一種光軸非平行雙目測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機視覺領(lǐng)域，具體涉及一種光軸非平行雙目測距方法。
【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景三維信息的計算機視 覺。雙目相機從不同角度獲取場景信息，根據(jù)視差計算對應(yīng)點到成像面的距離，獲取深度感 知與三維重建。相機裝置采集目標場景的三維信息，空間立體目標場景經(jīng)相機透鏡系統(tǒng)的 光學變換，投影于兩個二維成像平面上，該過程就是相機成像模型。
[0003] 雙目測距裝置根據(jù)左右相機的圖像信息計算出對應(yīng)的實際物體與拍攝相機的距 離。根據(jù)左右相機的相對安放位置，結(jié)合相機成像模型推導(dǎo)出對應(yīng)的測量目標物體距離相 機的距離計算公式，常用的雙目測距裝置是一種左右相機光軸平行的雙目裝置。左右兩相 機光軸平行的雙目模型又叫做規(guī)范結(jié)構(gòu)的相機安裝方式。裝置中采用的兩相機相同，這種 安裝方式下基線與相機像平面的水平軸平行，光軸平行且等高。目前多數(shù)雙目測距方法就 是針對這種光軸平行的雙目測距模型，如文獻（岳榮剛，王少萍，李凱，宋林琚的"基于相 似原理的新型雙目測距法.光電工程，2008"）。但在實際安裝過程中，裝置總是會偏離理 想安裝位置，其中的偏移量會影響測距精度。

【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距誤差，提高了實際工程 應(yīng)用中的測距精度。
[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距方法，首先搭建雙 目測距裝置，并建立與雙目測距裝置在左右相機光軸非理想平行時配合使用的測距公式； 然后標定測距公式中的參數(shù)，獲得未知量只包含待測場景目標在雙目測距裝置左右相機圖 像中的成像位置的測距公式；實際應(yīng)用時，將直接讀取的待測場景目標在左右相機圖像中 的成像位置數(shù)據(jù)代入標定后的測距公式計算獲得待測場景目標與雙目測距裝置中參考相 機的距離；
[0006] 所述雙目測距裝置為：采用兩個型號相同的相機作為雙目測距裝置的左右相機， 采用焦距相同的鏡頭作為左右相機的鏡頭，將左右相機安裝在同一平臺上，使得兩個相機 處于同一高度，左右相機的前端鏡面處于同一平面，通過圖像采集卡將左右相機拍攝的圖 片實時采入計算機；
[0007] 所述測距公式如公式（1)所示，
[0008]
( 1 )
[0009] 式（1)中，Z為場景目標距離雙目相機中參考相機的距離；fjPf；分別為左右相機 的像距，B為左右相機光心距，Θ為右相機成像平面與參考相機成像平面的夾角，設(shè)夾角值 逆時針為正；CV和〇/分別為左右光心O 1和A在成像面上的投影點的圖像坐標的橫坐標 值，ct為左右相機的光心O1和仏連線與參考相機成像平面的夾角，設(shè)夾角值逆時針為正；X 1 為場景目標在參考相機中的成像面上成的像的圖像坐標的橫坐標值，X1^為場景目標在右相 機中的成像面上成的像的圖像坐標的橫坐標值；Clx 1為左相機每個像元的實際尺寸，Clx1^為 右相機每個像元的實際尺寸；公式（1)中，需要標定的參數(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距精度，降低了由于相機安放的不平行帶來的測距誤差，具有較為 簡便、實用等特點，更符合工程應(yīng)用的實際情況，在工程應(yīng)用中具有更為實用的價值。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明中所使用的雙目測距裝置示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明雙目測距原理示意圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明中小孔成像原理示意圖。
