一种基于双目摄像头精准测距的方法及系统与流程

本发明涉及摄像头测距领域，尤其涉及一种基于双目摄像头测距的方法及系统。

背景技术：

利用摄像头测距的方法，目前主要有如下三种类型：

第一种，通过在摄像头上加装激光测距仪、超声波传感器或其他测距装置，测量摄像头到目标物的距离，这种方法需要为每一套设备都加装额外的装置，一般成本较高。

第二种，使用单目摄像头，通过一些已知的参考数据计算距离，已知的参考数据至少包括下述数据中的一种：目标物的实际尺寸、摄像头与目标物间的相对位移、目标物与摄像头镜头的夹角及摄像头高度等，使用这种方法时必须已知一些数据，限制了其可应用的场景。

第三种，使用双目摄像头，通过立体标定得到摄像头的参数矩阵，然后利用标定结果对双目图像做立体匹配，通过视差生成3d点云，进而生成深度图像，最后从深度图像中提取摄像头到目标物的距离，这种方法需要使用复杂的算法，过程中会有大量复杂计算，且受立体标定和环境因素影响，得到的计算结果往往欠缺稳定性。

在人工智能技术的普遍应用，特别是在智能机器人与智能设备上，迫切需要一种制作成本低、稳定高效且精确度较高的测距方法及系统。

技术实现要素：

为了解决目前基于摄像头测距方法中存在的成本高、应用场景受限、算法复杂、需要大量计算以及计算结果不稳定等问题，本发明提出了一种基于双目摄像头测距的方法及系统。本发明可以在多套独立系统中重复利用一套测距装置，并根据目标物在双目摄像头中的投影快速得出精准测量结果，过程中不需要对摄像头做标定和使用复杂的算法，不会占用大量的系统计算资源。

为了实现上述目的，本发明公开了一种基于双目摄像头测距的方法，其特征在于：

将双目摄像头的其中一个摄像头定义为基准摄像头，另一个摄像头作为参考摄像头，基准摄像头采集的图像为基准图像，参考摄像头采集到的图像为参考图像；

对双目摄像头采集到的图像作对比分析，根据目标物在两图像上的投影所体现出的特征数据计算距离，所述特征数据包含目标物投影在两图像中的视差以及目标物投影在基准图像的x轴上的坐标；

包含校准过程与使用过程，校准过程是为了在摄像头与目标物现有相对位置关系下，得到经验数据，作为使用过程计算距离的依据；使用过程根据目标物在两图像上的投影所体现出的特征数据，从经验数据中提取出距离数据；

更具体地，所述校准过程包含以下步骤：

将目标物放置在所述双目摄像头的前方，保证两摄像头均能拍摄到目标物，两摄像头分别采集一张图像；

计算目标物投影在两图像中的视差以及目标物投影在基准图像的x轴上的坐标；

测量所述目标物到所述基准摄像头的距离；

记录相关数据，所述相关数据包含：目标物投影在两图像中的视差、目标物投影在基准图像的x轴上的坐标以及目标物到摄像头的距离；

按一定的规则，改变目标物与双目摄像头的相对位置，重复上述过程，直至校准过程结束。

更具体地，所述一定的规则可以定义为：定义一个单位视差变化量（如：1个像素）；将基准图像的x轴平均分为若干段，分别过每一个分割点做x轴的垂线，得到一个垂线的集合；选取垂线集合中的一条垂线作为基准线，让目标物投影的中点落在基准线上，通过改变基准摄像头和目标物的相对距离，使目标物投影在两图像上的视差发生一个单位的变化，遍历指定测量距离范围内的所有可能，得到一组在指定基准线上视差与距离的关系数据；遍历垂线集合，依次将集合中的每一条垂线作为基准线，重复上一步的操作，得到相应基准线上视差与距离的关系数据。

更具体地，所述工作过程包含以下步骤：

提取目标物投影在所述双目摄像头图像中所体现出的特征数据，所述特征数据包含：目标物投影在两幅图像中的视差以及目标物投影在基准图像的x轴上的坐标；

依据提取到的特征数据，或通过特定算法对特征数据加工处理后得到的数据，从数据容器中提取距离数据。

更具体地，可以有一种简化的方法：在基准图像的x轴上选取一个点（如图像的中心点），过该点做x轴的垂线，定义该垂线为基准线，让目标物投影始终落在所述基准线上，因为目标物投影在基准图像x轴上的坐标为定值，所以在校准过程中可以不记录这一项数据，只需要对目标物投影在两图像中的视差和目标物到摄像头的距离这两个数据进行处理，并记录到数据容器中，在所述工作过程中，根据目标物投影在两图像中的视差从数据容器中提取距离数据。

