基于单目视觉的距离测量研究

ＵＶｌ／ＶＵ。一（ＡＢ·Ｃ。Ｄ。）／（Ａ，Ｂ１·ＣＤ） （３）
又因为ＡＢ＝Ａ。Ｂ。，由式（３）可得
ＵＶｌ／ＶＵｌ一Ｃ１Ｄ１／ＣＤ
由于成像模型是基于小孔成像原理，所以Ｖ＝Ｖ。，
于是得到Ｕ／Ｕ１＝Ｃ。Ｄ１／ＣＤ＝ｍ，所以Ｕ＝ｍＵ。。
又由于Ｕ—Ｕ。＝ｄ，所以
Ｕ１一ｄ／（ｍ一１）
（４）
Ｕ１即为物体到中心镜头的距离。Ｕ１为正值，
３ 实 ……例…及”分。析
图５（ａ）是物体距离镜头１５ ｃｍ时拍摄的图片； 图５（ｂ）是镜头距离物体１３ ｃｍ时拍摄的图片。
图４物体ＡＢ向上移动的成像关系图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔｓ ＡＢ ｍｏｖｉｎｇ ｕｐ
在保持镜头垂直于被测量物体时，镜头移动后， 成像的大小及形状不变，这样不需要校订图像之间 的坐标，只要测量物体同一方位的两个坐标的差值， 求出放大率，并根据测量前后移动的距离，根据式 （４）就能求出物体与镜头的距离。
步进电机在信号控制下沿着载物台轴杆带动镜 头上下移动，其上的摄像头对物体拍摄照片，图像处 理机控制步进电机，处理拍摄图片，并计算结果。 １．２成像模型的推导
透视投影是计算机视觉中常用的成像模型，它 可以通过针孑Ｌ成像近似，其特点是所有来自场景的 光线均通过一个投影中心（对应透镜的中心）。经过 投影中心且垂直于图像平面的直线称为投影轴或光 轴，以下的成像分析基于上述理论。另外，还有两个 假设：①光轴与物面垂直；②步进电机移动后，图像 仍然全部显示在屏幕上。 １．２．１ 物体距离镜头的远近与成像之间的关系
［５］胡宝洁，曾峦，熊伟，等．基于立体视觉的目标姿态测量技 术［Ｊ］．计算机测量与控制，２００７，１５（１）：２７—２８．
基于单目视觉的物体距离测量的依据是物体成 像关系，它是根据摄像机投影模型，通过成像关系， 推导得到物体坐标系和图像坐标系之间的关系。
１ 系统的组成及其理论根据
１．１系统的组成 系统的主要组成：步进电机、摄像头、图像处理
机及载物台，如图１所示。
Ｆｉｇ．１
图１单目视觉测量组成图 Ｍｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｄｅｍａｒｃａｔｉｏｎ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｉ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ，ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｍｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｎｓ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ。Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｐｐｒｏａｃｈ，ａ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｅｎｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｃａｌｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ａｎ ｉｍａｇｅ，ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｅｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｃａｌ· ｃｕｌａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｓ，Ｆｏｒｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｘａｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｄｉｓ－ ｔａｎｃｅ ｉＳ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｎｏｃｕｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｖｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
