（光学工程专业论文）双目视差数字式测距仪信号处理系统.pdf

摘要 测距仪应用在距离测量和目标方位的确定上，不仅在常规的河道测量、建筑 施工和线缆的铺设上而且在军事打击目标的确定，车辆防碰撞，机器人视觉等前 沿科技上也有广泛的使用。 本文在分析了现有的一些测距方法的优点及不足后，选择了双目视差作为测 距系统的基本理论。基于双目视差的数字式测距仪是被动式、非接触测距仪，与 主动式测距仪相比，无需发射信号，只被动接受信号，因此不易暴露己方目标， 不接触被测物体，不影响被测物体性状，可重复测量；与传统的双目视差测距工 具相比、自动匹配、自动测量，无须手工测算，具有快速、可靠性高的优点，在 测距为5 0 0 - - 6 0 0 0 m 之间，其理论精度可达l 。 本文对基于双目视差的数字式测距仪的原理、研制方案和实验等方面进行了 系统的研究，完成的主要工作有： l 、通过分析双目视差的原理，研究了系统结构参数与测量范围和精度的关 系，在前期的基础上，改进设计了测距仪的结构设计。 2 、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路，包括c c d 驱动电 路与信号放大与滤波单元，信号数字化单元与缓存单元，系统控制以及数 据处理控制电路。 3 、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。 4 、搭建了系统并进行了测试实验，通过对实验结果的分析，在实时性上和测 量精度上对系统的硬件电路和数据处理算法进行验证。 关键词：测距仪，双目视差，归一化相关系数，c p l d ，a r m 嵌入式控制系统 a b s t i 认c t r a n g e f i n d e r sa r ew i d e l yu s e dt om e a s u r ed i s t a n c eo rd e t e c tt a r g e to r i e n t a t i o ni n e a r t hm e a s u r e ，n o to n l y i n c l u d i n gr i v e r w i d t hm e a s u r e m e n t 、a r c h i t e c t u r a l m e a s u r e m e n tc o n s t r u c t i o na n dc i r c u i t r yp a v i n g ，b u ta l s oi n c l u d i n gv e h i c l ea v o i d i n g c o l l i s i o n 、r o b o tv i s i o na n dm i l i t a r ya f f a i r sa n do t h e r sh i i 曲- t e c hf i e l d t h e r a n g e f m d e rs y s t e mi nt h i sp a p e rd e s i d e dt ob a s eo nb i n o c u l a rp a r a l l a xa f t e r a n a l y z i n gs t r o n g p o i n t sa n ds h o r t a g e so fd i f f e r e n td i s t a n c em e a s u r e m e n t s t h ed i g i t a l r a n g e f i n d e rb a s e do nb i n o c u l a rp a r a l l a xi sap a s s i v e ，n o n - c o n t a c tr a n g e f i n d e rw h i c h c o m p a r e dw i t ha c t i v er a n g e f i n d e r sn e e d n ts e n ds i g n a l ，w h i c ho n l yp a s s i v e l yr e c e i v e s i g n a l ，s oi ti sf r e et oe x p o s ey o u r s e l f ，w h a t sm o r e ，i td o e s n tc o n t a c tt a r g e t ，d o e s n t i n f l u e n c et h ec h a r a c t e ro ft h em e a s u r e do b j e c t ，s oi tc a nb er e p e a t e d c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lb i n o c u l a rp a r a l l a xr a n g e f i n d e r ，t h ed i g i t a lr a n g e f m d e rn e e d n tm a n u a l m e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i o n ，w h i c hc a nm a t c ha n dc a l c u l a t i o na u t o m a t i c a l l y , s oi t h a s h i g hs p e e da n dp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y w h e