1、數(shù)碼相機對三維空間尺度測距研究 數(shù)碼相機對三維空間尺度測距研究李燕， 馬琨， 吳加權(quán)昆明理工大學(xué) 蓮花校區(qū)物理系，云南 昆明 （650093）E-mail:摘要：本文給出了一種由單幅圖像得到目標物體深度信息的方法。該方法通過本文給出了一種由單幅圖像得到目標物體深度信息的方法。該方法通過計算機圖像了一種由單幅圖像得到目標物體深度信息的方法。該方法通過計算機圖像處理技術(shù)獲取相關(guān)的圖像信息，再結(jié)合光學(xué)成像原理將所用數(shù)碼相機的實際物理焦距和圖處理技術(shù)獲取相關(guān)的圖像信息，再結(jié)合光學(xué)成像原理將所用數(shù)碼相機的實際物理焦距和圖像中目標物體的大小均等效到135相機的標準上，由計相機的標準上，由計算機編程計算由計

2、算機編程計算得出目標與測量系統(tǒng)算機編程計算得出目標與測量系統(tǒng)之間的相對位置關(guān)系。文章介紹了測量原理，推導(dǎo)出了參數(shù)計算公式。實驗表明，此系統(tǒng)測量精度滿足工程測量要求。關(guān)鍵詞：計算機圖像處理；三維空間尺度的測距；數(shù)碼相機；精度1. 引言： 引言：三維空間尺度測量在機器人視覺、泛而重要的應(yīng)用意義。目前，隨著計算機、光學(xué)和光電子技術(shù)的發(fā)展，測量物體三維信息的方法是當前發(fā)展極為迅速的一個領(lǐng)域。維傳感和被動三維傳感法等方法；后者可分為結(jié)構(gòu)光方法、莫爾條紋法、位相測量法、傅立葉變化輪廓法等方法。對比以上各種方法的優(yōu)缺點，系統(tǒng)必須滿足分辨率高、器，用本文所提出的等效法來測量目標物體的位置。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、

3、造價低、數(shù)據(jù)采集快速、實驗結(jié)果對比分析，與可行性。2. 原理. 原理 原理調(diào)節(jié)照像機的焦距，測點處于聚焦位置，距作為已知，由透鏡成像公式求得物距，這是聚焦法的基本原理。因為拍攝的是中遠距離的物體，對于以認為等于像距q Qv f =f因此要求物距，們拍攝遠近不同的景物是要調(diào)整選擇不同的焦距，像。由于數(shù)碼相機隨型號不同有不同的參數(shù),所以在我們使用數(shù)碼相機進行測量把它的參數(shù)換的目標物體的大小工業(yè)產(chǎn)品的加工和監(jiān)測以及國防航天等領(lǐng)域都有著廣1-3。前者主要可分為三目立體視覺法、雙目立體視覺法、單目視覺針對測量所應(yīng)用的場景，穩(wěn)定性和可靠性好等特點的情況，操作方便等優(yōu)點。證實了該方法的有效性使照像機相對于被

4、并把照像機的像距和焦v，就相當于透鏡的中心點到感光膠片v =(q +Q fQ，再根據(jù)我們只需知道CCD 上像的大小、135相機的標準上來。(長寬和圖像中物體的大小 采用光學(xué)技術(shù)獲取被它主要可以分為兩大類：主動三對空間三維位置測量的要求以及測量我們選用數(shù)碼相機作為圖像傳感圖(1 透鏡成像 Fig.1 Imaging of lens 1u =11f v，有u>>f，所以數(shù)碼相機的焦距f 可CCD 的距離。根據(jù)等比三角形定理有11(q +Q f u =f 1v 就可以得到物距u =q 。焦距和物體的實際大小就可以了。所以當我盡量使像點在CCD 上，從而得到較清晰的時要就必須時，對圖像也進

5、行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，先測量出所要拍(長寬，然后把圖像也等比縮小到與135相機1且便于移動，, 所以算到同的感光面尺寸一樣的大小。這就是后面所講的“兩個等效”。至此，相對于135相機的等效焦距和等效物像大小已知，目標物體的實際大小我們可以實際測得，這樣物距(拍照距離4-6就可以得到。這就是本次實驗的總體思路。2.1圖像中物體大小的確定(圖像中物體大小的確定(圖像的等效圖像的等效先把從數(shù)碼相機讀入計算機進行處理的圖像(JPEG轉(zhuǎn)換為位圖圖像(BMP格式。然后讀取位圖圖像的系統(tǒng)象素(顯示器象素尺寸。根據(jù)需要設(shè)定一個縮放系數(shù)來對圖像進行放大或縮小的處理。在圖像放大時，一個圖像象素用幾個系統(tǒng)象素來顯示；在圖像

