基于静态图像的CCD 激光测距方法的研究

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1、基于静态图像的CCD激光测距方法的研究12田原嫄，谭庆昌(吉林大学南岭校区机械科学与工程学院长春130025)摘要：随着测量技术的迅猛发展，现今对三维深度的测量常用激光测距法。然而，固定摄像机电荷耦合型CCD器件是一种集成电路，通过CCD可以实现光电转换信号储存、转移（传输）、输出、处理以及电子快门等一系列功能，CCD数据率可调。因此，CCD可适用于动态、静态等各种条件下的尺寸测量。鉴于此，本文从物理光电学及数学角度，采用CCD激光测距法，推导了基于静态图像的CCD激光测距的通用公式。该算法的最大优点是无需进行复杂的迭代计算

2、，大大降低了计算量，且有效的提高了测量精度。分析表明：该方法计算简单、易于实现、实用价值高。关键词：三维深度，激光测距，CCD中图分类号：TN241文献标识符：A1.引言我国光电测距仪的研制开始于1958年，直至70年代才出现了突破性的进展。1974年12月JCY-2型激光测距仪研制成功，该仪器与当时国外显有威望的AGA-8型激光测距仪相媲美。但是，近年来我国对三维深度测量技术的发展还是较国外对此方面的研究及应用稍缓一步，致使我国要以高价从国外引进此类产品。因此，对于三维深度测量核心技术在我国的研究是非常必要的。三维深度测量

3、的研究方法尚未纯熟，目前已提出的比较接近国际技术水平的方法有：光[1、2、3、4][5、6][7、8]学散焦法、激光测距法和双目立体视觉法。本文提出的基于静态图像的CCD激光测距法是基于结合激光和CCD的优势考虑的。激光具有方向性强、单色性好、高亮度、良好的相干性，可以进行空间测距，用于精密的长度测量和各种计量工作。CCD器件是一种固体化器件，具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等一系列优点。具有理想的“扫描”线性，可进行行向寻址，可变换“扫描”速度，畸变小，尺寸重现性好，特别用于尺寸测量、定位和成像传感等方面

4、。CCD器件的光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度，比如东芝的2048位CCD的光敏元间距可达14µm，5000位CCD可达7µm。CCD数据率可调，因此可适用于动态、静态等各种条件下的测量，而且还可以利用电子快门面阵CCD系统实现高速瞬态的记录。2.静态图像测距的几何模型像平面相机镜头平面f(x,y)(x0,y0)α镜头中心光轴pP’dθh图1静态图像测距几何模d1静态图像测距几何模型中在像平面坐标系里，点(x,y)是光轴与像平面的交点，点00()x,y表示被测目标上任意一点p在像平面的投影坐标，f表

5、示摄像机的有效焦距，摄像机的俯仰角度大小等于α，h表示摄像机镜头的安装高度，θ表示镜头到地面垂线与镜头中心到被测点在水平地面上投影的连线间的夹角，d表示被测目标上一点p与镜头中心的水平距离。3.基于静态图像CCD激光测距算法根据点p与镜头中心的水平距离d的几何关系计算公式为：d=h/tg(α+arctg((y−y)/f))①0设θ()u,v是摄像机光轴与像平面交点(x,y)夹角的帧存坐标，设帧存中的一个像素对应0000于像平面在X轴与Y轴方向上的物理尺寸分别为dx,dy。（u,v）像平面上任意一点对应的帧存坐标，则有xu=+

6、u0dxyv=+v②0dy联立①、②得d=h③tg(α+arctg(((v−v)dy−y)/f)00帧存坐标可由图像处理获得。v,f为内部参数，基于CCD摄像机内部参数标定方法，在离0线状态下标定出摄像机的内部参数。(Aγ−Aγ).Z212222210v=④0γγ−γγ31323221Ax+Ay+Az+A11121314u=Ax+Ay+Az+1313233Ax+Ay+Az+A21222324v=⑤Ax+Ay+Az+1313233将各个控制点的空间坐标与图像帧存坐标代入上式，可得一个线性方程组，Ax+Ay+Az+A−Axu−A

7、yu−Azu=u11121314313233Ax+Ay+Az+A−Axv−Ayv−Azv=v⑥21222324313233[9]用最小二乘法可以求Aij,A表示世界坐标系到计算机帧存坐标系的转换矩阵。uγ−kγuγ−kγuγ−kγuz+kx0311110321120331130010A=，A=，A=，A=11121314−z−z−z−z00002vγ−kγvγ−kγvγ−kγ031221032222033223A=，A=，A==fγ，21222323−z−z−z000vz+kyγγγ0020313233A=，A=，A=，A=

8、24313233−z−z−z−z0000⎡γ11γ12γ13⎤⎢⎥其中，矩阵R=γγγ表示世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵。f表示有效⎢212223⎥⎢γγγ⎥⎣313233⎦22212221焦距。由于A+A+A=(γ+γ+γ)=31313323132332ZZ001所以Z=±0222A