一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统，涉及测距技术领域。通过双目摄像头拍摄差值图像，传输到Raspberry Pi上后通过OpenCV计算机视觉库进行处理，经用户选择区域后显示出测距数值，便捷测量且适用性高。

An Embedded Ranging System Based on Binocular Machine Vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统
本专利技术涉及测距
，具体是一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统。
技术介绍
在非接触测距系统中，超声波测距的精度较低，且受温度和风向等环境因素的影响较大，所测物体表面必须水平，且多个超声波会相互干扰，不能同时检测。激光测距的检测最小距离过大，难以测量较近距离的物体，且受太阳光线影响较大，受所测物体表面颜色影响较大。传统的双目视觉测距由于需要PC计算支持，适用性较低。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统。本专利技术是以如下技术方案实现的：一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统，通过双目摄像头拍摄差值图像，传输到处理器上后通过OpenCV计算机视觉库进行处理，经用户选择区域后显示出测距数值；具体如下：(1)图像获取单元，用于通过检测相机获取双目图像；(2)目标区域截取单元，用于从双目图像中截取目标区域，截取的目标区域包括获取模板图像和被测区域图像；(3)匹配单元，匹配最佳匹配的目标图像；(31)构造一个3x3的卷积核；(32)用窗口覆盖左边的图像,选择出窗口覆盖区域内的所有像素点；(33)同样用窗口覆盖右边的图像并选择出覆盖区域的像素点；(34)左边覆盖区域减去右边覆盖区域，并求出所有像素点灰度差的绝对值之和；(35)移动右边图像的窗口，重复步骤(33)-(44)的处理；(36)找到这个范围内SAD值最小的窗口,即找到了左图锚点的最佳匹配的像素块；其中SAD值计算如下：S(x,y)是大小为m*n的搜索图像，T(s,t)是M*N的模板图像，D(i,j)是平均绝对差(4)视图偏差计算单元，根据最佳匹配的目标图像坐标对应关系获取双目图像之间的视图偏差；(41)准备标定图片(42)对每一张标定图片，提取角点信息(43)对每一张标定图片，进一步提取亚像素角点信息(44)在棋盘标定图上绘制找到的内角点，(45)相机标定，建立两个标定矩阵Q公式如下：其中cx、cy为原点的水平和垂直偏移量，f为焦距，摄像头中心距为TxQ为标定矩阵，cx、cy为原点的水平和垂直偏移量，f为焦距，摄像头中心距为Tx(5)距离测量单元,根据视图偏差、双目相机成像点距离对被测目标距离进行测量；双目视觉的计算公式如下：d＝x1-x2其中，d为视差，即双目摄像头对应的点的距离之差，Z为测量的深度，x1、x2为两个摄像头上对应的坐标，f为焦距。优选的，所述处理器采用RaspberryPi嵌入式主板作为处理核心，RaspberryPi一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个100以太网接口，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。本专利技术的有益效果：该系统通过双目摄像头拍摄差值图像，传输到RaspberryPi上后通过OpenCV计算机视觉库进行处理，经用户选择区域后显示出测距数值，便捷测量且适用性高。附图说明图1是本专利技术流程框图；图2是相机直角坐标系图3是空间直线示意图图4是双目成像原理简化演示图；图5是图像坐标系与像素坐标系图；图6是双目相机左右视图物体所对应的位置图；图7是图像矫正的模型图。具体实施方式双目机器视觉的设计原理双目检测双目摄像头的原理与人眼相似。人眼能够感知物体的远近，是因为两只眼睛对观察同一个物体呈现的图像有着一定的差异。物体距离越远，视差越小；反之，视差越大。视差的大小与眼睛之间距离的远近成线性相关。根据这个原理，双目检测需要用到一对摄像头，称为双目相机。双目相机可安放在环境中的任何位置,故要在环境中选择一个基准坐标系来描述双目相机的位置，在双目相机的成像系统中，存在着四个坐标系，它们分别是：像素坐标系(u,v)、成像平面坐标系(x,y)、相机坐标系(Xc,Yc,Zc)与物理坐标系(Xw,Yw,Zw)，如图1所示用齐次矩阵表示则为：其逆关系可表示为：(u0,v0)代表在像素坐标系下的坐标，dx与dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y上的物理尺寸。光学标定1.空间坐标轴的建立建立如图2的相机直角坐标系，令其原点为O。过点O的z轴与像平面相交于点H，则光学中心到像平面的距离f＝OH。由此可知，像平面的几何中心就是点H。在像平面坐标系中，在像平面中以H为原点建立像平面的平面坐标系，显示的横坐标长度是1024(像素单位)，纵坐标长度768。