一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010493566.8
(22)申请日 2020.06.03
(71)申请人 龙永南
地址 414000 湖南省岳阳市君山区广兴洲
镇广兴村四组
(72)发明人 龙永南　
(74)专利代理机构 长沙德恒三权知识产权代理
事务所(普通合伙) 43229
代理人 吕春霞
(51)Int.Cl.
G01B 11/02(2006.01)
G01B 11/00(2006.01)
(54)发明名称一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和系统(57)摘要本发明提出了一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和系统，属于电子信息领域。

该系统包括单目摄像头单元、陀螺仪单元、显示屏幕单元以及加速度传感器单元。

该方法包括：S1.测量单位角度变化对应在显示屏幕中的指定目标的像素变化量j；S2.测量单位空间位移对应在显示屏幕中指定目标的像素变化量k；S3.计算显示屏幕上两点r与r ’之间的真实距离l 0；S4.计算物体与测量系统的真实距离d和被测量物体的两点间的距离l 3。

本发明仅需通过操作者进行旋转和平移，得到两个参数j和k，便可计算出远处物体的尺寸及物体与测量系统的距离，简化了测量方法，对设备无特殊要求，
具有广阔的应用前景。

权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 111637837 A 2020.09.08
C N 111637837
A
1.一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的系统，其特征在于，该系统包括单目摄像头单元、陀螺仪单元、显示屏幕单元以及加速度传感器单元，所述单目摄像头单元、陀螺仪单元、显示屏幕单元以及加速度传感器单元均固定于同一系统中，统一移动、旋转。

2.一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.图像滤波：
将某像素的值和其模板领域内其它像素的值做加权平均，然后将结果赋予该像素，以此达到平滑的效果，设输入图像频域的表达式为F(u,v)，输出图像频域表达式是G(u,v)，数学表示为:
G(u,v)＝H(u,v)F(u,v)
H(u,v)为高斯核，表示为：
D(u,v)是点(u,v)到傅里叶变换中心的距离，高斯核可通过计算二维高斯函数得到，设离散的高斯卷积核为(2k+1)×(2k+1)维，那么(u,v)位置的元素值如下式：
式中k决定了核矩阵的维数，参数σ控制平滑程度，σ越大，平滑程度越高，σ越小，平滑程度越低；
S2.测量在距离d上，单位角度变化对应在显示屏幕中的指定目标的像素变化量j：将摄像头指向目标物，原地旋转摄像系统，使目标物在显示屏幕中位移p1，通过陀螺仪单元记录此过程中测量系统的角度变化θ1，
j＝p1/θ1
其中，p1的单位为像素，j的单位为像素/度；
S3.测量在距离d上，单位空间位移对应在显示屏幕中指定目标的像素变化量k：移动测量系统，保证移动后的目标物仍在显示屏幕范围之内，此过程中，通过陀螺仪单元读取测量系统的角度变化θ2，通过加速度传感器单元读取测量系统空间位移l2，目标物在显示屏幕中
的位移此为由于测量系统角度变化而引起的目标物在显示屏幕中的位移和由于
测量系统空间位移而引起的目标物在显示屏幕中的位移向量相加的结果，即，
其中，
则：
其中，的单位为像素，k的单位为像素/米；
S4.计算在距离d上显示屏幕上两点r与r’之间的真实距离l0：
l0＝p0/k
其中，p0为显示屏幕之中r与r`之间的像素距离，单位为像素；
S5.计算物体与测量系统的真实距离d和被测量物体的两点间的距离l3：在欲测距物体或平面上选取两个点M1和M2，其在显示屏幕中的位置分别记为m1和m2，m1与m2在屏幕中的像素距离记为p3，m1与m2两点的真实距离记为l3，将目标点m1置于显示屏幕中心，再旋转测量系统，将点m2置于显示屏幕的同一位置，从陀螺仪读取此过程测量系统的角度变化量θ3，则被测量的两点距离：
l3＝p3/k
测量系统与被测量目标物体的真实距离：
d＝(l3/2)/Sin(θ3/2)。

