CN102589516A

CN102589516A - 一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统

Info

Publication number: CN102589516A
Application number: CN2012100516618A
Authority: CN
Inventors: 韩毅; 谢昊原; 王金洋; 丁磊; 李健
Original assignee: Changan University
Current assignee: Shaanxi Weiyuan Technology Co ltd
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN102589516B

Abstract

本发明公开了一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统及其测量方法。系统包括图像采集装置、计算机以及信号发生器，所述图像采集装置含有摄像机支架及其底座和一个可移动的载物台，摄像机支架上对称有两个线扫描摄像机；其测量方法包括采集标定图像、反算对应关系、图像采集、图像预处理、提取被测目标圆的圆心，最后通过对应关系计算出被测目标圆的实际距离。本发明可以广泛应用于铁路、医药、化工、食品、建筑等行业的运动物体的瞬时空间位置等领域。

Description

一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统

技术领域

本发明涉及距离测量系统，尤其涉及一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统。

背景技术

在科学研究和工业生产中，很多情况下需要得到两物体间的相对距离，但是若被测目标数量繁多，那么逐个的测量就会有诸多不方便，尤其是铁路沿线的一些设备，由于设备繁多并且铁路沿线较长，逐个测量起来就会耗时耗力，增加铁路检测工人的负担，这时就需要一种区别于传统方法的非接触式的动态距离测量系统。

立体视觉的开创性工作是从上世纪60年代中期开始的，上世纪70年代末，Marr创立的视觉计算理论对立体视觉的发展产生了巨大影响，现已形成了从图像获取到最终的景物可视表面重建的完整体系，在整个计算机视觉中已占有越来越重要的地位。计算机立体视觉的主要研究内容是由多幅二维的平面图像恢复出被拍摄物体的三维坐标，而其中基于两幅图像的双目视觉技术则是一个研究热点。

双目立体视觉的基本原理是模仿人眼与人类视觉的立体感知过程，从两个视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量远离计算图像像素间的位置偏差，以获取景物的三维信息。

为了避免接触式测量的缺点，以运用光学原理进行数据获取的非接触式测量成为目前应用最广泛的测量方法，具有结构简单，使用方便，测量精度高，实时性强和自动化程度高等诸多优点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种投资费用少、测量速度快、精度高的基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，能够方便地进行动态的距离测量。

本发明的基本原理是通过两个线扫描摄像机从不同视角采集被测目标的平面图像，通过Visual Studio 2008所编写的图像采集及处理软件来控制两线扫描摄像机同步采集图像，对两线扫描摄像机所拍摄的图像进行处理，识别圆形被测目标，得出圆心在图像中的位置参数，再根据两个摄像机之间的位置关系、成像关系以及各参数间的关系，计算出被测目标在相机坐标系中的位置坐标。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，其特征在于，包括图像采集装置、计算机以及信号发生器；其中：

所述图像采集装置含有摄像机支架、底座和一个可移动的载物台，摄像机支架上对称安装有两个线扫描摄像机，两个线扫描摄像机俯角相同；可移动载物台用于以一恒定速度移动穿过两个线扫描摄像机的视场范围内；

所述的计算机中装入两个Camera Link图像采集卡，用于分别控制两个线扫描摄像机采集被测目标的图像；

所述的信号发生器用于给两个Camera Link图像采集卡同时发出TTL电平信号，触发两个线扫描摄像机拍摄；

计算机根据两个线扫描摄像机所建立的相机坐标系中的相互位置关系与成像位置，计算出被测目标在相机坐标系中的位置。

所述的线扫描摄像机采用尼康D型AF NIKKOR 50/1.8D。

所述的Camera Link图像采集卡采用Matrox Solios XCL。

所述的信号发生器采用盛普SP-F40 DDS数字合成函数信号发生器。

上述双目线扫描摄像机的动态距离测量系统的动态距离测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集标定图像：首先制作标定板，在标定板上设置标定图像，两个相机同步拍摄标定板，多次变换标定板与相机的距离并采集图像，得到标定图像在两个相机所采集到图像中的像素位置参数与成像关系；

反算对应关系：反算出系统中输入变量与输出变量的对应关系；

图像采集：将被测目标圆置于可移动载物台上，计算机控制两个线扫描摄像机对被测目标进行拍摄拍摄，采集图像输入计算机；

图像预处理：采用图像增强以及图像平滑等方法对所采集的图像进行处理，去除图像中大部分的干扰以及无用信息；

提取被测目标圆的圆心：采用二值化的方法对图像进行二值化处理，提取出被测目标圆的边缘轮廓，运用直接边缘圆拟合的办法定位出圆心在图像中的像素坐标；

计算距离：根据镜头光学成像的原理以及反算出的输入变量与输出变量之间的对应关系和被测目标圆的圆心在图像中的像素坐标值，计算出圆心在相机坐标系中的位置坐标。

本发明的双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，可用于动态距离测量，只需在一定时间间隔内重复上述3-6个步骤就可以实现多次距离测量。

