数码相机对三维空间尺度测距研究

1、数码相机对三维空间尺度测距研究 数码相机对三维空间尺度测距研究李燕， 马琨， 吴加权昆明理工大学 莲花校区物理系，云南 昆明 （650093）E-mail:摘要：本文给出了一种由单幅图像得到目标物体深度信息的方法。该方法通过本文给出了一种由单幅图像得到目标物体深度信息的方法。该方法通过计算机图像了一种由单幅图像得到目标物体深度信息的方法。该方法通过计算机图像处理技术获取相关的图像信息，再结合光学成像原理将所用数码相机的实际物理焦距和图处理技术获取相关的图像信息，再结合光学成像原理将所用数码相机的实际物理焦距和图像中目标物体的大小均等效到135相机的标准上，由计相机的标准上，由计算机编程计算由计

2、算机编程计算得出目标与测量系统算机编程计算得出目标与测量系统之间的相对位置关系。文章介绍了测量原理，推导出了参数计算公式。实验表明，此系统测量精度满足工程测量要求。关键词：计算机图像处理；三维空间尺度的测距；数码相机；精度1. 引言： 引言：三维空间尺度测量在机器人视觉、泛而重要的应用意义。目前，随着计算机、光学和光电子技术的发展，测量物体三维信息的方法是当前发展极为迅速的一个领域。维传感和被动三维传感法等方法；后者可分为结构光方法、莫尔条纹法、位相测量法、傅立叶变化轮廓法等方法。对比以上各种方法的优缺点，系统必须满足分辨率高、器，用本文所提出的等效法来测量目标物体的位置。该方法具有结构简单、

3、造价低、数据采集快速、实验结果对比分析，与可行性。2. 原理. 原理 原理调节照像机的焦距，测点处于聚焦位置，距作为已知，由透镜成像公式求得物距，这是聚焦法的基本原理。因为拍摄的是中远距离的物体，对于以认为等于像距q Qv f =f因此要求物距，们拍摄远近不同的景物是要调整选择不同的焦距，像。由于数码相机随型号不同有不同的参数,所以在我们使用数码相机进行测量把它的参数换的目标物体的大小工业产品的加工和监测以及国防航天等领域都有着广1-3。前者主要可分为三目立体视觉法、双目立体视觉法、单目视觉针对测量所应用的场景，稳定性和可靠性好等特点的情况，操作方便等优点。证实了该方法的有效性使照像机相对于被

4、并把照像机的像距和焦v，就相当于透镜的中心点到感光胶片v =(q +Q fQ，再根据我们只需知道CCD 上像的大小、135相机的标准上来。(长宽和图像中物体的大小 采用光学技术获取被它主要可以分为两大类：主动三对空间三维位置测量的要求以及测量我们选用数码相机作为图像传感图(1 透镜成像 Fig.1 Imaging of lens 1u =11f v，有u>>f，所以数码相机的焦距f 可CCD 的距离。根据等比三角形定理有11(q +Q f u =f 1v 就可以得到物距u =q 。焦距和物体的实际大小就可以了。所以当我尽量使像点在CCD 上，从而得到较清晰的时要就必须时，对图像也进

5、行相应的转换，先测量出所要拍(长宽，然后把图像也等比缩小到与135相机1且便于移动，, 所以算到同的感光面尺寸一样的大小。这就是后面所讲的“两个等效”。至此，相对于135相机的等效焦距和等效物像大小已知，目标物体的实际大小我们可以实际测得，这样物距(拍照距离4-6就可以得到。这就是本次实验的总体思路。2.1图像中物体大小的确定(图像中物体大小的确定(图像的等效图像的等效先把从数码相机读入计算机进行处理的图像(JPEG转换为位图图像(BMP格式。然后读取位图图像的系统象素(显示器象素尺寸。根据需要设定一个缩放系数来对图像进行放大或缩小的处理。在图像放大时，一个图像象素用几个系统象素来显示；在图像

