基于静态图像的CCD激光测距方法的研究_田原嫄

传感器与仪器仪表 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）１１－ １－ ００９６－ ０２
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 １１－１ 期
基于静态图像的 ＣＣＤ 激光测距方法的研究
Ｓ ｔｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ＣＣＤ ｌａ ｓ ｅ ｒ ｒａ ｎ ｇ ｅ ｆｉｎ ｄ ｉｎ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｔａ ｔｉｃ ｉｍ ａ ｇ ｅ
ｄｘ、ｄｙ 是成像平面象素和空间物理长度单位之间的转换因
子， 是图像坐标系转换为像素坐标系的基准， 不易直接求得， 可
以利用对已知实际长度的线段拍摄， 然后测出图像中此线段端
创
新
作者创新点：本文在考虑光轴与像平面的交点（ｘ０，ｙ０）时， 认为 该交点在像平面坐标系中的位置是任意的， 不仅限于在像平面 坐标系的原点处。这样的考虑不但更具普遍意义， 而且算法更 加直接明了、简单透彻， 使测量精度和速度都得到了提高。
标定结果为
技
术
所以
Ｚ０ 取 值 的 正 负 影 响 参 数 γｉｊ、ｋ１、ｋ２、ｘ０ 的 符 号 。 Ｚ０ 值 的 取 正 或取负反映了世界坐标系坐标轴的指向。所以 ， 一般如无特殊
要 求 ， 可 将 Ｚ０ 值 取 正 号 。 如 果 世 界 坐 标 系 坐 标 轴 已 经 确 定 ， 则 可由摄像机在世界坐标系中 的位置来确定。为此， 可想象将世
表达式， 可求
。
将
代入 Ａ１１ 表达式， 可求 γ１１。
将
代入 Ａ１２ 表达式， 可求 γ１２。
将
代入 Ａ１３ 表达式， 可求 γ１３。
以上参数都求得结束后， 根据表达式④可求得 υ０ 值。 接下来， 求 ｘ０、ｙ０
利用求出的 利用求出的 最后， 求解 ｄｙ 过程。
代入 Ａ１４ 表达式， 可求 ｘ０ 代入 Ａ２４ 表达式， 可求 ｙ０
（下转第 ３０８ 页）
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ９７－
（吉林大学南岭校区）田 原 嫄 谭 庆 昌
ＴＩＡＮ ＹＵＡＮＹＵＡＮ ＴＡＮ ＱＩＮＧＣＨＡＮＧ
摘要：随 着 测 量 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 现 今 对 三 维 深 度 的 测 量 常 用 激 光 测 距 法 。然 而 ， 固 定 摄 像 机 电 荷 耦 合 型 ＣＣＤ 器 件 是 一 种 集 成 电 路 ， 通 过 ＣＣＤ 可 以 实 现 光 电 转 换 信 号 储 存 、转 移 （ 传 输 ） 、输 出 、处 理 以 及 电 子 快 门 等 一 系 列 功 能 ， ＣＣＤ 数 据 率 可 调 。 因 此 ， ＣＣＤ 可 适 用 于 动 态 、静 态 等 各 种 条 件 下 的 尺 寸 测 量 。 鉴 于 此 ， 本 文 从 物 理 光 电 学 及 数 学 角 度 ， 采 用 ＣＣＤ 激 光 测 距 法 ， 推 导 了 基 于 静 态 图 像 的 ＣＣＤ 激 光 测 距 的 通 用 公 式 。 该 算 法 的 最 大 优 点 是 无 需 进 行 复 杂 的 迭 代 计 算 ， 大 大 降 低 了 计 算 量 ， 且 有 效 的 提 高 了 测 量 精 度 。 分 析 表 明 ：该 方 法 计 算 简 单 、易 于 实 现 、实 用 价 值 高 。 关键词：三维深度；激光测距；ＣＣＤ 中图分类号：ＴＮ２４ 文献标识码：Ａ
