專利名稱：一種測距裝置、測距系統(tǒng)及其測距方法
技術領域：
本發(fā)明涉及距離測量的技術領域，具體涉及一種測距裝置、測距系統(tǒng)及其測距方法。
背景技術：
關于測定距離的方法和儀器，大致可以分為兩類，S卩，連續(xù)調整飛行時間法和立體圖像法。連續(xù)調整飛行時間法的調制儀器包括光源發(fā)射器和光源接收器。接收器接收從目標物體反射回來的光線，并測量光線從目標物體到接收器之間所需的時間，并由此計算儀器和目標物體之間的距離。這種方法的優(yōu)點是場景中的每個物體的距離都可以得到精確測量。局限性在于，光線發(fā)射器的功率對測量距離或多個目標的同時測量有很大的限制，而且這種方法屬于侵入性測量。所謂侵入性測量，指測量手段影響到測量目標，從而被測量目標感知到；例如激光、雷達、聲波測量等，通過向測量目標發(fā)生激光等信號以測量目標的距離，但是發(fā)出的激光信號影響到測量目標，也容易被測量目標感知到。立體圖像法的圖像儀器一般包括兩個攝像頭，用來捕捉目標圖像。兩幅圖像的差別在于視差角度和對等性，這兩項指標可以用來測定距離。這種方法的優(yōu)點是可以快速測量到場景中的所有目標距離，并且是非侵入性測量。然而，這種方法在已有技術中，通常僅用于測量近距離物體的間距。然而，當測量目標較遠時，測量精度不足。眾所周知，三角測量方法可以用來測量距離、高度和相關角度。早在公元263年，也就是大約1800年前， 正如劉暉一幅畫中所證明的，這種應用視線來測量角度的方法已經建立起來了。然而，這種方法只能測量點對點的情況，并且不能快速自動地測出場景中的所有物體的距離。攝影測量的方法利用攝像儀器進行測繪和監(jiān)測，但是這種方法通常不是實時的，并不是專門用于距離修正功能的。利用數碼相機測量大范圍、遠距離的優(yōu)點有很多。這種方法可以捕捉到所有的信息，從而計算出場景中幾乎所有物體間的距離，而且，這種測量方法是非侵入性的。而隨著計算機技術和極大規(guī)模集成電路的發(fā)展，由此而產生的運算量也是微不足道的。數碼相機在已有技術中是眾所周知的，并且已經越來越多地應用到手機和其他移動設備中。多鏡頭多傳感器數碼相機的發(fā)明已經得到美國專利的授權(授權號:N0.6，611，289名稱:使用多鏡頭多傳感器的數碼相機)。發(fā)明人:于燕斌等人。在1999年I月，這是首個申請利用多鏡頭、多傳感器技術來獲取數字圖像的專利。在這個專利中，多重圖像數據通過多傳感器、多鏡頭獲取，并通過圖像處理器處理后，輸出最終的圖像。多鏡頭多傳感器技術的優(yōu)點很多，如高分辨率、高動態(tài)范圍、靈活和寬廣的視角等等，都可以在本發(fā)明得到最好的應用。很顯然，以下三個要素將使得基于測距的計算機視覺方案變得可行:立體視覺法和三角測量法的先進算法，高速計算機和低功率損耗的超大規(guī)模集成電路，和帶多鏡頭多傳感器的高性能數碼相機。這種使用多鏡頭多傳感器進行距離修正、測量、勘測和測繪功能的新架構和范例，將逐漸突顯出來，并做出前所未有的成就。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的之一在于設計一種方便測量的測距裝置。本發(fā)明的目的之二在于設計一種方便測量，具有可擴展基線長度的測距系統(tǒng)。本發(fā)明的目的之三在于設計一種方便測量的測距方法為實現本發(fā)明的目的之一所采用的技術方案:一種測距裝置，包括第一攝像部和第二攝像部，其中第一攝像部包括一個或多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，第二攝像部包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器；第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于兩個表面，兩個表面位于兩個基座或位于同一個基座上，且這兩個表面之間形成角度已知的夾角；包括信號處理器，與各攝像部連接，用于控制攝像部的拍攝動作，以及接收傳感器拍攝的圖像信號并計算出目標物體的距離。優(yōu)選的，所述兩個表面形成的夾角為銳角、直角或鈍角；攝像鏡頭設于夾角的外側面，朝向夾角的外側。優(yōu)選的，包括識別裝置，與所述基座拆卸連接。優(yōu)選的，所述識別裝置可以為球狀、星形、多邊形等結構，主要起標記作用，方便識另O。識別裝置通過支撐桿連接于第一基座的上方。計算兩個測距裝置之間的距離時，以兩個標記裝置所在位置為計算點，從而避免了測距裝置過大不方便識別的問題。優(yōu)選的，所述基座為移動通信終端。優(yōu)選的，所述移動通信終端為手機；所述手機為翻蓋式手機，第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于翻蓋式手機的機身和蓋體上；或，所述手機為直板式手機，第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于兩個直板式手機上，該兩個直板式手機通過卡合結構連接。