 2
()．．．兩個任意參考點，A點至B點的像素值
N 1
()、N 2
()．．．影像中雷射點投影點A距離影像中心的像素值
N 1
()．．．點A'
與C'
於影像中所佔有的像素值
N 1
()．．．點O 2
與B'
於影像中所佔有的像素值
N 1
()．．．點O 2
與C'
於影像中所佔有的像素值
N H _max
．．．水平最大像素值
O
．．．數位變焦攝影機光學中心軸與目標垂直平面交會點
OP 1
、OP 2
．．．光學中心點
VP_B'
．．．經過點B'
之虛擬水平面
VP_C'
．．．經過點C'
之虛擬水平面
第1圖係像素差異法距離量測之Δh
位移前示意圖。
第2圖係像素差異法距離量測之Δh
位移後示意圖。
第3圖係描繪於不同攝影距離下距離與像素值變化的關係示意圖。
第4圖係像素差異法之傾斜面距離量測之Δh
位移示意圖。
第5圖係像素差異法之傾斜面量測系統示意圖。
第6圖係本發明像素差異法傾斜量測之二維平面立體示意圖。
第7圖係本發明立體視角之二維平面定位示意圖。
第8圖係本發明二維平面定位之水平寬度量測示意圖。
第9圖係本發明二維平面定位之垂直寬度量測示意圖。
第10圖係本發明數位變焦相機Δh
距離量測系統配置示意圖。
第11圖係本發明量測方法之二維平面定位流程圖。
第12圖係本發明之拍攝系統的方塊圖。
第13圖係本發明設定模組的方塊圖。
第14圖係本發明偵測模組的方塊圖。
第15圖係本發明運算模組的方塊圖。
表一係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為50cm)。
表二係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為100cm)。
表三係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為150cm)。
表四係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為200cm)。
表五係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為250cm)。
表六係目標物於不同傾斜角度下的距離量測結果(攝影距離為300cm)。
表七係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為50cm)。
表八係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為100cm)。
表九係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為150cm)。
表十係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為200cm)。
表十一係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為250cm)。
表十二係目標物於不同攝影距離下的角度量測結果(攝影距離為300cm)。
表十三係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為50cm)。
表十四係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為100cm)。
表十五係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為150cm)。
表十六係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為200cm)。
表十七係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為250cm)。
表十八係不同攝影距離下傾斜面上任意兩參考點A與B之間的距離量測結果(攝影距離為300cm)。
表十九係目標物於傾斜面上之二維平面定位量測結果。
表二十係Δh
對於量測結果正確性之影響(攝影距離為300cm)。
表二十一係等值之Δh
在不同攝影距離之距離量測結果(變焦倍數為1.3)。
2θ V
．．．垂直最大可視角
θ m
．．．實際傾斜面與影像平面之間的夾角
d B '
．．．點B'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離
d C '
．．．點C'
在虛擬水平面上與光學中心軸之距離
h 1
(C'
)．．．目標點C'
以及數位攝影機的攝影距離
h 1
(B'
)．．．目標點B'
以及數位攝影機的攝影距離
h 1
(O
)．．．數位變焦攝影機鏡頭至待側平面的距離
hs
．．．光學中心點OP 1
到數位攝影機鏡頭的距離
Δk
．．．虛擬平面VP_A
和VP_B
之間的距離
N V _max
．．．影像中垂直最大像素值
N 1
()．．．點O 2
與B'
於影像中所佔有的像素值
N 1
()．．．點O 2
與C'
於影像中所佔有的像素值
OP 1
．．．光學中心點
VP_B'
．．．經過點B'
之虛擬水平面
VP_C'
．．．經過點C'
之虛擬水平面
Claims (2)
- 一種距離量測與定位方法，包括下列步驟：利用一拍攝裝置對一在傾斜面上的待測物體進行二次拍攝，且該二次拍攝的距離差△h ；定義一虛擬水平面，且該虛擬水平面與拍攝的影像平面平行；求出該傾斜面與該虛擬水平面之間的夾角θ m ；在該傾斜面上定義一垂直方向與一水平方向；利用該二次拍攝之影像的像素值、該距離差△h 、以及拍攝時在該垂直方向之最大可視角θ V ，求出該待測物體上的量測點C '在該虛擬水平面上距離拍攝的光學中心軸之間距離d C' ；利用該距離d C' 以及該夾角θ m ，求出在該垂直方向上該量測點C '至該光學中心軸的距離；利用該二次拍攝之影像的像素值、該距離差△h 、以及該拍攝裝置之光學中心至鏡頭的距離h S ，求出第一次拍攝時該量測點C '至該拍攝鏡頭的距離h 1 (C ')；利用拍攝影像中的水平最大像素值N H _max 、該距離h 1 (C ')、第一次拍攝之影像的像素值、以及拍攝時在該水平方向之最大可視角θ H ，求出在該水平方向上該量測點C '至該光學中心軸的距離；其中，該距離差△h =[D (h 1 )-D (h 2 )]×cotθ H ，D (h 1 )為第一次拍攝水平寬度，D (h 2 )為第二次拍攝水平寬度，θ H 為拍攝時在該水平方向之最大可視角。
- 如申請專利範圍第1項所述的距離量測與定位方法，其中，該拍攝裝置係一變焦攝影機或變焦相機。
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|---|---|---|---|
| TW099144496A TWI412725B (zh) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 距離量測與定位方法 |
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ID=46933003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9228829B2 (en) | 2013-10-31 | 2016-01-05 | Industrial Technology Research Institute | Method and system for measuring distance |