进此类产品。因此， 对于三维深度测量核心技术在我国的研究
是非常必要的。
三维深度测量的研究方法尚未纯熟， 目前已提出的比较接
近 国 际 技 术 水 平 的 方 法 有 ：光 学 散 焦 法 、激 光 测 距 法 和 双 目 立 体
视觉法。本文提出的基于静态图像的 ＣＣＤ 激光测距法是基于结
合激光和 ＣＣＤ 的优势考虑的。激光具有方向性强、单色性好、高
－ ９６－ ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
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传感器与仪帧存坐标代入上式， 可得 一个线性方程组，
点间的像素间距。 在确定像机的焦距 ｆ， 分辨率和物距 ｖｄ 的条件下， 对 标 准 图
像进行拍摄， 拍摄尽量将像机光轴垂直通过标准图像的中心 Ｏ， 为了排除图像非线性畸变的影响， 尽量靠近图像中心取点。最 后， 对 ｄｘｉ 和 ｄｙｉ 分别求算术平均值， 就可获得 ｄｙ。
４ 实验结果及结论
实 验 室 采 用 的 面 阵 ＣＣＤ 是 ＪＡＩ ＣＶ－ Ｍ４ ＋ＣＬ，ＣＣＤ 电 源 是 １２Ｖ，１Ａ ａｎｄ Ｃａｂｌｅ， 定 焦 镜 头 Ｃｏｍｐｕｔａｒ Ｍ０８１４－ ＭＰ，图 像 采 集 卡 Ｘ６４－ ＣＬｉＰｒｏＴＭ 等设备， 标定板是用激光打印机打印在一张纸上 的 ５ｘ５ｍｍ 标准网格。在白天室内日光灯下做的实验， 根据实验， 验证了世界坐标系到计算机帧存坐标系的转换矩阵 Ａ 具有较 高精度的拟合度， 同时标定出实验所用摄像机的内外部参数。
术 ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ． Ｉｔ ｉｓ ｖａｌｕａｂｌｅ．
界 坐 标 系 Ｏ－ ＸＹＺ 旋 转 到 与 摄 像 机 坐 标 系 平 行 。 所 以 ， 如 果 摄
像 机 相 对 世 界 坐 标 系 的 位 置 沿 Ｚ０ 轴 方 向 离 开 ， 则 Ｚ０ 为 正 ， 反
之 Ｚ０ 应 取 负 值 。
下面欲求
需进一步求
。
由表达式⑥可知
因此有
注意：ｋ１ 取正号。
将 ｚ０ 代入
根据点 ｐ 与镜头中心的水平距离 ｄ 的几何关系计算公式为： ①
设 θ（ｕ０，ｖ０）是 摄 像 机 光 轴 与 像 平 面 交 点（ｘ０，ｙ０）夹 角 的 帧 存 坐 标， 设帧存中的一个像素对应于像平面在 Ｘ 轴与 Ｙ 轴方向上的 物理尺寸分别 为 ｄｘ，ｄｙ。 （ ｕ，ｖ） 像 平 面 上 任 意 一 点 对 应 的 帧 存 坐 标， 则有
⑥ 用最小二乘法可以求 Ａｉｊ， Ａ 表示世界坐标系 到 计 算 机 帧 存 坐标系的转换矩阵。
其中， 矩阵
表示世界坐标系到摄像机坐标系
的旋转矩阵。ｆ 表示有效焦距。 由于
表达式中， （ｕｉ，ｖｊ）表示标准线段的其中一个端点像素坐标值， （ｕｉ＇ ，ｖｊ＇ ） 表示 标 准 线 段 上 任 意 一 点 像 素 坐 标 值 ， ｌｉｊ＇ 表 示（ｕｊ，ｖｊ） 与（ｕｊ＇ ，ｖｊ＇ ）两像素坐标间实际测量值， ｖｄ 表示像机物距。