優(yōu)選的，所述手機為直板式手機時，兩個直板式手機之間通過相互接觸的物理介質傳輸信號，或通過無線的方式傳輸信號；兩個直板式手機之間采用實時或半實時的方式傳輸信號。其中，相互接觸的物理介質應該理解為看得見、有形的物理介質。半實時意味圖片的傳輸而不是視頻的傳輸。在信號傳輸領域，攝影的同步是必需的，一般采用實時的方式傳輸信號，但是圖像相互的傳輸方式可以是非實時的。視頻的傳輸一般是實時的，圖片一般是非實時的或半實時的。無論是何種方式的信號傳輸方式，接收設備接收到信號的時間，其延時是肯定的。對于實時的方式而言，如語音通信，其延時是受到某些參數限制的。但對于半實時而言，由于其通信信道的條件不確定，每次接受到信號的時間會有所不同，可見其延時是不確定的。以SMS為例，SMS是一種存儲和轉發(fā)服務，也就是說，信息的傳輸并不是直接從發(fā)送設備發(fā)送到接收設備的，而始終通過SMS中心進行轉發(fā)。如果接收設備處于未連接狀態(tài)，則信息將在接收設備再次連接時發(fā)送。為實現本發(fā)明的目的之二所采用的技術方案為:一種測距系統(tǒng)，由兩個所述的測距裝置組成，每個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向另一測距裝置；每個測距裝置還包括無線信號發(fā)射接收裝置，與信號處理器連接，用于兩個測距裝置之間傳輸信號。優(yōu)選的，每個測距裝置均包括識別裝置，與基座拆卸連接；第二攝像部朝向另一測距裝置的識別裝置。優(yōu)選的，兩個測距裝置的第一攝像部均包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，不同攝像鏡頭具有不同的焦距。為實現本發(fā)明的目的之二所采用的技術方案為:一種測距系統(tǒng)，包括兩個所述的測距裝置以及標記裝置，每個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向標記裝置；每個測距裝置還包括無線信號發(fā)射接收裝置，與信號處理器連接，用于兩個測距裝置之間傳輸信號。優(yōu)選的，兩個測距裝置的第一攝像部均包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，不同攝像鏡頭具有不同的焦距。優(yōu)選的，所述標記裝置上設有多個標記物，不同標記物具有不同顏色。標記物可以是球狀、星形、多邊形等結構，主要起標記作用，方便識別。為實現本發(fā)明的目的之三所采用的技術方案為:方案一一種測距方法，包括測距裝置該方法包括如下步驟:步驟一、選取第一拍攝點，將測距裝置置于第一拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，處理器控制第一攝像部拍攝，獲得待測目標的拍攝圖像；步驟二、選取第二拍攝點，將測距裝置置于第二拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向第一拍攝點，處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得待測目標和弟一拍攝點的拍攝圖像；步驟三、處理器依據步驟二獲得的第一拍攝點的圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度。步驟四、處理器依據步驟一中獲得的待測目標的拍攝圖像，計算出以第一拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大?。惶幚砥饕罁襟E二中獲得的待測目標的拍攝圖像，計算出以第二拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大小；步驟五、處理器依據上述步驟算出的夾角大小和基線長度，利用三角形邊角關系的原理計算出待測目標和兩個拍攝點之間的距離。方案二一種測距方法，包括測距裝置和識別裝置，該方法包括如下步驟:步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點；步驟二、將測距裝置置于第一拍攝點，而識別裝置置于第二拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向識別裝置；處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得第一組待測目標和識別裝置的拍攝圖像；步驟三、將測距裝置置于第二拍攝點，而識別裝置置于第一拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向識別裝置；處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得第二組待測目標和識別裝置的拍攝圖像；步驟四、處理器分別依據第一組或第二組識別裝置的拍攝圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，取兩次計算的平均值，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度；