3.根据权利要求2所述一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，S4中将所述目标点m1置于显示屏幕中的任意固定位置。

4.根据权利要求2所述一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，S4中的操作为选取一点，通过陀螺仪单元记录在测量系统转过θ3角度过程中，其在屏幕上像素位移p3。

5.根据权利要求2所述一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，可重复步骤S1-S4多次测量取均值作为最终结果采用。

6.根据权利要求2所述一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，所述
像素位移p0、p1、p3均可用目标物在摄像头感光元件点阵上的位移作为代
替。

7.根据权利要求6所述一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，其特征在于，所述摄像头感光元件包括但不限于CCD和CMOS。

一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和系统
技术领域
[0001]本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和 系统。

背景技术
[0002]判断当前位置与目标物体之间的距离是日常生活中经常遇到的需求，常见的手持测距装 置一般搭载有信号发射装置和接收装置，其通过测量信号发射时间和反射信号接收时间的间 隔来估算其与目标物体间的距离，其中常见的信号为超声波、红外线、激光等，目前这种手 持装置一般都应用在专业领域，其成本较高，很难推广到日常生活中。

随着智能手机、平板 电脑等智能设备的普及，人们获取信息的途径越来越方便，手机等智能设备的功能也越来越 丰富，如果能够将测距功能集成到这些智能设备中，则可以极大降低人们获取该功能的成本。

[0003]目前，已经有一些方案提出将测距功能集成在手机等智能设备中，其主要分为三种方法： 第一种方法：在手机上加装信号发射装置和接收装置，通过测量信号飞行时间来计算距离； 第二种方法：使用双目摄像头，使用两个位置不同的摄像头同时拍摄同一物体，通过测量目 标物体在两幅图像中的相位差来计算与目标物体的距离；第三种方法：使用单目摄像头，结 合摄像头镜头参数，通过测量对准焦后的像距来计算目标物体距离。

其中第一、第二种方法 都需要额外增加硬件成本，不易大规模推广，而第三种方法简单易行无需额外增加成本，比 较容易推广，但目前单目摄像头测距存在光学参数估计不准、测量结果受测量姿态影响较大 等问题需要解决。

[0004]中国发明专利申请CN 108007426 A(一种摄像头测距方法和系统)，该专利方法如下： 步骤一，码字值-物距表标定；步骤二，执行自动对焦算法；步骤三，获取俯仰角；步骤四， 计算物体距离。

该方法的缺点在于：1、需要先期针对不同姿态对系统距离进行标定，测量结 果依赖于标定结果，且针对不同摄像硬件系统需要分别标定，应用的普适性差；2、标定的码 字值是不连续的，标定值之间的大量空白需要用线性插值补充，此处线性插值的合理性有待 商榷；且线性插值所得码字值与实际码字值必然存在出入，使用插值结果作为码字值，引入 误差。

[0005]中国发明专利CN 105203034 B(一种基于单目摄像头三维测距模型的测高测面积方法)， 该专利方法如下：步骤一、通过单目摄像头标定获取摄像头的焦距；对单目摄像头测距模型 建模，将物体到摄像头的问题转化为物体到摄像头地面投影点的距离，进而，物体到摄像头 地面投影点的距离又可以通过其在以摄像头光轴与像平面形成的两个垂直面上的距离求得； 步骤二、依据上述模型及测量的距离实现物体的测高；步骤三、依据步骤三与步骤二的结果 实现物体面积的测量。

该方法缺点在于：1、必需提前预知摄像系统距离地面的高度，摄像机 的镜头光轴与水平线的夹角，摄像机的焦距这三个参数；2、需要在测量前对测量系统进行多 次采样标定(其文档中表述的为需要20次空间位置不同的采样)。