6、缩小时，一个系统象素就用来表示几个图像象素；在等大显示时，系统象素和图像象素才是一对一的显示。接下来是对鼠标的设定，使其能够读出鼠标点击处的象素值（横的象素值和竖的象素值）。这样通过点击图像中的任意两点都可以确定它们之间的象素差值。假设点击的起点的象素值为(x1,y 1，终点的象素值为(x2,y 2,则两点的象素差值为：D =x 2x 21+y 2y 12如果要测像中物体高有多少个象素，只要点击读出它的高点象素值和低点象素值就可以知道。只要用两点的象素差值D 除以计算机系统分辨(显示器上每单位长度显示的象素的数目率就获得了这两点间的距离,即可以确定物体在图像中的大小。之后把在计算机上所显示的图

7、像大小换算成为在CCD 元件上的成像大小，再根据所使用的数码相机的CCD 大小和标准135相机成像面之间的关系进行换算，从而得出我们在计算机上所选择的图像的大小等效到135相机成像面上的图像大小。这样我们就得到了所需要的第一个等效，即等效的图像大小。2.2数码相机等效焦距的换算 数码相机等效焦距的换算对数码相机的焦距进行换算可分为两类，一类是针对与135相机的感光面的长宽比例相同的数码相机(3:2。另一类是针对和计算机显示器屏幕长宽比例相同的数码相机(4:3。对第一类数码相机，尽管它们都使用135相机的镜头，但视角是不一样的。把它们的镜头焦距换算成等效焦距的依据是两者的对角线视角必须相等。设f

8、 是等效的镜头焦距，f 1是数码相机镜头的真实焦距，d 1是数码相机感光面对角线的长度，由三角形的相似性质不难得到:(单位mmf 43. 27=f 1d 即f =43. 27d f =f 43. 2711 其中 =称为镜头因子。 1143. 27f 1d ； 145f 1d 。 1在实验中我们采用的是第二类数码相机的对角线视角相等算法。还有一点要注意的是利用数码相机进行拍照时，如果我们想改变视角有两种方法：一种 学变焦。通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距。另一种就是改变成像，其实是通过数码相机内的处理器，把原来CCD 影像感应面的大小（成像面的对角线长短）器上的一部份象素使用

9、"插值"处理手段做放大,将CCD 影像感应器上的象素用插值算法将画面放大到整个画面的方法就叫做数码变焦。与光学变焦不同，数码变焦是在感光器件垂直方向上的变化，而给人以变焦效果的。感光器件上的面积小，用户在视觉上就会只看见景物的局部。由于数码变焦并未改变焦距，图像质量相对于正常情况下较差。3. 算法的确定. 算法的确定 算法的确定本实验的目的是测出数码相机的拍照距离（物距）小、把图像等效到与135相机胶片上、学成像原理上。至此，利用光学成像的知道目标物体高Q、等效焦距F 和在135们可以通过一些已知的参量获得F 和q 机感光面对角线长；d 是数码相机感光面对角线的长；q 是图

10、像中物体的大小（一般取物高）；D图(3 成像关系Fig.3 The relationship between image and (象素/毫米。q =q /(L34. 61； 由图(3可知L34. 61是由图像到135相机感光面的缩小比例；面上的大小。由图(4，知U =FQ q ，4. 实验. 实验 实验 根据上述理论分析,用V C +6.0编程C -2000ZOO M 具有3倍的光学变焦和2. CCD 尺寸为1/2英寸，即为4.8mm F 2.0-F 11(W ,2.8-F 11(T ；程序里的放大我们使用了1600*1200象素的分辨率进行拍摄。图(53X 光学变焦和2. 5X 数码变焦（