本发明的双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，主要部件采用线扫描摄像机和计算机，结构简单，适应多种外环境；其距离测量方法主要由计算机自动完成，操作简单，使用方便，而且测量结果直观、可靠；由于测量结果可以精确到1mm，因此，测量精度非常高。可以广泛应用于铁路、医药、化工、食品、建筑等行业的运动物体的瞬时空间位置等领域。

附图说明

图1为本发明的双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中的图像采集装置结构示意图。

图2为本发明双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中的两个线扫描摄像机安装示意图。

图3为距离测量方法的流程图。

图4为双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中的线扫描相机的标定板示意图。

图5为本发明的双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中的定常系统的变量对应关系示意图。

图6为距离测量方法光路原理图。

图7为双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中图像采集设备连接图。

图8为双目线扫描摄像机的动态距离测量系统中是两相机交汇视场的范围。其中的摄像参数是：光圈：f/1.8，焦距：∞。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参照图1，本实施例的基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，包括图像采集装置、计算机以及信号发生器；其中：

图像采集装置包括摄像机支架、底座和一个可移动的载物台，摄像机支架上对称安装在两个线扫描摄像机(A、B)，镜头方向水平且与其光轴平行，相距1000mm，并进行固定，再调节摄像机支架底座的4个可调节支撑脚，要求两个线扫描摄像机(A、B)的视场范围(靶面)重合并与水平面垂直。

本实施例中，线扫描摄像机采用两个尼康D型AF NIKKOR 50/1.8D摄像机，分辨率均为4096*500，如图2，相距1000mm，将两个线扫描摄像机(A、B)分别连接至两个Camera Link图像采集卡，计算机控制两个线扫描摄像机(A、B)同时采集标定板的图像，反算出该图像采集系统中的输入变量与输出变量的对应关系，再根据信号发生器给Camera Link图像采集卡输入的TTL电平信号控制两个线扫描摄像机(A、B)对被测目标进行图像的采集，对采集到的图像进行预处理、识别等操作后得到被测目标圆的圆心在图像中的像素位置坐标，再利用光学原理、成像关系以及两个线扫描相机的相互位置关系，计算出被测目标圆的圆心在相机坐标系中的位置坐标。

在进行距离测量时，要求图像是在同一时刻对被测目标采集得到的，即两个线扫描摄像机(A、B)的拍摄帧数是同步的，图像采集及处理软件根据信号发生器给Camera Link图像采集卡输入的触发信号控制两个线扫描摄像机的拍摄速度，要求信号发生器输出的信号为5V的TTL电平信号，波形为方波。采集速度一般设置为30帧/每秒，通过调节信号发生器发出的信号，能够使摄像机的采集速度在每秒10-50帧的范围内进行调节。在图像采集的过程中，要求有一个与采集速度相匹配的可移动载物台，该可移动载物台用于以一恒定速度移动穿过两个线扫描摄像机的视场范围内；以便拍摄到的图像没有拉伸或者压缩变形，保证后期的图像处理部分能够有高质量的原始图像。

参照图3，以上述基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，进行距离测量方法包括以下步骤：

采集标定图像

首先制作标定板，标定板上设置标定图像，标定板如图4所示，变换标定板位置，两个线扫描摄像机分别拍摄标定板，采集图像。在变换标定板位置的时候，要求在两个线扫描摄像机的视场范围(靶面)内，沿相机光轴方向变换标定板位置，并且标定板的平面垂直于光轴，设相机坐标系的原点O为两个线扫描摄像机镜头中心连线的中点位置，在相机坐标系中多个已知坐标的位置放置标定板分别采集并处理，得到标定板在线阵图像中成像的位置。

反算对应关系

反算的目的是要得到该系统中输入变量与输出变量之间的对应关系，参照图5，输入变量为被测目标分别在线扫描摄像机A、B中的成像位置，系统常量为光心位置、焦距、放大系数以及倾角等，输出变量为被测目标在相机坐标系中的位置坐标。