[0006]为解决现有技术的缺点：一、硬件要求多、要求高(比如红外测距装置和双目摄像
头测 距装置)，造成设备成本高，不便于普及应用；二、多数方法需要先期对系统进行多次标定， 每次更换硬件(比如换另一个摄像头单元)都必须重新进行标定，效率低，不能做到即时部 署即时使用；三、有的方法需要提前测量或预知系统参数，增加设备部署时间，本发明提供 了一种新的测量方法和提供。

发明内容
[0007]为了解决上述的技术问题，本发明提供一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法和系 统，其目的在于，通过操作者进行两个动作(旋转和平移)，得到两个参数(j和k)，便可 计算出远处物体的尺寸及物体与测量系统的距离，同时该系统引入了加速度传感器单元，通 过系统空间位移的计算，补偿了操作者拍摄过程中不可避免的空间位移对测量结果产生的影 响，解决了不同位置拍摄测量产生的误差问题，使得结果更加准确。

[0008]本发明提供一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的系统，该系统包括单目摄像头单元、 陀螺仪单元、显示屏幕单元以及加速度传感器单元，所述单目摄像头单元、陀螺仪单元、显 示屏幕单元以及加速度传感器单元均固定于同一系统中，统一移动、旋转。

[0009]本发明进一步保护一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，包括以下步骤：[0010]S1.图像滤波：
[0011]将某像素的值和其模板领域内其它像素的值做加权平均，然后将结果赋予该像素，以此 达到平滑的效果，设输入图像频域的表达式为F(u,v)，输出图像频域表达式是G (u,v)， 数学表示为:
[0012]G(u,v)＝H(u,v)F(u,v)
[0013]H(u,v)为高斯核，表示为：
[0014]
[0015]D(u,v)是点(u,v)到傅里叶变换中心的距离，高斯核可通过计算二维高斯函数得到， 设离散的高斯卷积核为(2k+1)×(2k+1)维，那么(u,v)位置的元素值如下式：
[0016]
[0017]式中k决定了核矩阵的维数，参数σ控制平滑程度，σ越大，平滑程度越高，σ越小， 平滑程度越低；
[0018]S2.测量在距离d上，单位角度变化对应在显示屏幕中的指定目标的像素变化量j：将摄 像头指向目标物，原地旋转摄像系统，使目标物在显示屏幕中位移p1，通过陀螺仪单元记录 此过程中测量系统的角度变化θ1，
[0019]j＝p1/θ1
[0020]其中，p1的单位为像素，j的单位为像素/度；
[0021]S3.测量在距离d上，单位空间位移对应在显示屏幕中指定目标的像素变化量k：移动测 量系统，保证移动后的目标物仍在显示屏幕范围之内，此过程中，通过陀螺仪单元读取测量 系统的角度变化θ2，通过加速度传感器单元读取测量系统空间位移l2，目标物在显
示屏幕中 的位移此为由于测量系统角度变化而引起的目标物在显示屏幕中的位移
和由于测 量系统空间位移而引起的目标物在显示屏幕中的位移向量相加的结果，即，
[0022]其中，
[0023]
[0024]
[0025]则：
[0026]
[0027]其中，的单位为像素，k的单位为像素/米；
[0028]S4.计算在距离d上显示屏幕上两点r与r’之间的真实距离l0：
[0029]l0＝p0/j
[0030]其中，p0为显示屏幕之中r与r`之间的像素距离，单位为像素；
[0031]S5.计算物体与测量系统的真实距离d和被测量物体的两点间的距离l3：在欲测距物体 或平面上选取两个点M1和M2，其在显示屏幕中的位置分别记为m1和m2，m1与m2在屏幕中 的像素距离记为p3，m1与m2两点的真实距离记为l3，将目标点m1置于显示屏幕中心，再旋 转测量系统，将点m2置于显示屏幕的同一位置，从陀螺仪读取此过程测量系统的角度变化量 θ3，则被测量的两点距离：
[0032]l3＝p3/k
[0033]测量系统与被测量目标物体的真实距离：
[0034]d＝(l3/2)/Sin(θ3/2)。