6、縮小時，一個系統(tǒng)象素就用來表示幾個圖像象素；在等大顯示時，系統(tǒng)象素和圖像象素才是一對一的顯示。接下來是對鼠標的設(shè)定，使其能夠讀出鼠標點擊處的象素值（橫的象素值和豎的象素值）。這樣通過點擊圖像中的任意兩點都可以確定它們之間的象素差值。假設(shè)點擊的起點的象素值為(x1,y 1，終點的象素值為(x2,y 2,則兩點的象素差值為：D =x 2x 21+y 2y 12如果要測像中物體高有多少個象素，只要點擊讀出它的高點象素值和低點象素值就可以知道。只要用兩點的象素差值D 除以計算機系統(tǒng)分辨(顯示器上每單位長度顯示的象素的數(shù)目率就獲得了這兩點間的距離,即可以確定物體在圖像中的大小。之后把在計算機上所顯示的圖

7、像大小換算成為在CCD 元件上的成像大小，再根據(jù)所使用的數(shù)碼相機的CCD 大小和標準135相機成像面之間的關(guān)系進行換算，從而得出我們在計算機上所選擇的圖像的大小等效到135相機成像面上的圖像大小。這樣我們就得到了所需要的第一個等效，即等效的圖像大小。2.2數(shù)碼相機等效焦距的換算 數(shù)碼相機等效焦距的換算對數(shù)碼相機的焦距進行換算可分為兩類，一類是針對與135相機的感光面的長寬比例相同的數(shù)碼相機(3:2。另一類是針對和計算機顯示器屏幕長寬比例相同的數(shù)碼相機(4:3。對第一類數(shù)碼相機，盡管它們都使用135相機的鏡頭，但視角是不一樣的。把它們的鏡頭焦距換算成等效焦距的依據(jù)是兩者的對角線視角必須相等。設(shè)f

8、 是等效的鏡頭焦距，f 1是數(shù)碼相機鏡頭的真實焦距，d 1是數(shù)碼相機感光面對角線的長度，由三角形的相似性質(zhì)不難得到:(單位mmf 43. 27=f 1d 即f =43. 27d f =f 43. 2711 其中 =稱為鏡頭因子。 1143. 27f 1d ； 145f 1d 。 1在實驗中我們采用的是第二類數(shù)碼相機的對角線視角相等算法。還有一點要注意的是利用數(shù)碼相機進行拍照時，如果我們想改變視角有兩種方法：一種 學(xué)變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對位置來改變鏡頭的焦距。另一種就是改變成像，其實是通過數(shù)碼相機內(nèi)的處理器，把原來CCD 影像感應(yīng)面的大?。ǔ上衩娴膶蔷€長短）器上的一部份象素使用

9、"插值"處理手段做放大,將CCD 影像感應(yīng)器上的象素用插值算法將畫面放大到整個畫面的方法就叫做數(shù)碼變焦。與光學(xué)變焦不同，數(shù)碼變焦是在感光器件垂直方向上的變化，而給人以變焦效果的。感光器件上的面積小，用戶在視覺上就會只看見景物的局部。由于數(shù)碼變焦并未改變焦距，圖像質(zhì)量相對于正常情況下較差。3. 算法的確定. 算法的確定 算法的確定本實驗的目的是測出數(shù)碼相機的拍照距離（物距）小、把圖像等效到與135相機膠片上、學(xué)成像原理上。至此，利用光學(xué)成像的知道目標物體高Q、等效焦距F 和在135們可以通過一些已知的參量獲得F 和q 機感光面對角線長；d 是數(shù)碼相機感光面對角線的長；q 是圖

10、像中物體的大?。ㄒ话闳∥锔撸?；D圖(3 成像關(guān)系Fig.3 The relationship between image and (象素/毫米。q =q /(L34. 61； 由圖(3可知L34. 61是由圖像到135相機感光面的縮小比例；面上的大小。由圖(4，知U =FQ q ，4. 實驗. 實驗 實驗 根據(jù)上述理論分析,用V C +6.0編程C -2000ZOO M 具有3倍的光學(xué)變焦和2. CCD 尺寸為1/2英寸，即為4.8mm F 2.0-F 11(W ,2.8-F 11(T ；程序里的放大我們使用了1600*1200象素的分辨率進行拍攝。圖(53X 光學(xué)變焦和2. 5X 數(shù)碼變焦（