在双秘视觉系统中，立体匹配是立体视觉中豹 难点问题，这不是简单地把两幅图中像素的灰度作 毙较就能勰决的，主要在予它餐农匹配时选择什么 样的匹配基元作为表面位置标志的基本元素，以及 选用什么规则来限制搜索空间秘醚除不合适的匹 配。所以，双目视觉系统在应用中受到一定的限制。
本文提出基予图像放大倍数的测量技术，较好 地解决了在单目视觉中依靠图像标定及其在双目视
式中：Ｚ（ｚ）为第Ｙ行的左坐标；ｒ（ｚ）为第ｙ行的 右坐标；ｆ（ｔ，ｙ）为像素（￡，ｙ）的灰度值；Ｇ（ｙ）为第Ｙ 行的灰度平均值。
按水平线逐行扫描，由上而下，当Ｇ（ｙ）的值急 剧变化时，认为检测到物体的上边缘，记下此时的值 Ｙ，；同理可检测到物体的下边缘，记下值Ｙ。。用上
边缘值Ｙ。减去下边缘值Ｙ。，得到物体图像的长度。 然后，用步进电机带动镜头移动适当的距离，测量此 时图像的长度。最后，计算图像的放大倍数，根据式 （４）求出此时物体距离摄像头的距离。
４ 结论
本文提出了利用单目视觉测量物体与镜头之间 距离的测距方法。在步进电机控制下通过镜头的移 动引起图像放大倍数的变化，然后根据图像的变化 和移动的距离来计算镜头与物体的距离。该方法可 以获取较为准确的物体距离，并已通过测量试验验 证了算法的准确性。这种技术可以应用在移动机器 人对某一锁定目标测距、定位等方面。当然，为了提 高物体识别及测距的可靠性，在今后的工作中，应采
审强分类鼍：ＴＰ３９ｌ
变鼓标志蜗：Ａ
文掌缡号：ｌ ６７２—３７６７（２００７）０４—００６５—０４
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｎｏｃｕｌａｒ Ｖｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｊｉｎｌ，ｊＩ Ｓｈｕ－ｊｕａｎ２，ＦＡＮ Ｘｉａｏ—ｎｉｎ９１ （１．Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳＵＳＴ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５１０。Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇ．，ＳＵＳＴ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５１０，Ｃｈｉｎａ）
２ 图像处理
本文中物体检测是基于灰度梯度的原则，一般
在测量台上，可以认为被测物体与载物台内的灰度
变化是比较平缓的，但是在被测物体与载物台相交
处形成灰度由亮到暗的水平边缘。只要检测到上下
水平边缘便能根据以上理论来计算物体与镜头的距
离。计算每行灰度的平均值的公式为
１
‘乏鲁’
Ｇ（ｙ卜丽万毛丽篇弛，ｙ） （６）
如图２所示：ＡＢ成像为ＣＤ；ＡＢ向右移动后，
Ａ。Ｂ１成像为Ｃ１Ｄ。；Ｃ。Ｄ】／ＣＤ＝ｍ；ｍ为物体图像的
放大率。物体在ＡＢ时的物距为Ｕ，相距为Ｖ，物体
在Ａ，Ｂ，时的物距为Ｕ。，相距为Ｖ。，则有式（１）和式
（２）。
ｖ／ｕ一譬／竽一ＣＤ／ＡＢ
（１）
ｖ，／Ｕ１一毕／学－Ｃ１Ｄ，／Ａ１Ｂ， （２）
式（１）、式（２）相除得
摘 要：针对日前单商视觉中依靠蘑像标定茂其在双珥视觉中立体匹配方法的不足，提出了利用草目视觉测量物 体与镜头之间距离的测距方法。首先利用步进电机控制镜头移动来引起图像放火倍数的变化，然后根据图像的放 欠傍数和镜头移动麓距离拳计算镜头与耪傣之蠲的距巍，距离母算戆准确溶已遗遗灞量试验得蘩验证。 关键词：单目视觉；图像处理；视觉测灏
随着科技的高速发展，测量技术秘方法也在发 生着煎大变化。测量方法可分为接触式测量和非接 触式测量。传统测量主要依靠接触式测量方法，用 测量仪器在物体上直接测量。非接触式测量主要有 雷达测距、全息干涉测量、主动三角法［１］及视觉测 量。褫觉瓣豢技术具有菲接触和高精度等特点，并 且可以在线测量和动态测量。
强蓠视觉滚量包括单誉橇觉测鏊堙≈］秘双舀视 觉测摄［４’７］。单目视觉系统一般对摄像机进行内、外 参数标定，建立测量塞标基凌系，采瘸对应点标定法 来获取图像的深度信息，然后求得物体的距离。对 应点标定法楚指通过不同坐标系中对应点的对应坐 标求解坐标系的转换关系，在标定过程中，由于受器 材限制，无法傲到十分精确地记录一个点在世界坐 标系和图像坐标系中的对应坐标。如果其坐标不够