步驟五、處理器依據第一組待測目標的拍攝圖像，計算出以第一拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大??；處理器依據第二組待測目標的拍攝圖像，計算出以第二拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大?。徊襟E六、處理器依據步驟五算出的兩個夾角的大小，以及步驟四算出的基線長度，利用三角形邊角關系的原理計算出待測目標和兩個拍攝點之間的距離。優(yōu)選的，所述識別裝置是點狀物，或是長度已知的物品。其中點狀物，如圓球狀或近似圓球狀的物體。長度已知的物品，如桿狀或近似桿狀的物體，其上兩點之間的距離是已知的。還可以將點狀物設于長度已知物體上，如桿狀體的兩端。方案三一種測距方法，包括測距系統(tǒng)，測距系統(tǒng)包括第一測距裝置和第二測距裝置，該方法包括以下步驟:步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點；步驟二、第一測距裝置置于第一拍攝點，第二測距裝置置于第二拍攝點；兩個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向另一測距裝置；步驟三、處理器控制兩個測距裝置的所有攝像部同時拍攝，獲得拍攝圖像；步驟四、其中一個測距裝置將拍攝獲得的圖像信號通過相互接觸的物理介質或通過無線信號發(fā)射接收裝置傳輸給另一個測距裝置，該接收到拍攝圖像的測距裝置為主測距裝置；步驟五、主測距裝置分別依據第一測距裝置或第二測距裝置的第二攝像部拍攝獲得的圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，取兩次計算的平均值，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度；步驟六、主測距裝置依據步驟五算得的基線長度和兩個測距裝置的第一攝像部拍攝獲得的待測目標的圖像，計算出待測目標和兩個拍攝點的距離。該步驟的計算方法參照上述方案二所述測距方法的步驟五和步驟六。優(yōu)選的，包括校正的步驟:拍攝前，對每個攝像部進行校正，記錄其焦距和聚焦孔徑的參數，以及傳感器上像素位置對應的實測角度；將校正記錄的數據傳輸給測距裝置，用于修正主測距裝置的計算結果。優(yōu)選的，根據算得的基線的長度和待測目標與兩個拍攝點的距離，重新選取第一拍攝點和第二拍攝點，使基線的長度大于待測目標與兩個拍攝點距離的十分之一，重復步驟二至步驟六，此時所測為最終結果。方案四一種測距方法，包括測距系統(tǒng)，測距系統(tǒng)包括第一測距裝置、第二測距裝置和標記裝置，該方法包括以下步驟:步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點；步驟二、第一測距裝置置于第一拍攝點，第二測距裝置置于第二拍攝點，標記裝置置于兩個拍攝點之間；兩個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向標記裝置；步驟三、處理器控制兩個測距裝置的所有攝像部同時拍攝，獲得拍攝圖像；步驟四、其中一個測距裝置將拍攝獲得的圖像信號通過相互接觸的物理介質或通過無線信號發(fā)射接收裝置傳輸給另一個測距裝置，該接收到拍攝圖像的測距裝置為主測距裝置；步驟五、主測距裝置依據兩個測距裝置拍攝獲得的標記裝置的圖像，計算出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度；步驟六、主測距裝置依據步驟五算得的基線長度和兩個測距裝置的第一攝像部拍攝獲得的待測目標的圖像，計算出待測目標和兩個拍攝點的距離。該步驟的計算方法參照上述方案二所述測距方法的步驟五和步驟六。優(yōu)選的，包括校正的步驟:拍攝前，對每個攝像部進行校正，記錄其焦距和聚焦孔徑的參數，以及傳感器上像素位置對應的實測角度；將校正記錄的數據傳輸給測距裝置，用于修正主測距裝置的計算結果。優(yōu)選的，根據算得的基線的長度和待測目標與兩個拍攝點的距離，重新選取第一拍攝點和第二拍攝點，使基線的長度大于待測目標與兩個拍攝點距離的十分之一，重復步驟二至步驟六，此時所測為最終結果。優(yōu)選的，所述標記裝置是點狀物，或是長度已知的物品。其中點狀物，如圓球狀或近似圓球狀的物體。長度已知的物品，如桿狀或近似桿狀的物體，其上兩點之間的距離是已知的。還可以將點狀物設于長度已知物體上，如桿狀體的兩端。優(yōu)選的，本申請所述的攝像部獲取待測目標的圖像包括，通過拍照的方式獲取，或通過截取攝像視頻中圖像的方式獲?。焕?