参照图6，被测目标在两个线阵CCD上的成像位置相对于图像成像中心(光轴成像位置、线阵图像中心)E_A、E_B的偏差分别为Δ₁和Δ₂，其中目标的成像位置H_A、H_B实际是直线L_A和L_B分别与两个线阵CCD的交点，记成像点P₁、P₂的坐标分别为H_A(m_A，n_A)、H_B(m_B，n_B)，而被测目标在线阵CCD上的成像位置相对于光轴成像位置的偏差与在采集到的图像中的像素坐标位置相对于图像中心的偏差成正比，设被测目标在两个线扫描摄像机图像中的像素坐标分别为a₁、a₂，则偏差分别为(2048-a₁)和(2048-a₂)。设直线L_A和L_B的斜率分别为k_A、k_B，采用斜截式直线方程：(y＝k_ix+b_i，i＝A，B)，则

b_A＝y_TA-k_Ax_TA、b_B＝y_TB-k_Bx_TB

在实际中上述两式的分母不为零，且k₁≠k₂。设被测目标在相机坐标系中的位置为H(x，y)，即为L_A和L_B的交点，有：

x = \frac{b_{B} - b_{A}}{k_{A} - k_{B}} = \frac{k_{A} (x_{TA} - k_{B} x_{TB}) - (y_{TA} - y_{TB})}{k_{A} - k_{B}} - - - (1)

y = \frac{k_{A} b_{B} - k_{B} b_{A}}{k_{A} - k_{B}} = \frac{k_{A} k_{B} (x_{TA} - x_{TB}) - (k_{B} x_{TA} - k_{A} x_{TB})}{k_{A} - k_{B}} - - - (2)

将k_A，k_B，b_A，b_B代入式(1)、(2)，得：

x＝f_x(m_A，n_A，m_B，n_B，x_TA，y_TA，x_TB，y_TB) (3)

y＝f_y(m_A，n_A，m_B，n_B，x_TA，y_TA，x_TB，y_TB) (4)

式中：x，y为m_A，n_A，m_B，n_B，x_TA，y_TA，x_TB，y_TB的函数，而在每一次的图像采集过程中，焦距、倾角、光心坐标都是固定不变的，且参数中只有m_A，n_A，m_B，n_B，随着目标的运动发生变化，是该系统的输入变量，又因为被测目标在线阵CCD上的成像位置相对于光轴成像位置的偏差与在采集到的图像中的像素坐标位置相对于图像中心的偏差成正比，所以上述两式可以写成以下形式：

x = \frac{c_{0} (2048 - a_{1}) (2048 - a_{2}) + c_{1} (2048 - a_{1}) + c_{2} (2048 - a_{2}) + c_{3}}{c_{4} (2048 - a_{1}) (2048 - a_{2}) + c_{5} (2048 - a_{1}) + c_{6} (2048 - a_{2}) + c_{7}} + c_{8} - - - (5)

y = \frac{c_{9} (2048 - a_{1}) (2048 - a_{2}) + c_{10} (2048 - a_{1}) + c_{11} (2048 - a_{2}) + c_{12}}{c_{13} (2048 - a_{1}) (2048 - a_{2}) + c_{14} (2048 - a_{1}) + c_{15} (2048 - a_{2}) + c_{16}} + c_{17} - - - (6)

其中c_i(i＝0，1，…，17)为(2048-a₁)，(2048-a₂)多项式的系数，而a₁、a₂分别为被测目标点在两个线扫描相机图像中的纵向像素坐标值。该系统的参数，如焦距、倾角、光心坐标等，在每一次的图像采集过程中始终不变，是常量，所以该系统是一个定常系统。这些常量决定着系统输入变量与输出变量的对应关系，而在一次测量过程中，这种对应关系又是始终不变的，故不需要求解或者得到每个常量参数，只需用采集的标定图像数据、标定板图像在相机坐标系中的位置参数，运用麦夸特法及通用全局优化法分别反算出(5)、(6)式中输入变量与输出变量间的对应关系，相关度分别为0.999998、0.999997，平均误差为0.716407、0.50602，其中多项式系数的值分别为为：

c₀：0.00806278277747859 c₆：-1.39027703216874

c₁：167.583055606759 c₇：143.94363688932

c₂：1149.13315970222 c₈：771.449090566112

c₃：0.34081225125357 c₉：-0.107320037661889

c₄：-9.64461518505874E-7 c₁₀：19753.22781617

c₅：1.37090415832232 c₁₁：-19798.3701864534

c₁₂：-344.834312719091 c₁₅：-0.362887760041254

c₁₃：-1.89819082931855E-6 c₁₆：33.7177033159347

c₁₄：0.361998950149939 c₁₇：-54481.3263429569

图像采集

将被测圆形目标置于可移动载物台上，将该可移动载物台以一恒定速度移动穿过两个线扫描摄像机的视场范围(靶面)内，计算机控制两个线扫描摄像机对被测目标进行拍摄，采集到的图像输入计算机。如图7，采集图像时，计算机通过Camera Link图像采集卡对线扫描摄像机进行控制，此外，还需要信号发生器向Camera Link图像采集卡输入5V的TTL电平信号进行触发，以配合可移动载物台的移动速度进行图像的采集，该信号要求与可移动载物台的移动速度相匹配。