故在像平面有一个x∈(-512，512)，y∈(-384，384)长方形成像范围。对于在这个范围内的任意一点，都可以求出其具体的坐标。2.求解直线方程设圆B在像坐标平面上投影的圆心为B′。从投影B′的边线上任意选取四个点P1,P2,P3,P4。每个点的坐标为P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3),P4(x4,y4,z4)，这些坐标的数值是固定的。对应的四条直线的方程分别为：LOP1、LOP2、LOP3、LOP4分别为从O点到四个点P1,P2,P3,P4的直线方程，x,y,z为坐标。与靶标上的圆平行的圆有很多个，因此要先从所给的四条线中选中一条直线并任意选取其中一个点，保证靶标上的圆平行且过该点的圆是唯一的。为方便计算，这里选直线OP1上的点P1(x1,y1,z1)，令参数t1＝1，所以点P11与P1重合，是同一个点。如图3所示。可求出的三个交点的坐标(也就是ΔEFG的定点坐标)依次为：E(-49.62,-23.49,-417.20)F(-49.71,-23.59,-417.20)G(-49.54,-23.57,-417.20)显然也可由以上条件求出中垂线两两相交的第三个交点G的坐标。如图6所示，三条垂直平分线的交点E、F、G构成三角形ΔEFG，三个点的坐标值都是已知的，那么三条边的长度可由坐标值求出ΔEFG的外接圆圆心B0的坐标是：(-49.628,-23.5788,-417.196)比较三条边EF、EG、FG的长度大小，选出其中的最大值，放入到集合Γ中去。利用问题一中的算法，可以求得合适范围内的所有过点P11的三角形ΔEFG的三条边的最大值，这样就有集合Γ＝{l1,l2,l3…li}，选出最大值集合Γ中的最小值lmin＝MinΓ{l1,l2,l3…li},则得出这个最小值lmin的三角形的中垂线的交点就是所求的圆B0的圆心,即可完成目标点在像平面上的光学标定。双目成像模型物理世界对象的三维坐标可用双目立体视觉确定。如图4是双目立体视觉原理图假设两相机的内部和外部参数完全相同，焦距为f，光心之间的距离(基线)为B，相机共面，即同一时刻空间点P(x,y,z)在两相机上成像点分别为Xeft和Xight。由三角几何关系有视差为D，焦距为f，光心之间的距离(基线)为B，相机共面，即同一时刻空间点p(x,y,z)在两相机上成像点分别为Pleft和Pright，Xleft和Xright是Pleft和Pright的x坐标，x,y,z代表世界坐标的水平、垂直、深度信息。根据上述推导，要求得空间点P离相机的距离(深度)z，必须知道：1、相机焦距f，左右相机的基线b(可以通过先验信息或者相机标定得到)。2、视差：D＝x1-xr，即左相机像素点(xl,yl)和右相机中对应点(xr,yr)的关系，这是双目视觉的核本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统，其特征在于：通过双目摄像头拍摄差值图像，传输到处理器上后通过OpenCV计算机视觉库进行处理，经用户选择区域后显示出测距数值；具体如下：(1)图像获取单元，用于通过检测相机获取双目图像；(2)目标区域截取单元，用于从双目图像中截取目标区域，截取的目标区域包括获取模板图像和被测区域图像；(3)匹配单元，匹配最佳匹配的目标图像；(31)构造一个3x3的卷积核；(32)用窗口覆盖左边的图像,选择出窗口覆盖区域内的所有像素点；(33)同样用窗口覆盖右边的图像并选择出覆盖区域的像素点；(34)左边覆盖区域减去右边覆盖区域，并求出所有像素点灰度差的绝对值之和；(35)移动右边图像的窗口，重复步骤(33)‑(44)的处理；(36)找到这个范围内SAD值最小的窗口,即找到了左图锚点的最佳匹配的像素块；其中SAD值计算如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于双目机器视觉的嵌入式测距系统，其特征在于：通过双目摄像头拍摄差值图像，传输到处理器上后通过OpenCV计算机视觉库进行处理，经用户选择区域后显示出测距数值；具体如下：(1)图像获取单元，用于通过检测相机获取双目图像；(2)目标区域截取单元，用于从双目图像中截取目标区域，截取的目标区域包括获取模板图像和被测区域图像；(3)匹配单元，匹配最佳匹配的目标图像；(31)构造一个3x3的卷积核；(32)用窗口覆盖左边的图像,选择出窗口覆盖区域内的所有像素点；(33)同样用窗口覆盖右边的图像并选择出覆盖区域的像素点；(34)左边覆盖区域减去右边覆盖区域，并求出所有像素点灰度差的绝对值之和；(35)移动右边图像的窗口，重复步骤(33)-(44)的处理；(36)找到这个范围内SAD值最小的窗口,即找到了左图锚点的最佳匹配的像素块；其中SAD值计算如下：S(x,y)是大小为m*n的搜索图像，T(x,y)是M*N的模板图像，D(i,j)是平均绝对差(4)视图偏差计算单元，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张逸航，滕道祥，张宁，滕腾，杜浩宇，徐洪亮，
申请(专利权)人：徐州工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32