一種光軸非平行雙目測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，具體涉及一種光軸非平行雙目測(cè)距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙目立體視覺是一種通過模仿人類雙眼視覺特性獲取場(chǎng)景三維信息的計(jì)算機(jī)視 覺。雙目相機(jī)從不同角度獲取場(chǎng)景信息，根據(jù)視差計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)到成像面的距離，獲取深度感 知與三維重建。相機(jī)裝置采集目標(biāo)場(chǎng)景的三維信息，空間立體目標(biāo)場(chǎng)景經(jīng)相機(jī)透鏡系統(tǒng)的 光學(xué)變換，投影于兩個(gè)二維成像平面上，該過程就是相機(jī)成像模型。
[0003] 雙目測(cè)距裝置根據(jù)左右相機(jī)的圖像信息計(jì)算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際物體與拍攝相機(jī)的距 離。根據(jù)左右相機(jī)的相對(duì)安放位置，結(jié)合相機(jī)成像模型推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的測(cè)量目標(biāo)物體距離相 機(jī)的距離計(jì)算公式，常用的雙目測(cè)距裝置是一種左右相機(jī)光軸平行的雙目裝置。左右兩相 機(jī)光軸平行的雙目模型又叫做規(guī)范結(jié)構(gòu)的相機(jī)安裝方式。裝置中采用的兩相機(jī)相同，這種 安裝方式下基線與相機(jī)像平面的水平軸平行，光軸平行且等高。目前多數(shù)雙目測(cè)距方法就 是針對(duì)這種光軸平行的雙目測(cè)距模型，如文獻(xiàn)（岳榮剛，王少萍，李凱，宋林琚的"基于相 似原理的新型雙目測(cè)距法.光電工程，2008"）。但在實(shí)際安裝過程中，裝置總是會(huì)偏離理 想安裝位置，其中的偏移量會(huì)影響測(cè)距精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種光軸非平行雙目測(cè)距方法，該方法適用于光軸非理想平行狀態(tài)的 雙目立體視覺裝置，降低了由于安裝導(dǎo)致的光軸不平行帶來的測(cè)距誤差，提高了實(shí)際工程 應(yīng)用中的測(cè)距精度。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種光軸非平行雙目測(cè)距方法，首先搭建雙 目測(cè)距裝置，并建立與雙目測(cè)距裝置在左右相機(jī)光軸非理想平行時(shí)配合使用的測(cè)距公式； 然后標(biāo)定測(cè)距公式中的參數(shù)，獲得未知量只包含待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)在雙目測(cè)距裝置左右相機(jī)圖 像中的成像位置的測(cè)距公式；實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將直接讀取的待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)在左右相機(jī)圖像中 的成像位置數(shù)據(jù)代入標(biāo)定后的測(cè)距公式計(jì)算獲得待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)與雙目測(cè)距裝置中參考相 機(jī)的距離；
[0006] 所述雙目測(cè)距裝置為：采用兩個(gè)型號(hào)相同的相機(jī)作為雙目測(cè)距裝置的左右相機(jī)， 采用焦距相同的鏡頭作為左右相機(jī)的鏡頭，將左右相機(jī)安裝在同一平臺(tái)上，使得兩個(gè)相機(jī) 處于同一高度，左右相機(jī)的前端鏡面處于同一平面，通過圖像采集卡將左右相機(jī)拍攝的圖 片實(shí)時(shí)采入計(jì)算機(jī)；
[0007] 所述測(cè)距公式如公式（1)所示，
[0008]
( 1 )
[0009] 式（1)中，Z為場(chǎng)景目標(biāo)距離雙目相機(jī)中參考相機(jī)的距離；fjPf；分別為左右相機(jī) 的像距，B為左右相機(jī)光心距，Θ為右相機(jī)成像平面與參考相機(jī)成像平面的夾角，設(shè)夾角值 逆時(shí)針為正；CV和〇/分別為左右光心O 1和A在成像面上的投影點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo) 值，ct為左右相機(jī)的光心O1和仏連線與參考相機(jī)成像平面的夾角，設(shè)夾角值逆時(shí)針為正；X 1 為場(chǎng)景目標(biāo)在參考相機(jī)中的成像面上成的像的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值，X1^為場(chǎng)景目標(biāo)在右相 機(jī)中的成像面上成的像的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值；Clx 1為左相機(jī)每個(gè)像元的實(shí)際尺寸，Clx1^為 右相機(jī)每個(gè)像元的實(shí)際尺寸；公式（1)中，需要標(biāo)定的參數(shù)為 ：B、f；/c^、a、0/、0/和Θ。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，提高了位置已經(jīng)固定、光軸光心位置存 在偏差的雙目裝置的測(cè)距精度，降低了由于相機(jī)安放的不平行帶來的測(cè)距誤差，具有較為 簡(jiǎn)便、實(shí)用等特點(diǎn)，更符合工程應(yīng)用的實(shí)際情況，在工程應(yīng)用中具有更為實(shí)用的價(jià)值。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明中所使用的雙目測(cè)距裝置示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明雙目測(cè)距原理示意圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明中小孔成像原理示意圖。