开始工作时，由计算机控制两个线扫描摄像机对被测目标进行图像采集，采集到的图像通过Camera Link图像采集卡输入到计算机中。图像采集软件还可以将两个线扫描摄像机采集的图像分别显示在屏幕中的两个窗口中，便于观察，以便调节采集过程中的各个参数。

图像预处理

计算机采用图像增强以及图像平滑等方法对所采集的图像进行处理，以达到去除图像中的干扰以及无用信息的目的，防止这些干扰信息在被测目标圆的识别阶段也被处理成被测目标，造成结果错误。

图像预处理程序的过程具体为：被测目标置于可移动的载物台上，首先将载物台以外的像素全部去除，主要根据灰度值来寻找符合载物台灰度值范围的区域，再将该区域边界之外的部分去除；其次对该区域内的像素进行平滑处理、增强对比度、灰度拉伸等运算，以达到突出有用信息的目的。

提取被测目标圆的圆心

计算机采用二值化的方法对图像进行二值化处理，通过边缘提取的方法得到被测目标的边界形状及轮廓，再运用边缘检测Sobel算子进行直接边缘圆拟合，并定位圆心。

边缘提取的目的是得到被测目标圆的边界形状，程序中采用二值化的方法对图像进行二值化处理。由于被测目标与背景之间存在着灰度的差异，通过选择一个合适的阈值，将各个像素的灰度与该值比较，如果大于该值则将该点处理成黑色，反之处理成白色，这样就得到被测目标圆的外形轮廓。具体二值化方法如下：对摄像头采集到的一帧图像，该图像的每个像素的值是该点的灰度值，在0到255之间变化。边缘提取程序中，通过实验确定一个阈值，如100，然后将图像中每个点的灰度值与该阈值进行比较运算，如果该点的灰度值大于该阈值，则将该点数值变为1，反之为0。对整个图像运算完成之后图像中只含有有数字0和1，这样二值化过程就完成了。

利用边缘检测Sobel算子求得圆斑的边缘点，然后用这些边缘点进行圆拟合，最后求得圆心的坐标。设圆的方程为：

(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²＝R²

式中(x₀，y₀)为圆心，R为半径，(x_i，y_i)为边缘点，这里i＝1，…，N，N为边缘点的个数。定义误差：

S = Σ_{i = 1}^{N} {[R^{2} - {(x_{i} - x_{0})}^{2} {- (y_{i} - y_{0})}^{2}]}^{2}

利用最小二乘远离即可求解到圆心坐标(x₀，y₀)和半径R。

上述(5)、(6)式中，a₁、a₂的值为两线扫描摄像机图像中圆心的纵向坐标值，即y_A0、y_B0。

计算距离

将反算出的多项式系数c_i(i＝0，1，…，17)以及a₁、a₂分别带入(5)、(6)式中，计算出被测目标圆的圆心在相机坐标系中的坐标(x，y)，其中x的坐标值即为被测目标的距离。

Claims

1.一种基于双目线扫描摄像机的动态距离测量系统，其特征在于，包括图像采集装置、计算机以及信号发生器；其中：

所述图像采集装置含有摄像机支架、底座和一个可移动的载物台，摄像机支架上对称安装有两个线扫描摄像机，两个线扫描摄像机俯角相同，可移动载物台用于以一恒定速度移动穿过两个线扫描摄像机的视场范围内；

所述的计算机中装入两个Camera Link图像采集卡分别控制两个线扫描摄像机采集被测目标的图像；

所述的信号发生器用于给两个Camera Link图像采集卡同时发出TTL电平信号触发两个线扫描摄像机拍摄；

2.如权利要求1所述的基于双目线扫描摄像机动态的距离测量系统，其特征在于，所述的线扫描摄像机采用尼康D型AF NIKKOR 50/1.8D。

3.如权利要求1所述的基于双目线扫描摄像机动态的距离测量系统，其特征在于，所述的Camera Link图像采集卡采用Matrox Solios XCL。

4.如权利要求1所述的基于双目线扫描摄像机动态的距离测量系统，其特征在于，所述的信号发生器采用盛普SP-F40 DDS数字合成函数信号发生器。

5.权利要求1所述的基于双目线扫描摄像机动态的距离测量系统的距离测量方法，其特征在于，包括以下步骤：