ni t sm e a s u r i n gs c a l eb e t w e e n5 0 0 ma n d 6 0 0 0 m , a c a d e m i cp r e c i s i o nc a nr e a c hl a tt h i sp a p e r , w es y s t e m i cr e s e a r c ht h et h e o r y , p r e c e p t , m a n u f a c t u r eo ft h e d 诤t a lr a n g e f i n d e r sb a s e do nb i n o c u l a rp a r a l l a x ，w ec o m p l e t et h o s ew o r k ： 1 ， b ya n a l y z i n gt h et h e o r yo fb i n o c u l a rp a r a l l a x ，w es t u d i e dt h er e l a t i o n s h i po f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r , m e a s u r es c a l ea n dp r e c i s i o n b a s e d o nt h eo t h e r s w o r k ，i m p r o v i n gt h ed i g i t a lm e a s u r e m e n ts t r u e m r ed e s i g n 2 ，h a v ec o m p l e t e dt h ed i g i t a lr a n g e f i n d e r ss i g n a lc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m , i n c l u d i n gd r i v e so fc c d ，m a g n i f y i n gc i r c u i ta n df i l t e r , a d ca n db u f f e rm e m o r y c e l l ，s y s t e mc o n t r o la n d d a t ap r o c e s s i n gc e l l 3 ， c o m p l e t e dt h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m m ao ne m b e d d e ds y s t e ma n dc o n t r o l p r o g r a m m ao np c 4 ，w es e t u pt h ed i g i t a lr a n g f i n d e ra n dc a r r yt h r o u g hm e a s u r i n gt e s t b ya n a l y z i n g t h et e s td a t a ，v a l i d a t e dt h es y s t e mc i r c u i td e s i g na n de m b e d d e dd a t ap r o c e s s i n g a r i t h m e t i co nr e a l - t i m ea n dm e a s u r e m e n t p r e c i s i o n k e yw o r d s ：r a n g e f i n d e r , b i n o c u l a rp a r a l l a x , n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ，c p l d ，e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s eo na r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叶剖锄 签字日期 d ) 年7 月舌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吁f f 声7 笔 导师签名： 签字日期： 。) 车7 月 日签字日期： 日 l1 5 2 0 0 ) ) b a u d = 19 2 0 0 ； u o l c r - - 0 x 8 0 ；d l a b 位置l q u s h = ( ( f p c l k 4 ) b a u d ) ； u o d l m q u s h 8 ) ； u o d l l = ( q u s h & 0 x f 0 ； u o l c r = o x 0 3 ： 设置附加位 i f ( a d d b i t = 1 ) 0 0 1 1 - 0 0 1 1 ，0 - 禁止访问，o 禁止间隔，1 1 附加位为0 ，0 - 禁止奇偶校验，0 1 个停止位，1 1 8 位数据长度 u o l c r = 0 x 3 3 ； e l s e0 00 00 0 1 1 ，0 禁止访问，0 禁止间隔，0 0 无附加位，啦 禁止奇偶校验，0 1 个停止位，1 1 8 位数据长度 u o l c r = 0 x 0 3 ； 设置中断 第四章系统信号处理算法及软件 i f ( i n t e n 1 ) v i c i n t s e l e c t = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ；设置所有通道为m