[0014] 圖4本發(fā)明中所使用的相機棋盤格標定板的圖像。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明一種光軸非平行雙目測距方法，其基本原理是：首先搭建雙目測距裝置，并 建立與雙目測距裝置在左右相機光軸非理想平行時配合使用的測距公式；然后標定測距公 式中的參數(shù)，獲得未知量只包含待測場景目標在雙目測距裝置左右相機圖像中的成像位置 的測距公式；實際應(yīng)用時，將直接讀取的待測場景目標在左右相機圖像中的成像位置數(shù)據(jù) 代入標定后的測距公式即可計算獲得待測場景目標與雙目測距裝置中參考相機的距離。 [0016] 一、所述雙目測距裝置為：
[0017] 如圖1所示，采用兩個型號相同的相機作為雙目測距裝置的左右相機，采用焦距 相同的鏡頭作為左右相機的鏡頭，將左右相機安裝在同一平臺上，使得兩個相機處于同一 高度，左右相機的前端鏡面處于同一平面，左右相機下方有螺絲用于固定相機位置，通過圖 像采集卡將左右相機拍攝的圖片實時采入計算機。設(shè)定左相機為參考相機；
[0018] 二、所述測距公式如公式（1)所示，
[0019]
C 1 )
[0020] 式（1)中，Z為場景目標距離雙目相機中參考相機的距離；fjPf；分別為左右相機 的像距，B為左右相機光心距，Θ為右相機成像平面與參考相機成像平面的夾角，設(shè)夾角值 逆時針為正；CV和〇/分別為左右光心O 1和A在成像面上的投影點的圖像坐標的橫坐標 值，ct為左右相機的光心O1和O1^連線與參考相機成像平面的夾角，設(shè)夾角值逆時針為正；X 1 為場景目標在參考相機中的成像面上成的像的圖像坐標的橫坐標值，X1^為場景目標在右相 機中的成像面上成的像的圖像坐標的橫坐標值；Clx 1為左相機每個像元的實際尺寸，Clx1^為 右相機每個像元的實際尺寸；公式（1)中，需要標定的測距公式中的參數(shù)為：B、佇/(1\、α、 0/、Or，和 Θ。
[0021] 三、所述標定的測距公式中的參數(shù)的方法為：
[0022] 首先標定出左右相機的像距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)固定好的雙目測距裝置的測距公式中的參數(shù)。具體為：
[0023] 步驟一、將棋盤格標定板放置在左右相機拍攝范圍內(nèi)的任意位置，根據(jù)棋盤格標 定板中同一角點分別在左右相機拍攝的圖像中對應(yīng)的1?度位置關(guān)系，調(diào)節(jié)左右相機1?度， 使標定板中同一角點在左右相機拍攝的圖像中處于相同高度，然后固定左右相機。棋盤格 標定板如圖4所示。
[0024] 步驟二、選定棋盤格標定板水平方向N個相鄰的棋盤格，用刻度尺測量該N個相鄰 的棋盤格的實際長度A ;
[0025] 將標定板放置在左相機拍攝范圍內(nèi)的任意兩個不同的位置，并分別測量標定板到 左相機的物距U 1和U2，通過圖像采集卡對應(yīng)的圖像采集程序分別獲取并記錄所選定的N個 相鄰的棋盤格在左相機拍攝的圖像中所占像素的個數(shù)Hl 1和Hl2 ;
[0026] 計算左相機的像距與其拍攝的圖像中每個像素點的實際尺寸值dx比值fVdx， 計算方式加公式（?所樂. m
[0027]