亮度、良好的相干性 ， 可 以 进 行 空 间 测 距 ， 用 于 精 密 的 长 度 测 量
和各种计量工作。ＣＣＤ 器件是一种固体化器件， 具有体积小、重 量轻、电压及功耗低、可 靠 性 高 、寿 命 长 等 一 系 列 优 点 。 具 有 理 想 的 “扫 描 ”线 性 ， 可 进 行 行 向 寻 址 ， 可 变 换 “扫 描 ”速 度 ， 畸 变
项目经济效益： 该研究对于在煤矿中的推广有广阔的应用 前景， 每年可节 省 约 １５ 万 元 维 修 经 费 。 数 据 来 源 淮 南 矿 业 （ 集 团） 有限责任公司潘集第三煤矿， 系统采用的研究方法是基于 ＦＰＧＡ 激光测距系统中基 ４ 算法。 参考文献 ［１］陈朝阳，张桂林．利用成像系统的光学散焦获取景物的深度信 息［Ｊ］．华中理工大学学报．１９９７， ２５－ １２：８－ １０ ［２］田涛，潘俊民．基于矩保持法的散焦图像深度估计［Ｊ］．上海交通 大学学报．２０００， ３４－ ７：９１７－ ９２０ ［３］张淑芳，李华．基于一幅散焦图像的深度估计新算法［Ｊ］．光电 子·激光．２００６， １７ － ３：３６４－ ３６７ ［４］田涛，潘俊民．基于散焦图像深度测量的一种新方法［Ｊ］．机器 人．２００１， ２３－ １：１５－ １９ ［５］张志勇等．一种快速、高精度激光相位测距方法的研究［Ｊ］．仪器 仪表学报．２００５， ２６ － ８：１６－ １７ ［６］张坤宜等．光电测距［Ｍ］．中南工业大学出版社．１９９１：４２－ ５６ ［７］管业鹏，童林夙．双目立体视觉测量方法的研究［Ｊ］． 仪器仪表 学报．２００３， ２４－ ６：５８１－ ５８４ ［８］ 刘艳玉等．ＡＤＳ７８５２ 在双目测距中的应用． 微计算机信息［Ｊ］． ２００６， ４－ ２：２００－ ２０２ ［９］陈利红，毛剑飞，诸静．ＣＣＤ 摄像机标定与修正的简便方法［Ｊ］． 浙江大学学报（工学版）．２００３， ３７－ ４：４０６－ ４０９
图 １ 静态图像测距几何模
３ 基于静态图像 ＣＣＤ 激光测距算法
小 ， 尺 寸 重 现 性 好 ， 特 别 用 于 尺 寸 测 量 、定 位 和 成 像 传 感 等 方 面。ＣＣＤ 器件的光敏元间距的几何尺寸精确 ， 可 以 获 得 很 高 的 定位精度和测量精度， 比如东芝的 ２０４８ 位 ＣＣＤ 的光敏元间距 可 达 １４μｍ， ５０００ 位 ＣＣＤ 可 达 ７μｍ。ＣＣＤ 数 据 率 可 调 ， 因 此 可 适 用 于 动 态 、静 态 等 各 种 条 件 下 的 测 量 ， 而 且 还 可 以 利 用 电 子 快门面阵 ＣＣＤ 系统实现高速瞬态的记录。
现了突破性的进展。１９７４ 年 １２ 月 ＪＣＹ－ ２ 型激光测距仪研制成 表示被测目标上一点 ｐ 与镜头中心的水平距离。
功， 该仪器与当 时 国 外 显 有 威 望 的 ＡＧＡ－ ８ 型 激 光 测 距 仪 相 媲
美。但是， 近年来我国对三维深度测量技术的发展还是较国外
对此方面的研究及应用稍缓一步， 致使我国要以高价从国外引
２ 静态图像测距的几何模型
静态图像测距几何模型中在像平面坐标系里 ， 点（ｘ０，ｙ０）是 光 轴 与 像 平 面 的 交 点 ， 点（ｘ，ｙ）表 示 被 测 目 标 上 任 意 一 点 ｐ 在 像 平