q 中断 v i c v e c t c n t l 6 = 0 x 2 6 ； u a r t 0 中断通道分配到m q6 v i c v e c t a d d r 6 = ( i n t ) i r q - u a r t 0 ； 设置u a r t 0 向量地址 v i c i n t e n a b l e = b m b i t 6 ；使能u a r t 0 中断 u o i e r = 0 x 0 1 ； ) e l s e v i c i n t s e l e c t = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ； v i c v e c t c n t l 6 = 0 x 2 6 ； s l o t0 ，即优先级最高 v i c v e c t a d d r 6 = ( i n t ) i r q _ u a r t 0 ； v i c i n t e n c l r = b m b i t 6 ； u o i e r = o x 0 0 ； ) 设置f i f o s w i t c h ( f i f a n o ) c a s e0 ： u o f c r = 0 x 0 1 ； b r e a k ； c a s el ： u o f c r = 0 x 4 1 ； b r e a k ； c a s e2 ： u o f c r = 0 x 8 1 ； b r e a k ； c a s e3 ： 不允许r b r 中断， 设置所有通道为i r q 中断 u a r t 0 中断通道分配到i r q 设置u a r t 0 向量地址 关闭u a r t 0 中断 不使用f i f o ，并设置触发点为1 字节 使用f i f o ，并设置触发点为4 字节 使用f i f o ，并设置触发点为8 字节 2 9 第四章系统信号处理算法及软件 u o f c r = o x c l ； 使用f i f o ，并设置触发点为1 4 字节 b r e a k ； d e f a u l t ： u o f c r = o x 0 1 ；使用f i f o ，并设置触发点为l 字节 b r e a k ； r e t u r n ； ) 在系统启动初始化后，通过查询法来接收上位机送来的设置命令及向上位机 传送目标测量结果，主频设置，积分时间设置及测量结果读取的过程如下： v o i du c o m w o r k ( v o i d ) u a r t o 命令处理函数 u i n t l 6i ； s w i t c h ( c o m m ) c a s e0 x a a ： 通讯连接 s e n d b y t e 0 ( c o m m ) ； d y n m s ( 1 ) ； b r e a k ； c a s eo x f o ： 系统端口功能及状态初始化 i n i t p o r t o ； s e n d b y t e o ( c o m m ) ； d y n m s ( 2 ) ； b r e a k ； c a s eo x f l ： 设置当前工作频率 c o m m l = r e c e i v b y t e 0 ( 6 0 0 0 0 ) ； i f ( c o m m l = o x 8 0 0 0 ) c o m m l = r e c e i v b y t e 0 ( 6 0 0 0 0 ) ； 如果超时则送出数据 第四章系统信号处理算法及软件 i f ( c o m ml o x 0 7 ) c o m m l - - 0 x 0 0 ； f i e n o = c o m m l + 1 ： f c l k s e t ( f i e n o - 1 ) ； d y n m s ( 1 0 ) ； s e n d b y t e 0 ( c o m m1 ) ； l o n g 2 s t r ( f i e n o ，4 ) ； f o r ( i - - o ；i = o x 8 0 0 0 ) c o m m l = r e c e i v b y t e o ( 6 0 0 0 0 ) ； ) c o m m 2 = r e c e i v b y t e 0 ( 6 0 0 0 0 ) ； 接收积分时间低8 位 i f ( c o m m 2 = o x 8 0 0 0 ) c o m m 2 = r e c e i v b y t e 0 ( 6 0 0 0 0 ) ； j f s j = c o m m1 ； j f s j = ( i f s j 8 ) + c o m m 2 ； - 3 1 第四章系统信号处理算法及软件 位机 宰c s i p l 3 = c o m m l ； c s i p l 2 = c o m m 2 ； s e n d b y t e 0 ( c o m m 2 ) ； l o n g 2 s t r ( j f s j ，1 ) ； f o r ( i = o ；i 8 ) ； s e n d ( a a ) ； d e l a y ( 10 0 0 ) ； - 3 6 一 清空发送f i f o 给a r m 发送设置指令 先送高8 位 第四章系统信号处理算法及软件 b b = ( v e r & 0 x 0 0 f f ) ； s e n d ( b b ) ； f o r ( i = 0 ；i 二7 一? 。