[0028] 將標定板放置在右相機拍攝范圍內(nèi)任意兩個不同的位置，并分別測量標定板到右 相機的物距< 和1!2'，通過圖像采集卡對應(yīng)的圖像采集程序分別獲取并記錄所選定的Ν'個 相鄰的棋盤格在右相機拍攝的圖像中所占像素的個數(shù)叫'和m 2' ；
[0029] 計算右相機的像距f；與其拍攝的圖像中每個像素點的實際尺寸值dx比值fr/dx， 計算方式如公式（3)所示，
(J)
[0030]
[0031] ZFW二、kAZnWW」夢考相機，按棋盤格標定板平面平行于相機成像平面的方式 安放標定棋盤格標定板，用刻度尺測量棋盤格標定板與參考相機的距離Z。，通過圖像采集 卡對應(yīng)的圖像采集程序獲取并記錄同一棋盤格角點位于左右相機圖像中位置坐標的橫坐 標值X 1和\ ;然后將棋盤格標定板移至另一與相機具有不同距離的位置，記錄不同距離下 同一棋盤格角點位于左右相機圖像中位置坐標的橫坐標值&和\。假設(shè)左右相機光心的初 始位置位于鏡頭中心處，用刻度尺初步測量左右相機的光心距B，記相機采集到的圖像的寬 度為W，則左右相機光心0/和0/的值為W/2,根據(jù)相機的近似平行的安裝方式可以得出 左右相機的光心O 1和仏的連線與參考相機成像平面的夾角α與左右相機光軸夾角Θ的 在±5°之內(nèi)，將不同距離下的同一棋盤格角點在左右相機圖像中的坐標位置的橫坐標值 與對應(yīng)的距離代入雙目測距公式（1)，運用非線性優(yōu)化，求解出左右相機的光心距Β、左右 相機光心O 1和A在成像面上的投影點〇/和〇/的圖像坐標位置的橫坐標值、左相機透鏡 光心O1和右相機透鏡的光心A的連線與左相機透鏡平面L 1的夾角α、左右相機光軸的夾 角Θ ;然后將前述求解出的參數(shù)代入到雙目測距公式（1)中，獲得未知參數(shù)只包含同一場 景目標在左右相機圖像中的圖像坐標位置的橫坐標值X1和Xr的測距公式。
[0032] 使用本發(fā)明中的雙目測距裝置和測距公式進行實際應(yīng)用時，只需讀取待測目標在 雙目測距裝置中左右相機中的成像位置，即在左右相機圖像中的圖像坐標位置的橫坐標值 X1和\，然后帶入標定參數(shù)后的測距公式就可以計算得到場景目標與雙目測距裝置中參 考相機的距離。
[0033] 四、本發(fā)明測距公式的原理：
[0034] 如圖2所示，本發(fā)明雙目測距原理示意圖，假設(shè)的成像方式是小孔的成像方式，同 時假設(shè)左相機的透鏡平面L 1與左相機的成像面C1是平行關(guān)系，右相機的透鏡平面Llr與右 相機的成像面(；也是平行關(guān)系。左右相機經(jīng)過俯仰調(diào)節(jié)后，同一個目標物在左右兩個相機 中所成的像處于同一水平高度上。
[0035] 同時假設(shè)：
[0036] 以左相機為參考；
[0037] 場景目標P距離左相機成像面C1的距離記為Z ;
[0038] 左相機透鏡的光心O1和右相機透鏡的光心A的連線長度為光心距B ;
[0039] 左相機透鏡的光心O1和右相機透鏡的光心A的連線與左相機透鏡平面L1的夾角 為α，且逆時針為正；
[0040] 右相機成像平面(；與左相機成像平面C1夾角為Θ，大小等于左相機的光軸Ell與 右相機光軸E 11^的夾角，逆時針為正；
[0041] 左相機的透鏡L1所在平面與其成像面C1相距長度為，右相機的透鏡W所在平 面與其成像面Cr相距長度為fr ;
[0042] 左相機透鏡光心O1在左相機成像面C1上的投影點的圖像坐標位置的橫坐標值為 0/，右相機透鏡光心α在左相機成像面(；上的投影點的圖像坐標位置的橫坐標值為0/ ;
[0043] 場景目標P在左相機中的成像面C1上成的像的圖像坐標位置的橫坐標值為X 1，場 景目標P在右相機中的成像面(；上成的像的圖像坐標位置的橫坐標值為X1^;
[0044] 相機成像面中的像元為方形成像器件，像元的長