■————■
ｉ
收稿日期：２００７—０５—２９
ｌ乍者篱余：张纯金（１９７７－－），男，出东郓城入，助教，主要从拳图像识剃与处理、网络管理与安全等研究．
万方数据
伍泰科技大学
学报Ｊ囱然科掌版
ｅ。
ｂｂ
第２６卷第４期 ２００７年１０月
Ｖ０１．２６ Ｎｏ．４ Ｏｃｔ ２００７
觉中的立体匹配等方法的不足，并能精确地测量镜 头与物体之间的距离。
精确，那么得到的转换矩阵的精确度也会受到制约， 坐标转换结果的精度也会因此而波动。由于对应点 标定法对予摄像槐的标定楚在摄像机的各个角度及 高度已经确定的情况下进行的，当摄像机的任何一 个参数发生变化时，都要重新进行标定，以得到在该 种其俸情况下的转换矩阵，所以该方法仅适用于位 置湖定的摄像机的情况。
研究［Ｊ］．中国图像图形学报，２００６，１１（１）：７４—８１． ［３］王荣本，李斌，储江伟，等．公路上基于车栽单目机器视觉
的前方车距测量方法的研究［Ｊ］．公路交通科技，２００１，
１１８（１６）：９４—９８．
［４］郑顺义，孙明伟．基于物体成像轮廓的视觉测量与重建 ［Ｊ］．测绘学报，２００６，３５（４）：３５３—３５６．
；ｌ Ｃｕ４ ７１
Ｏ ＯＯ ８ ｌ２
１
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表１第二栏为在步进电机带动下摄像头每向下 移动２ ｃｍ记下的测量值；经计算得到第三栏的结 果；第四栏是用测量工具接触测量所得结果；第五栏 是图像测量与接触测量的误差。误差的主要原因： 在镜头移动过程中测量镜头难以实现绝对垂直于物 体；在图像边缘检测方面，由于物体并不规则，查找 边缘线有偏颇；摄像头并不是真正的／］ｑＬ成像。
筹２５豢繁４期 ２００７鼙１０月
￥０１．２§Ｎ０，４ Ｏｃｔ．２００７
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
熟ｉ纛《ｌ∞酽冀Ｉ弱霏ｉ黎霹嚣张
基于单目视觉的距离测量研究
张纯金１，纪淑娟２，范晓宁１
（１．山东科技大学现代教育中心，山东青岛２６６５１０；２．山东科技大学信息科学岛工程学院，山东青岛２６６５１０）
说明物体靠近镜头；Ｕ。为负值，说明物体远离镜头。
物体距离镜头的远近与焦距ｆ及像距无关，只
与物体移动的距离及其成像大小倍数有关，这样简
化了许多繁琐的求解，加快了判定速度。镜头的移
动距离可以通过步进电机精确控制得到。
１．２．２物体垂直于光轴移动时，物体成像大小不变
物体垂直于光轴ＳＳ，投射到ｄ，：ｆＬ，成像的大小
万方数据
张纯金等 基于单目‘视觉的距离测量研究
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
９积鳓Ｉ《８剖『潮鬣涵Ｆ㈤；融
：９ Ｄ１ｃ１ ２Ａ１８１／Ｋ
Ａ】Ｂ，／Ｄ】Ｃ】一Ｋ＝ＡＢ／ＣＤ 即Ｃ，Ｄ１一ＣＤ 所以，图像在垂直于光轴运动时，所成图像的大 小是不变的。 同样，如果物体向上移动到如下的位置（图４） 也得到相同的结论。
（ａ）ｒ＝１５ ｃｍ
（ｂ）ｒ＝１３ ｃｍ
图５对同一物体采集的照片
Ｆｉｇ．５ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｏｂｊｅｃｔ
表１是经过多次测量所得的结果及其分析表。
表１测量表
Ｔａｂ．】Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ
编号
边缘差
图像测量
实测／ｃｍ 误差／ｃｍ
１
４０
２３
２ ３
万方数据
●＿
ｌ山东科挂大学
学报Ｊ自然科掌瓶
６８
嘉雾掌，嚣期
Ｖ。ｏ“１．２：６咖Ｎｏ·４
用更为复杂的物体边缘检测技术，并寻找最能代表 图像放大倍数的基准线，以便得到更为准确的距离。 参考文献： ［１］周会成，陈吉红，王平江，等．用激光线光源实现快速测量
［Ｊ］．计量技术，１９９８（７）：６－８． Ｅ２］郭磊，徐友眷，李克强，等．基于单目视觉的实时测距方法
不变。设ＡＢ成像为ＣＤ，当物体垂直向上移动到
源自文库
Ａ。Ｂ，的位置，成像为Ｃ。Ｄ，。
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图２物体移向镜头成像关系图 Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔｓ ｍｏｖｉｎｇ ｔｏ ｌｅｎｓ