[0035]作为本发明进一步的改进，S4中将所述目标点m1置于显示屏幕中的任意固定位置。

[0036]作为本发明进一步的改进，S4中的操作为选取一点，通过陀螺仪单元记录在测量系统转 过θ3角度过程中，其在屏幕上像素位移p3。

[0037]作为本发明进一步的改进，可重复步骤S1-S4多次测量取均值作为最终结果采用。

[0038]作为本发明进一步的改进，所述像素位移p0、p1、p3均可用目标物
在 摄像头感光元件点阵上的位移作为代替。

[0039]作为本发明进一步的改进，所述摄像头感光元件包括但不限于CCD和CMOS。

[0040]本发明具有如下有益效果：本发明仅需通过操作者进行两个动作(旋转和平移)，得到 两个参数(j和k)，便可计算出远处物体的尺寸及物体与测量系统的距离，简化了测量方法， 对设备无特殊要求；同时该系统引入了加速度传感器单元，通过系统空间位移的计算，补偿 了操作者拍摄过程中不可避免的空间位移对测量结果产生的影响，解决了不同位置拍摄测量 产生的误差问题，使得结果更加准确。

附图说明
[0041]图1为测量系统示意图；
[0042]图2为步骤1示意图；
[0043]图3为步骤2示意图；
[0044]图4为向量相加示意图；
[0045]图5为步骤3示意图；
[0046]
[0047]其中，1.单目摄像头测量物体尺寸与距离系统；2.显示屏幕单元；3.陀螺仪单元；
4.加 速度传感器单元；
5.单目摄像头单元。

具体实施方式
[0048]下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然， 所述的实施例只是本发明的部分具有代表性的实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。

[0049]参照附图1，一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的系统1，该系统包括单目摄像头单元 5、陀螺仪单元3、显示屏幕单元2以及加速度传感器单元4。

所述单目摄像头单元5、陀螺 仪单元3、显示屏幕单元2以及加速度传感器单元4均固定于同一系统中，统一移动、旋转。

[0050]参照附图2-5，一种单目摄像头测量物体尺寸及距离的方法，包括以下步骤：[0051]S1.图像滤波：
[0052]在对目标图像进行采集和传输的过程中存在着各种干扰源，受外界因素和成像设备性能 以及传输系统的影响，往往会产生不同程度的噪声。

噪声直接导致图像质量降低，主要表现 为图像模糊或特征信息湮没，这将影响后续图像分析的结果。

[0053]在实际处理中更重要的是引入噪声的数学模型，借助数学手段去除噪声，其中，典型的 是高斯噪声。

[0054]高斯噪声：概率密度函数服从高斯分布(也即正态分布)的噪声称为高斯噪声，这类噪 声表现为每个点噪声的幅值与色彩都是随机分布的，若其功率谱密度又是均匀分布的，就称 为高斯白噪声。

[0055]高斯滤波就是将某像素的值和其模板领域内其它像素的值做加权平均，然后将结果赋予 该像素，以此达到平滑的效果，设输入图像频域的表达式为F(u,v)，输出图像频域表达式 是G(u,v)，数学表示为:
[0056]G(u,v)＝H(u,v)F(u,v)
[0057]H(u,v)为高斯核，表示为：
[0058]
[0059]D(u,v)是点(u,v)到傅里叶变换中心的距离，高斯核可通过计算二维高斯函数得到， 设离散的高斯卷积核为(2k+1)×(2k+1)维，那么(u,v)位置的元素值如下式：
[0060]
[0061]式中k决定了核矩阵的维数，参数σ控制平滑程度，σ越大，平滑程度越高，σ越小， 平滑程度越低；
[0062]S2.测量在距离d上，单位角度变化对应在显示屏幕中的指定目标的像素变化量j：[0063]将摄像头指向目标物，测量系统所在位置为C，目标物此时所在的位置为T，记录目标 物在显示屏幕中的位置a，原地旋转摄像系统，使目标物在显示屏幕中位移p1至a’位置，通 过陀螺仪单元记录此过程中(a→a’)测量系统的角度变化θ1，示意图中，指向目标物方向 的箭头表示摄像单元的焦距方向，则在与目标物距离d上，单位角度变化对应的目标物在显 示屏幕中像素变化j
[0064]j＝p1/θ1
[0065]其中，p1的单位为像素，j的单位为像素/度；
[0066]S3.测量在距离d上，单位空间位移对应在显示屏幕中指定目标的像素变化量k：[0067]移动测量系统1，自位置C至位置C’，保证移动后的目标物仍在显示屏幕范围之内，目标 物在显示屏幕中位置由系统1移动前的a’，移动至系统1移动后的a”。

