基于圖像處理的激光測距研究與實(shí)現(xiàn)

涂 樸(四川文理學(xué)院達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 ，四川達(dá)州635000)

基于圖像處理的激光測距研究與實(shí)現(xiàn)

涂 樸
(四川文理學(xué)院達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 ，四川達(dá)州635000)

利用激光光源和CCD相機(jī)設(shè)計(jì)出一套測距系統(tǒng).采用激光筆和攝像頭作為測量設(shè)備，利用開源圖像處理庫OpenCV對攝像頭照片進(jìn)行相關(guān)圖像處理，找到激光點(diǎn)在攝像頭成像照片中的位置；然后利用該位置坐標(biāo)信息，建立測距模型，通過幾組已知的測量參數(shù)校正測距公式的參數(shù)，建立激光點(diǎn)成像位置信息和物體與測距系統(tǒng)距離之間的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)測距.

測距；激光測距；圖像處理

0 緒論

警務(wù)辦案人員進(jìn)行案發(fā)現(xiàn)場勘驗(yàn)時(shí)，需要繪制現(xiàn)場勘驗(yàn)圖，目前都是采用手動的形式進(jìn)行.如果這項(xiàng)工作能夠自動進(jìn)行，將會為辦案人員帶來極大的便利.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理技術(shù)日益成熟，該項(xiàng)技術(shù)將變得可能.生成現(xiàn)場勘驗(yàn)圖，就是對房間二維平面內(nèi)物體坐標(biāo)的定位.這里主要涉及到兩個(gè)難點(diǎn)：房間物體的自動識別，以及房間物體坐標(biāo)的定位.可以通過數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行物體的識別.本文主要討論物體定標(biāo)相關(guān)的物體距離問題.為了方便討論，假設(shè)房間平面圖為矩形，如圖1(a),假設(shè)測量點(diǎn)O到墻角A，B，C，D的距離已知，即L1，L2，L3，L4已知，且θ1，θ2，θ3，θ4已知，我們便可以求解出該多邊形的邊長.同理，假設(shè)房間內(nèi)目標(biāo)物體M，到觀測點(diǎn)O的距離OM已知，OB旋轉(zhuǎn)到OM的夾角已知的話，M點(diǎn)在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)便可以求解得到.[1]當(dāng)我們在實(shí)際測量的時(shí)候，攝像頭不可能落在在房間平面上，其示意圖如圖1(b)所示 O點(diǎn)為攝像頭所在的位置，A，B，C，D為房間的四個(gè)角，M點(diǎn)為房間待測內(nèi)物體所在的位置，還是同上面的假設(shè)一樣，在三角形MBO中，L1和L2為

圖1 房間距離測量模型示意圖

已知，L1，L2之間的夾角θ已知，則可以算出MB的長度，同理在三角形AMO中，可以求得AM的長度，在平面ABCD內(nèi)，三角形AMB，AM，BM已知，同理我們假設(shè)角AMB為已知，則可以求得M點(diǎn)的坐標(biāo).[2]通過上面的分析我們知道，要進(jìn)行物體定標(biāo)，我們需要測得距離和角度，測量角度可以借助陀螺儀工具，本文設(shè)計(jì)了一種距離測量方法.

1 基于攝像頭的激光測距原理

本文提出一種距離測量的方法：基于攝像頭的激光測距.圖2所示，為激光測距原理.

圖2 激光測距原理示意圖

激光束被認(rèn)為是理想的平行于攝像頭的中心光軸.一束激光被投射到目標(biāo)物上，并在攝像頭上被顯示，那么這個(gè)點(diǎn)的位置在圖幀中的位置是確定的.然后我們只需要計(jì)算這個(gè)點(diǎn)在沿著y軸的距離，就能計(jì)算出目標(biāo)物離攝像頭的距離，激光點(diǎn)距離中心越近，離目標(biāo)物越遠(yuǎn).假設(shè)，激光點(diǎn)在CCD上的成像到CCD成像中心的距離為假如我們的激光筆安裝在攝像頭的正上方的中心位置處，即不論距離多遠(yuǎn)，激光在CCD上面的成像，只是在Y軸方向發(fā)生偏移，而在X軸方向坐標(biāo)位置是固定的，同理，若裝在攝像頭的左邊或者右邊，激光點(diǎn)在攝像頭上的成像只是在X軸方發(fā)生偏移，而在Y軸方向是不變的，以下公式便可以求得攝像頭到目標(biāo)物體的距離，如公式1、2所示.

θ=p*k+r

(2)

其中k為單個(gè)像素點(diǎn)代表的弧度，p為激光成像點(diǎn)到成像中心之間像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，r為安裝角度補(bǔ)償，h激光中心到攝像頭中心的距離.(如果垂直安裝，即為垂直距離，如果水平安裝，即為水平距離)代入上式即可求出距離D的表達(dá)式，如式(2)所示.