| US9568586B2 (en) | 2015-04-13 | 2017-02-14 | National Chiao Tung University | Method for positioning a to-be-positioned device |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106441243A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-02-22 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种地物净空距离的测量方法及装置 |
| CN113050019B (zh) * | 2021-03-04 | 2023-07-11 | 国网湖南省电力有限公司 | 数据驱动评估结果和检定规程融合的电压互感器评估方法及系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5075560A (en) * | 1990-09-20 | 1991-12-24 | Eastman Kodak Company | Moire distance measurements using a grating printed on or attached to a surface |
| TW355212B (en) * | 1998-05-16 | 1999-04-01 | Chung Shan Inst Of Science | A method for measuring dimensions and distance by image |
| US20020044202A1 (en) * | 2000-09-01 | 2002-04-18 | Korea Ocean Research And Development Institute | Single-cannister underwater stereocamera system with distance measurement function |
| US20060050263A1 (en) * | 2004-06-25 | 2006-03-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical distance measuring sensor and self-propelled cleaner |
| US20060087640A1 (en) * | 2004-10-26 | 2006-04-27 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical distance measuring sensor, self-propelled cleaner, and air conditioner |
| US20060215881A1 (en) * | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Distance measurement apparatus, electronic device, distance measurement method, distance measurement control program and computer-readable recording medium |
-
2010
- 2010-12-17 TW TW099144496A patent/TWI412725B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5075560A (en) * | 1990-09-20 | 1991-12-24 | Eastman Kodak Company | Moire distance measurements using a grating printed on or attached to a surface |
| TW355212B (en) * | 1998-05-16 | 1999-04-01 | Chung Shan Inst Of Science | A method for measuring dimensions and distance by image |
| US20020044202A1 (en) * | 2000-09-01 | 2002-04-18 | Korea Ocean Research And Development Institute | Single-cannister underwater stereocamera system with distance measurement function |
| US20060050263A1 (en) * | 2004-06-25 | 2006-03-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical distance measuring sensor and self-propelled cleaner |
| US20060087640A1 (en) * | 2004-10-26 | 2006-04-27 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical distance measuring sensor, self-propelled cleaner, and air conditioner |
| US20060215881A1 (en) * | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Distance measurement apparatus, electronic device, distance measurement method, distance measurement control program and computer-readable recording medium |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9228829B2 (en) | 2013-10-31 | 2016-01-05 | Industrial Technology Research Institute | Method and system for measuring distance |
| US9568586B2 (en) | 2015-04-13 | 2017-02-14 | National Chiao Tung University | Method for positioning a to-be-positioned device |
Also Published As
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|---|---|
| TW201226850A (en) | 2012-07-01 |
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