[0014] 圖4本發(fā)明中所使用的相機(jī)棋盤格標(biāo)定板的圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明一種光軸非平行雙目測(cè)距方法，其基本原理是：首先搭建雙目測(cè)距裝置，并 建立與雙目測(cè)距裝置在左右相機(jī)光軸非理想平行時(shí)配合使用的測(cè)距公式；然后標(biāo)定測(cè)距公 式中的參數(shù)，獲得未知量只包含待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)在雙目測(cè)距裝置左右相機(jī)圖像中的成像位置 的測(cè)距公式；實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將直接讀取的待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)在左右相機(jī)圖像中的成像位置數(shù)據(jù) 代入標(biāo)定后的測(cè)距公式即可計(jì)算獲得待測(cè)場(chǎng)景目標(biāo)與雙目測(cè)距裝置中參考相機(jī)的距離。 [0016] 一、所述雙目測(cè)距裝置為：
[0017] 如圖1所示，采用兩個(gè)型號(hào)相同的相機(jī)作為雙目測(cè)距裝置的左右相機(jī)，采用焦距 相同的鏡頭作為左右相機(jī)的鏡頭，將左右相機(jī)安裝在同一平臺(tái)上，使得兩個(gè)相機(jī)處于同一 高度，左右相機(jī)的前端鏡面處于同一平面，左右相機(jī)下方有螺絲用于固定相機(jī)位置，通過圖 像采集卡將左右相機(jī)拍攝的圖片實(shí)時(shí)采入計(jì)算機(jī)。設(shè)定左相機(jī)為參考相機(jī)；
[0018] 二、所述測(cè)距公式如公式（1)所示，
[0019]
C 1 )
[0020] 式（1)中，Z為場(chǎng)景目標(biāo)距離雙目相機(jī)中參考相機(jī)的距離；fjPf；分別為左右相機(jī) 的像距，B為左右相機(jī)光心距，Θ為右相機(jī)成像平面與參考相機(jī)成像平面的夾角，設(shè)夾角值 逆時(shí)針為正；CV和〇/分別為左右光心O 1和A在成像面上的投影點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo) 值，ct為左右相機(jī)的光心O1和O1^連線與參考相機(jī)成像平面的夾角，設(shè)夾角值逆時(shí)針為正；X 1 為場(chǎng)景目標(biāo)在參考相機(jī)中的成像面上成的像的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值，X1^為場(chǎng)景目標(biāo)在右相 機(jī)中的成像面上成的像的圖像坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值；Clx 1為左相機(jī)每個(gè)像元的實(shí)際尺寸，Clx1^為 右相機(jī)每個(gè)像元的實(shí)際尺寸；公式（1)中，需要標(biāo)定的測(cè)距公式中的參數(shù)為：B、佇/(1\、α、 0/、Or，和 Θ。
[0021] 三、所述標(biāo)定的測(cè)距公式中的參數(shù)的方法為：
[0022] 首先標(biāo)定出左右相機(jī)的像距f與像元尺寸dx的比值f/dx，然后采用非線性規(guī)劃方 法求最優(yōu)解的方式，求解出已經(jīng)固定好的雙目測(cè)距裝置的測(cè)距公式中的參數(shù)。具體為：
[0023] 步驟一、將棋盤格標(biāo)定板放置在左右相機(jī)拍攝范圍內(nèi)的任意位置，根據(jù)棋盤格標(biāo) 定板中同一角點(diǎn)分別在左右相機(jī)拍攝的圖像中對(duì)應(yīng)的1?度位置關(guān)系，調(diào)節(jié)左右相機(jī)1?度， 使標(biāo)定板中同一角點(diǎn)在左右相機(jī)拍攝的圖像中處于相同高度，然后固定左右相機(jī)。棋盤格 標(biāo)定板如圖4所示。
[0024] 步驟二、選定棋盤格標(biāo)定板水平方向N個(gè)相鄰的棋盤格，用刻度尺測(cè)量該N個(gè)相鄰 的棋盤格的實(shí)際長(zhǎng)度A ;
[0025] 將標(biāo)定板放置在左相機(jī)拍攝范圍內(nèi)的任意兩個(gè)不同的位置，并分別測(cè)量標(biāo)定板到 左相機(jī)的物距U 1和U2，通過圖像采集卡對(duì)應(yīng)的圖像采集程序分別獲取并記錄所選定的N個(gè) 相鄰的棋盤格在左相機(jī)拍攝的圖像中所占像素的個(gè)數(shù)Hl 1和Hl2 ;
[0026] 計(jì)算左相機(jī)的像距與其拍攝的圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸值dx比值fVdx， 計(jì)算方式加公式（?所樂. m
[0027]