(3)

2 關(guān)鍵問題研究

從上面的討論中，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)安裝高度固定時(shí)，求出激光點(diǎn)在CCD上的成像到CCD成像中心的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，便可以求得激光點(diǎn)到目標(biāo)物體的距離，實(shí)驗(yàn)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，是不能夠?qū)CD上面的成像進(jìn)行直接處理，而是通過處理相機(jī)的照片，由于CCD上面的成像和照片是等比例放大的，經(jīng)過多次試驗(yàn)已經(jīng)論證，對照片進(jìn)行處理的模型依然遵循上述的規(guī)律.

準(zhǔn)確的找到激光點(diǎn)在相片中的成像位置是進(jìn)行激光測距的關(guān)鍵.利用激光點(diǎn)的成像，以及激光源安裝位置這兩個(gè)特點(diǎn)，可以對激光點(diǎn)成像位置進(jìn)行定位.不難發(fā)現(xiàn)，激光點(diǎn)在照片中的成像比較接近白色.因此，首先通過設(shè)置合適的閥值，對成像圖片進(jìn)行圖像二值化，將圖片變成黑白顏色.然后通過平滑處理過濾小噪聲的干擾，高斯采樣，膨脹處理，消除目標(biāo)不連續(xù)產(chǎn)生的空洞；查找輪廓，定位到激光點(diǎn)的像在照片中的位置，然后根據(jù)前面討論的X軸坐標(biāo)不變性(垂直安裝時(shí))，進(jìn)行進(jìn)一步的過濾.[3-6]圖3分別為程序?qū)D形進(jìn)行相關(guān)處理的系列過程.

圖3 圖像處理效果截圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中，采用的是用激光筆和攝像頭組合成的一個(gè)簡單的測距系統(tǒng)，本文攝像頭分辨率為1920*1080.在實(shí)驗(yàn)過程中，需要根據(jù)已知的一組點(diǎn)，來對參數(shù)k和r0進(jìn)行標(biāo)定，來提高測量精度.如表1所示，將擋板依次放在實(shí)測距離40cm-740cm處，通過程序獲取激光筆在擋板上成像點(diǎn)距離中心點(diǎn)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而求得擬合的參數(shù)k和r0.

表1 實(shí)測像素點(diǎn)個(gè)數(shù)和實(shí)際距離的關(guān)系表

根據(jù)上表，已知激光筆的安裝位置到攝像頭的距離為7.6cm，兩組數(shù)據(jù)帶入到公式求出系數(shù)k和r0，通過距離公式，便可以進(jìn)行距離測量.

圖4 數(shù)據(jù)擬合曲線

圖4為根據(jù)已知數(shù)據(jù)對進(jìn)行的數(shù)據(jù)擬合曲線.通過擬合曲線可以看出，擬合曲線效果非常好，因此，所求的的擬合系數(shù)滿足之前的討論，可以運(yùn)行到實(shí)際測距系統(tǒng)中.

4 總結(jié)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種安裝方法，該儀器的有效測量范圍為20cm-500cm，該范圍內(nèi)的測量誤差為5cm，此處實(shí)驗(yàn)采用的攝像頭分辨率為1920*1080，為了提高精度，可以選用更高分辨率的攝像頭.或者將激光筆安裝在攝像頭的左側(cè)或者右側(cè)，由于試驗(yàn)器材制作上的原因，此處我們將激光筆安裝在攝像頭的正上方，此處可以；另外增大激光筆和攝像頭之間的距離，可以測得更遠(yuǎn)，但是會犧牲近距離的測量精度和最小測量范圍；由于很多場合距離的測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過500cm范圍，此處提出一種方案：安裝激光筆時(shí)，讓激光筆打出的光線和攝像頭的光軸之間保持一定的夾角，然后通過測得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，該種方式不但可以增加測量的范圍，還能夠提高測量精度.

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[責(zé)任編輯 范 藻]

Research and Implementation of Laser Ranging Based on Image Processing

TU Pu

(Dazhou Intelligent Manufacturing Industrial Technology Institute of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

In this paper, a feasible ranging system is designed by using laser and CCD camera. A laser pen and a camera was used as the measurement devices and processing the photo generate by the camera by using the open source image processing library OpenCV to find the position of the laser spot in the camera images; and then using the position coordinates information and the range models to find the formula parameters by the using of a few sets of known measurement parameters. As a result, we can establish the function between the position of the laser spot image information with the distance between the laser and the objects to be measurement. Then the goal of the ranging will be achieved.

distance measurement; laser ranging; image processing

2016-11-20

四川省教育廳項(xiàng)目(14ZB0314)；四川文理學(xué)院校級項(xiàng)目(2014Z004Y)

涂 樸(1984—)，女，四川達(dá)州人.講師，碩士，主要從事智能控制技術(shù)研究.

TP391

A

1674-5248(2017)02-0042-03