此过程中，通过陀螺仪 单元读取测量系统的角度变化θ2，通过加速度传感器单元读取测量系统空间位移
l2，目标物 在显示屏幕中的位移此为由于测量系统角度变化而引起的目标物在显
示屏幕中的位 移和由于测量系统空间位移而引起的目标物在显示屏幕中的位移
向量相加的结果， 即：
[0068]
[0069]其中
[0070]
[0071]
[0072]则单位空间位移对应在显示屏幕中指定目标的像素变化量：
[0073]
[0074]其中，的单位为像素，k的单位为像素/米；
[0075]S4.计算在距离d上显示屏幕上两点r与r`之间的真实距离l0：
[0076]在距离d上，显示屏幕之中r与r`之间的像素距离p0，
[0077]p0＝kgl0
[0078]即两点之间真实距离
[0079]l0＝p0/k
[0080]S5.计算物体与测量系统的真实距离d和被测量物体的两点间的距离l3：[0081]在欲测距物体或平面上选取两个点M1和M2，其在显示屏幕中的位置分别记为m1和m2， m1与m2在屏幕中的像素距离记为p3，m1与m2两点的真实距离记为l3。

将目标点m1置于显示
屏 幕中心(或显示屏幕中的任意固定位置)，再旋转测量系统，将点m2置于显示屏幕的同一位 置，从陀螺仪读取此过程测量系统的角度变化量θ3，则被测量的两点距离：
[0082]l3＝p3/k
[0083]测量系统与被测量目标物体的真实距离：
[0084]d＝(l3/2)/Sin(θ3/2)。

[0085]优选地，步骤S4也可为选取一点，通过陀螺仪单元记录在测量系统转过θ3角度过程中， 其在屏幕上像素位移p3。

[0086]物体与测量系统实际距离越远，步骤S2中的实际空间位移l2应越大，有助于减小系统误 差的影响。

必要的话，也可重复步骤S1-S4多次测量取均值作为最终结果采用。

[0087]目标物在显示屏幕中的像素位移p n(p0、p1、p3)，也可用目标物在
CCD、 CMOS等摄像头感光元件点阵上的位移作为代替。

[0088]本发明不同于其他单目摄像头测量物体尺寸/距离系统，其无需提前知道摄像头参数，无 需提前对单目摄像系统进行标定，无需坐标转换，无需特殊设备，无需提前预知摄像系统距 离地面的高度，摄像机的镜头光轴与水平线的夹角，和摄像机的焦距。

无需在测量前对测量 系统进行多次采样标定(其文档中表述的为需要20次空间位置不同的采样)。

仅需通过操作 者进行两个动作(旋转和平移)，得到两个参数(j和k)，便可计算出远处物体的尺寸及物 体与测量系统的距离，简化了测量方法，对设备无特殊要求；同时该系统引入了加速度传感 器单元，通过系统空间位移的计算，补偿了操作者拍摄过程中不可避免的空间位移对测量结 果产生的影响，解决了不同位置拍摄测量产生的误差问题，使得结果更加准确。

[0089]本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对 以上内容进行各种各样的修改。

因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求 书的范围来确定的。

图1
图2
图3
图4图5
说　明　书　附　图2/2页CN 111637837 A 11。