[0028] 將標(biāo)定板放置在右相機(jī)拍攝范圍內(nèi)任意兩個(gè)不同的位置，并分別測(cè)量標(biāo)定板到右 相機(jī)的物距< 和1!2'，通過圖像采集卡對(duì)應(yīng)的圖像采集程序分別獲取并記錄所選定的Ν'個(gè) 相鄰的棋盤格在右相機(jī)拍攝的圖像中所占像素的個(gè)數(shù)叫'和m 2' ；
[0029] 計(jì)算右相機(jī)的像距f；與其拍攝的圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸值dx比值fr/dx， 計(jì)算方式如公式（3)所示，
(J)
[0030]
[0031] ZFW二、kAZnWW」夢(mèng)考相機(jī)，按棋盤格標(biāo)定板平面平行于相機(jī)成像平面的方式 安放標(biāo)定棋盤格標(biāo)定板，用刻度尺測(cè)量棋盤格標(biāo)定板與參考相機(jī)的距離Z。，通過圖像采集 卡對(duì)應(yīng)的圖像采集程序獲取并記錄同一棋盤格角點(diǎn)位于左右相機(jī)圖像中位置坐標(biāo)的橫坐 標(biāo)值X 1和\ ;然后將棋盤格標(biāo)定板移至另一與相機(jī)具有不同距離的位置，記錄不同距離下 同一棋盤格角點(diǎn)位于左右相機(jī)圖像中位置坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值&和\。假設(shè)左右相機(jī)光心的初 始位置位于鏡頭中心處，用刻度尺初步測(cè)量左右相機(jī)的光心距B，記相機(jī)采集到的圖像的寬 度為W，則左右相機(jī)光心0/和0/的值為W/2,根據(jù)相機(jī)的近似平行的安裝方式可以得出 左右相機(jī)的光心O 1和仏的連線與參考相機(jī)成像平面的夾角α與左右相機(jī)光軸夾角Θ的 在±5°之內(nèi)，將不同距離下的同一棋盤格角點(diǎn)在左右相機(jī)圖像中的坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值 與對(duì)應(yīng)的距離代入雙目測(cè)距公式（1)，運(yùn)用非線性優(yōu)化，求解出左右相機(jī)的光心距Β、左右 相機(jī)光心O 1和A在成像面上的投影點(diǎn)〇/和〇/的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值、左相機(jī)透鏡 光心O1和右相機(jī)透鏡的光心A的連線與左相機(jī)透鏡平面L 1的夾角α、左右相機(jī)光軸的夾 角Θ ;然后將前述求解出的參數(shù)代入到雙目測(cè)距公式（1)中，獲得未知參數(shù)只包含同一場(chǎng) 景目標(biāo)在左右相機(jī)圖像中的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值X1和Xr的測(cè)距公式。
[0032] 使用本發(fā)明中的雙目測(cè)距裝置和測(cè)距公式進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只需讀取待測(cè)目標(biāo)在 雙目測(cè)距裝置中左右相機(jī)中的成像位置，即在左右相機(jī)圖像中的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值 X1和\，然后帶入標(biāo)定參數(shù)后的測(cè)距公式就可以計(jì)算得到場(chǎng)景目標(biāo)與雙目測(cè)距裝置中參 考相機(jī)的距離。
[0033] 四、本發(fā)明測(cè)距公式的原理：
[0034] 如圖2所示，本發(fā)明雙目測(cè)距原理示意圖，假設(shè)的成像方式是小孔的成像方式，同 時(shí)假設(shè)左相機(jī)的透鏡平面L 1與左相機(jī)的成像面C1是平行關(guān)系，右相機(jī)的透鏡平面Llr與右 相機(jī)的成像面(；也是平行關(guān)系。左右相機(jī)經(jīng)過俯仰調(diào)節(jié)后，同一個(gè)目標(biāo)物在左右兩個(gè)相機(jī) 中所成的像處于同一水平高度上。
[0035] 同時(shí)假設(shè)：
[0036] 以左相機(jī)為參考；
[0037] 場(chǎng)景目標(biāo)P距離左相機(jī)成像面C1的距離記為Z ;
[0038] 左相機(jī)透鏡的光心O1和右相機(jī)透鏡的光心A的連線長(zhǎng)度為光心距B ;
[0039] 左相機(jī)透鏡的光心O1和右相機(jī)透鏡的光心A的連線與左相機(jī)透鏡平面L1的夾角 為α，且逆時(shí)針為正；
[0040] 右相機(jī)成像平面(；與左相機(jī)成像平面C1夾角為Θ，大小等于左相機(jī)的光軸Ell與 右相機(jī)光軸E 11^的夾角，逆時(shí)針為正；
[0041] 左相機(jī)的透鏡L1所在平面與其成像面C1相距長(zhǎng)度為，右相機(jī)的透鏡W所在平 面與其成像面Cr相距長(zhǎng)度為fr ;
[0042] 左相機(jī)透鏡光心O1在左相機(jī)成像面C1上的投影點(diǎn)的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值為 0/，右相機(jī)透鏡光心α在左相機(jī)成像面(；上的投影點(diǎn)的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值為0/ ;
[0043] 場(chǎng)景目標(biāo)P在左相機(jī)中的成像面C1上成的像的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值為X 1，場(chǎng) 景目標(biāo)P在右相機(jī)中的成像面(；上成的像的圖像坐標(biāo)位置的橫坐標(biāo)值為X1^;
[0044] 相機(jī)成像面中的像元為方形成像器件，像元的長(zhǎng)