一一一 5 - 4 ( d ) 不同长度窗口匹配判据曲线 第五章实验结果与分析 结论：对于第一种算法，为了更好的得到匹配结果，提高匹配精度，采取的 方法为特征窗口大小为1 3 至1 2 ，并且用两个不同长度的窗口去匹配，比较两 次匹配结果，如果相差不大，则选取两次结果的均值作为最后匹配值输出。但如 果为采取第二种方法，其特征窗口可以选的更小些，也能准确地匹配，这便于提 高系统的测量精度。 5 2 3 环境噪声对匹配结果的影响 为了考察环境噪声的影响，采取的办法是在条件不变的情况下，比较不同时 刻采集的数据的匹配结果，用其变动的范围来衡量噪声的影响。以下数据是在同 一采集频率和积分时间下所得。利用第一种算法所得结果如图5 - 5 ( a ) 。 图5 - 5 ( a ) 第一组判据曲线 第五章实验结果与分析 图5 5 ( b ) 第一组判据局部图 从图中可以看出在噪声的影响下，匹配位置有2 个像素的变动，即其匹配误 差为2 个像元。 采用第二种算法所得的结果如图5 6 图5 - 6 ( a ) 第二组判据曲线 其匹配位置基本不变，局部放大图像如图5 - 6 ( b ) 所示。 第五章实验结果与分析 足我 图5 - 6 ( b ) 第二组判据局部图 从图中可以明显看出，噪声的影响下，误差为2 个像元。 为了更好的说明噪声的影响，再对另一组数进行处理，这组数的采集也满 图5 7第二组原始数据 利用第一种算法得到的结果如图5 - 8 c a ) 和5 8 ( b ) 。 第五章实验结果与分析 图5 - 8 ( b ) 第一组判据曲线局部图 从图中可以看出在噪声的影响下，匹配位置有2 个像素的变动，即其匹配误 差为2 个像元。 采用第二种算法所得的结果如图5 9 ( a ) 第五章实验结果与分析 图5 - 9 f a l第二组判据曲线 ；j一一一一一jj，：ij：。：。：。：ij：。：i：i?。：一一 ? ? i 厂? 。：。x ! 。 l z i h j 一 一一一l 一一一一。一一一一；一。一一一一二一一一一一一一一i 一一一一一一一：一一、一一一一一j 一 ，j 一一t 三歹r f r 一 o 鬈0 0 o - ：- i 一；j + 。：- 图5 - 9 ( b ) 第二组判据曲线局部图 比较图5 5 ( b ) 和图5 6 ( b ) 以及图5 8 ( b ) n f n5 - 9 ( b ) ，噪声对两种算法的影响一 样且匹配位置一致，但第二种采用归一化相关算法的判据结果跟清晰，即其抗噪 声的能力更强一些。 通过对不同影响因素的分析可知，改进的归一化相关系数匹配算法要优于 差的平方和匹配算法。 第五章实验结果与分析 5 2 4 目标上有周期性细节 这种情况下，灰度曲线表现为周期性的变动， 藕垂瓣蒸l 一 | | 蘸粪萎一 图5 1 0 为了验证周期性细节对匹配的影响， 将所采集的数据处理对应如下： 周期性细节 分别取窗口为2 0 0 0 和1 0 0 0 像元长度， 图5 1 1 第一组判据曲线 从图5 1 1 可以的出，对于存在周期性细节，用第一种算法没有匹配结果， 即第一种算法此时失效。 第五章实验结粜与分析 圈匡鍪 囵 图5 - 1 2 ( a ) 归一化相关系数曲线图5 1 2 ( b )归一化相* 系数晟大值 对图5 - 1 2 ( a ) 和图5 - 1 2 ( b ) ，因为匹配起始位置为同一值2 4 0 4 ，即图5 - 1 2 中灰 度曲线的质心对应的位置。所以匹酉己后所得位置差第一个为l 和4 l t 而图5 - 1 1 2 中两曲线的位置差为4 1 所以对于存在周期性细节的目标，匹配窗1 3 小匹配时 更准确，这也进一步说明归一化相关系数匹配法比差的平法和匹配法要更适合。 5 3 实验系统结构 主电路板 苎至! 壅竺堕墨苎坌塑 c c d 及与镜头接口 实验系统 一寨j 5 , 4 总结与展望 图5 1 6实验系统实物图 5 4 1 工作总结 本文通过对双目视差原理的分析，设计了一种基于其原理的数字式澜4 距仪 第五章实验结果与分析 完成了数据采集的硬件设计到数据处理的软件编写，并在此基础上进行了实验研 究。 l 、通过分析双目视差的原理，研究了系统结构参数与测量范围和精度的关系， 在前人的基础上，改进设计了测距仪的结构设计，增加的系统摆放的稳定性。 2 、完成了基于双目视差的数字式测距仪的数据采集电路，包括c c d 驱动电路 与信号放大与滤波单元，信号数字化单元与缓存单元，系统控制以及数据处 理控制电路。 3 、完成了上位机控制程序和数据处理的嵌入式软件设计。 4 、通过对实验结果的分析，在实时性上和测量精度上对系统的硬件电路和数据 处理算法进行验证。 5 4 2 展望 随着研究的不断深入，对课题的各个方面的内容有了更加深刻的认识，现提 出课题进一步的研究内容如下： 1 通过远心光路减少弥散斑的影响。 2 从仪器整体角度出发，进一步改进机械结构，可将t 型横必改成可拉伸 的2 段，在不测量时减少所占空间便于携带。 3 在测量精度上，可改用像敏单元更多，像元更小的线阵c c d 。 4 由于c c d 分辨率的制约，匹配精度受到限制，可以在上述算法的基础 上，通过曲线拟合的方法来提高精度。 参考文献 参考文献 1 陈安健，郑炜，脉冲激光测距系统中非球面物镜的设计，激光与红) b 2 0 0 5 年3 5 卷7 期 2 王湘君，周春艳，立体视觉概述，电脑知识与技术，2 0 0 5 年 3 管业鹏，顾伟康，基于双目视觉的基准差梯度立体匹配法，传感技术学 报，2 0 0 1 年3 月第1 期 4 李万利，设计双目视差立体电视系统的技术研究，电子测量，2 0 0 1 年1 1 期：1 3 3 - 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