11、合7. 5。經(jīng)過圖像處理確定圖像中物體的大步驟后，最終又回到了光本原理結(jié)合前面的分析，可知要測出物距U ，只要膠片上物體的像高q 即可。由前述分析我F =43. 27fd, F 是等效焦距；43. 27是135相f 是數(shù)碼相機的物理焦距，q =D r，為被測物體兩點間的象素差；r 是顯示器的分辨率q是被拍攝物體在135相機感光可得出拍照距離（物距）U 7-10。 等效焦距FOLY MP US 的數(shù)碼變焦，其廣角端物理焦距為6. 5mm,感光面4mm ，其對角線的長為8mm ，光圈范圍為 倍數(shù)就是變焦數(shù)。在拍攝時使用F 4.8的光圈值。. 1是用OLY MP US C-2000ZOO M 以人高

12、為測量對象。釋放鼠3數(shù)碼相機的等效焦距轉(zhuǎn)換等基相機感光的值:既計算，得出拍攝距離。本次實驗中所用的5倍×6.X 變焦）拍得的，選取圖中標后將自動彈出程序界面數(shù)據(jù)對話框“數(shù)碼定標”圖(5.2。輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，點擊確定后即可得到實驗結(jié)果。圖(5.1 實驗用圖圖(5.2 程序界面示例中實際測得人高為1715mm, 拍照 距離為50000mm, 實驗顯示拍照距離為50998.371969mm,誤差為0.019967。依此方法，我們進行了兩組實驗。其結(jié)果如圖(6所示：3.50%3.00%小 大2.00%差誤1.50%對相1.00%0.50%0.00%0%3.00%2.40%小

13、大1.80%差誤1.20%對相0.60%0.00%3m-50m測量距離(單位m 第一組近拍，范圍從0.5m 到2.5m。平均相對誤差為1.8%；第二組拍照范圍從3m 到50m。平均相對誤差為1.6%。5. 結(jié)果分析. 結(jié)果分析 結(jié)果分析使用數(shù)碼相機對已知尺寸的待測物體進行拍攝從而測量其距數(shù)碼相機的空間距離，該技術(shù)十分適合于解決數(shù)字散斑測試技術(shù)在光電檢測中的應(yīng)用研究里所涉及到的由于橋梁到監(jiān)測點之間的距離無法實施測量而遇到的問題，最終為橋梁檢測提供相應(yīng)技術(shù)支撐。該方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，數(shù)據(jù)采集快速，且便于移動，操作方便。且此系統(tǒng)測量精度滿足工程測量要求。通過上述的分析及圖表可以看出主要有以下幾個

14、方面會帶來誤差：調(diào)焦精度、實際測量、手動調(diào)節(jié)的光學(xué)變焦、用鼠標選定圖像中的物體和數(shù)據(jù)的計算處理。因此以上只是階段性的研究成果，我們將進一步研究以解決存在的問題。參考文獻 參考文獻1黃錦，張曉兵，尹涵春，安新偉 基于圖像處理的三維測量方法A 電子器件 2002年12月. 2 張堯禹，張明慧，喬彥峰 一種高精度非接觸位置測量系統(tǒng)A 光學(xué)精密工程2001年10月. 3 吳煥明，方漪 基于計算機視角的圖像測量技術(shù)A 工程圖學(xué)學(xué)報 2002年4月.44Pchome 細說數(shù)碼變焦不很懂談攝影基礎(chǔ)知識EB/OL 兼職編輯 2004-07-17 .http:/www.china- 朱秀昌， 劉峰， 胡棟 數(shù)字

15、圖像處理與圖像通信M 北京郵電大學(xué)出版社， 2002年. 8 康博創(chuàng)作室 Visual C+6.0高級開發(fā)教程M 1999年9月.9馮文灝 數(shù)碼相機實施攝像測量的幾個問題A 測繪信息與工程 2002，27(3 35. 10任四剛，謝利利 自動聚焦在圖像測量中的應(yīng)用A 重慶郵電學(xué)院學(xué)報2002年9月.中圖分類號：TP391.41 文獻標志碼：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