更具体地，在完成所述校准过程后，如果更改了所述双目摄像头其中任一个摄像头的焦距，则之前的校准结果将不再准确，需要重新校准。

本发明还公开了一种基于双目摄像头测距的系统，其特征在于：包含双目摄像头、测距装置、计算模块以及数据容器。

所述双目摄像头，负责采集图像，并将图像传递给所述计算模块。

所述双目摄像头，可以是将两个或多个成像单元集成到一块电路板上的摄像头，也可以是两个单独的摄像头通过物理固定，使二者保持恒定的相对位置关系的摄像头组。

所述双目摄像头，还可以包含摄像头云台。

所述测距装置，只在校准过程中使用，用于测量目标物到所述双目摄像头的实际距离。

所述计算模块，用于对所述双目摄像头传递过来的图像进行分析处理，并对数据容器中的数据进行操作。在校准过程中，接收测距模块传递过来的距离数据，经进一步分析处理后，将处理结果记录到数据容器中。在工作过程中，根据目标物投影在双目图像中体现出的特征数据，从数据容器中提取距离数据。

所述数据容器，用于保存系统校准和工作过程中的相关数据。所述相关数据包含：目标物投影在两幅图像中的视差、目标物投影在所述基准图像x轴上的坐标以及目标物到摄像头的距离。当使用上文所述一种简化的方法时，所述相关数据包含：目标物投影在两幅图像中的视差以及目标物到摄像头的距离。

与现有技术相比，本发明技术方案至少具有以下优点：

1）一套测距装置可以重复使用，成本相对较低；

2）不受单目摄像头测距方法的使用场景的限制；

3）不需要使用复杂的算法和大量的计算，不会大量占用系统的计算资源；

4）可以得到稳定且精确的测量结果。

附图说明

图1为本发明方法及系统的校准过程的结构示意图。

图2为本发明方法及系统的工作过程的结构示意图。

图3为本发明方法校准过程中，目标物投影在基准图像的x轴上的坐标固定时，不同距离下目标物投影在两幅图像中的视差变化的示意图。

图4为本发明方法的一种简化方案的校准过程中，不同距离下目标物投影在两幅图像中的视差变化的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书和一种具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步说明。

如图1所示为本发明所公开方法及系统的校准过程的结构示意图，该系统包含双目摄像头、测距装置、计算模块以及数据容器。

如图2所示为本发明所公开方法及系统的工作过程的结构示意图，与学习过程相比，工作过程少了测距装置，因为在完成校准后，就不再需要测距装置了，一套测距装置可以在多个独立的测距系统中重复使用。

在本实施例中，定义双目摄像头的左侧摄像头为基准摄像头，左侧摄像头采集到的图像为基准图像，右侧摄像头为参考摄像头，右侧摄像头采集到的图像为参考图像。

实施例的校准过程如下：

将双目摄像头固定在一个可标定长度的伸缩杆的一端，目标物固定在伸缩杆的另一端（所述伸缩杆对应图1中的测距装置）；在伸缩杆伸缩过程中，保证目标物投影的中点一直落在基准图像中的x轴的垂直平分线上（即将x轴）；在保证两个摄像头都能拍摄到目标物的前提下，将伸缩杆收缩到最短，将当前状态下的视差和距离记录到视差距离关系表中（所述视差距离关系表对应图1中的数据容器）。伸长伸缩杆，当目标物在两图像中的视差值发生一个像素的变化时，在视差距离关系表中添加一条新的记录，直至伸缩杆延伸至最长，至此在视差距离关系表中将记录下不同视差对应的距离。可根据实际应用需求定制伸缩杆的伸缩范围，也可以使用雷达或激光测距仪等测距装置代替伸缩杆。

实施例的工作过程如下：

用双目摄像头采集图像，并将图像传递给计算模块；计算模块在基准图像中定位到目标物，根据目标物投影在基准图像上的位置调整摄像头云台，使基准摄像头正对目标物，即让目标物投影的中心点落在基准图像的x轴的垂直平分线上或落在x轴垂直平分线附近的一个固定区域内；计算当前状态下目标物投影在两图像中的视差，从视差距离关系表中提取该视差所对应的距离数据。

在校准过程中，可根据设备能力与实际需要取得并记录经验值，从而达到精确实用的目的。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。