11、合7. 5。经过图像处理确定图像中物体的大步骤后，最终又回到了光本原理结合前面的分析，可知要测出物距U ，只要胶片上物体的像高q 即可。由前述分析我F =43. 27fd, F 是等效焦距；43. 27是135相f 是数码相机的物理焦距，q =D r，为被测物体两点间的象素差；r 是显示器的分辨率q是被拍摄物体在135相机感光可得出拍照距离（物距）U 7-10。 等效焦距FOLY MP US 的数码变焦，其广角端物理焦距为6. 5mm,感光面4mm ，其对角线的长为8mm ，光圈范围为 倍数就是变焦数。在拍摄时使用F 4.8的光圈值。. 1是用OLY MP US C-2000ZOO M 以人高

12、为测量对象。释放鼠3数码相机的等效焦距转换等基相机感光的值:既计算，得出拍摄距离。本次实验中所用的5倍×6.X 变焦）拍得的，选取图中标后将自动弹出程序界面数据对话框“数码定标”图(5.2。输入相关的数据，点击确定后即可得到实验结果。图(5.1 实验用图图(5.2 程序界面示例中实际测得人高为1715mm, 拍照 距离为50000mm, 实验显示拍照距离为50998.371969mm,误差为0.019967。依此方法，我们进行了两组实验。其结果如图(6所示：3.50%3.00%小 大2.00%差误1.50%对相1.00%0.50%0.00%0%3.00%2.40%小

13、大1.80%差误1.20%对相0.60%0.00%3m-50m测量距离(单位m 第一组近拍，范围从0.5m 到2.5m。平均相对误差为1.8%；第二组拍照范围从3m 到50m。平均相对误差为1.6%。5. 结果分析. 结果分析 结果分析使用数码相机对已知尺寸的待测物体进行拍摄从而测量其距数码相机的空间距离，该技术十分适合于解决数字散斑测试技术在光电检测中的应用研究里所涉及到的由于桥梁到监测点之间的距离无法实施测量而遇到的问题，最终为桥梁检测提供相应技术支撑。该方法结构简单，成本低廉，数据采集快速，且便于移动，操作方便。且此系统测量精度满足工程测量要求。通过上述的分析及图表可以看出主要有以下几个

14、方面会带来误差：调焦精度、实际测量、手动调节的光学变焦、用鼠标选定图像中的物体和数据的计算处理。因此以上只是阶段性的研究成果，我们将进一步研究以解决存在的问题。参考文献 参考文献1黄锦，张晓兵，尹涵春，安新伟 基于图像处理的三维测量方法A 电子器件 2002年12月. 2 张尧禹，张明慧，乔彦峰 一种高精度非接触位置测量系统A 光学精密工程2001年10月. 3 吴焕明，方漪 基于计算机视角的图像测量技术A 工程图学学报 2002年4月.44Pchome 细说数码变焦不很懂谈摄影基础知识EB/OL 兼职编辑 2004-07-17 .http:/www.china- 朱秀昌， 刘峰， 胡栋 数字

15、图像处理与图像通信M 北京邮电大学出版社， 2002年. 8 康博创作室 Visual C+6.0高级开发教程M 1999年9月.9冯文灏 数码相机实施摄像测量的几个问题A 测绘信息与工程 2002，27(3 35. 10任四刚，谢利利 自动聚焦在图像测量中的应用A 重庆邮电学院学报2002年9月.中图分类号：TP391.41 文献标志码：AResearch for 3-D Space Position by Using Digital CameraLI Yan ， MA Kun ， WU Jia-quanDepartment of Physics, Kunming University of

16、 Science and Technology,Kunming, Yunnan, 650093Abstract AbstractA field of 3-D space position has been researched by using digital camera and a method using which we can get distance information of the target object based on single image has been described in this paper. Firstly, we obtained informa

17、tion of image by digital image processing. Secondly, we make the focus of the digital camera and the size of the target to be equivalent to the standard of 135 camera. Finally, the relative position of the target and the measuring system can be gained by using computer program. The principle of the measurement and the parameter calculating equation is featured. The experiment results shown a good agreement and the accuracy of measurement fulfilled the requirement of engineering.Key words ：compute