，可以邊拍攝視頻邊截取視頻中的圖像，如此實現實時測距的效果更好。本發(fā)明是具有多鏡頭多傳感器的測距方法和測距設備。測距裝置由兩個或兩個以上的鏡頭和傳感器組組成，并根據設備所產生的圖像或多組儀器產生的圖像組來完成多個三角操作計算。該儀器同時采集目標物體和參考點的圖像，可以準確測量并再次編碼目標物體和基準線之間的角。該儀器可以自動找到對應點并使用三角測量計算距離。該方法非常嚴謹、快速、準確，并且可以高精度、大測量范圍內高效執(zhí)行測距。本發(fā)明是一項攝像測距系統(tǒng)的發(fā)明，它克服了由多個裝置和數字信號處理方式的立體視覺測量系統(tǒng)的短基線的問題。它是一個基于數碼相機和非侵入測量的距離測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活和擴大的基線實時計算方法，從而獲得高精度的距離或其他信息的測量數據。擴大基線可以由兩個或者更多的多鏡頭相機用一致的方式協(xié)同工作，并且通過實時測量和計算獲得。


圖1為本發(fā)明實施例測距裝置的正面視2為本發(fā)明實施例測距裝置的背面視3為本發(fā)明實施例測距裝置的結構示意4為本發(fā)明實施例測距裝置的測距原理示意5為本發(fā)明實施例測距裝置的測距原理示意6為本發(fā)明實施例測距裝置的測距原理示意7為本發(fā)明實施例測距裝置應用標記物計算基線長度的工作原理8為本標記裝置的結構示意圖
圖9為本發(fā)明實施例測距裝置應用標記物計算基線長度的工作原理10為本發(fā)明實施例測距裝置計算視角值的原理示意圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明:如圖1和圖2所示，為本發(fā)明的一種實施例，測距裝置的結構示意圖，包括第一基座I和第二基座2，本實施例中第一基座I和第二基座2為平板狀結構，并相互垂直設置。兩基座的外側均設有多個攝像頭，分別為所述的第一攝像部和第二攝像部。如圖1所示，第一基座I的外側面上均勻設有五個攝像頭，其中包括兩個長焦距攝像頭4和三個短焦距攝像頭3 ;第二基座2的外側面上亦均勻設有五個攝像頭5，均為短焦距攝像頭。圖1中還包括一個識別裝置6，具體為一個球狀的識別裝置，設于第一基座I的上側，作為計算兩個測距裝置之間基線長度的端點。如圖2所示，第一基座I的內側面上設有IXD顯示屏8，用于顯示、操作，觸控等。顯示屏上方設有操作本測距裝置工作的按鍵7。如圖3所示，為圖1和圖2所示實施例的簡化結構示意圖，圖中四個鏡頭和傳感器分成兩組，面對不同的方向進行工作。第一基座I和第二基座2相互垂直，第一基座I上的攝像頭包括透鏡31和傳感器32，第二基座上的攝像頭也包括透鏡51和傳感器52，所有攝像頭拍攝的數據均傳輸到信號處理器9集中運算處理。圖中標號10為拍攝目標，虛線箭頭12為光線路徑，實線箭頭11為數據線；拍攝目標10通過透鏡在傳感器上成像，傳感器與信號處理器9連接，將接收到的圖像信號傳輸給信號處理器9。圖3的測距裝置具有在同一時間獲取兩個方向的兩個視圖的圖像信息的功能。其中一個基座上的鏡頭和傳感器組用于測量基線長度，即兩個測距裝置之間的距離，通常為兩組鏡頭和傳感器同時工作測量基線，在某些情況下，只需其中一組鏡頭和傳感器即可測出基線的長度。當多個鏡頭聚焦在單個物體時，它們協(xié)調地工作，以獲得比單個設備更好的性能。圖中的信號處理器9接收和處理來自四個傳感器的數據。當兩個測距裝置同時工作時，就需要有一個無線或有線的圖像數據傳輸裝置，來將圖像數據傳送到所有兩個或其中一個測距裝置中。具體地，信號處理器9，負責對圖像數據進行處理，在本實施例中，處理器9還負責對多鏡頭和多傳感器攝像機的控制，兩個基座上的攝像頭分別指向不同的方向，這兩組攝像頭間的角度可以是固定，也可以進行高精度的配置或調整。如果為了獲得更高的空間分辨率，這種工作機構可以很容易被擴展成更多鏡頭、更多傳感器的配置方式，如同時使用長焦鏡頭和廣角鏡頭的情況。本實施例的測距裝置還有同步控制，以確保兩臺測距裝置能同時進行拍照。在特定模式下，只使用其中一臺裝置，此時對象是靜止的。本實施例攝像頭的其他的功能比較普遍，如自動曝光控制，自動對焦(或人工對焦)等等。對于其他的實施例來說，本發(fā)明的測距裝置，至少應有兩組鏡頭和傳感器，分布在兩個平面內(對應前述實施例的第一和第二基座)；其中至少有一組鏡頭和傳感器聚焦在待測目標上；鏡頭和傳感器所在的兩個平面之間的夾角是固定或預先設定的，或為可調節(jié)的模式。對于所述兩個平面，每個平面的鏡頭和傳感器組的個數都可以超過兩個；通常來說，負責執(zhí)行基線計算的那個平面的鏡頭和傳感器組的個數至少有兩個，因此，可以在同一時間直接測量出兩個裝置間的角度和距離，算出基線；此外，負責拍攝計算待測目標的那個平面，需要一個或多個鏡頭和傳感器組，以便更好的對仰角信息進行測量。本實施例測距裝置的第一和第二基座可以是目前市場上的翻蓋手機的兩個翻板，在翻蓋手機的外側面設置鏡頭和識別裝置，具有方便、實用、易推廣使用的效果。此外，第一和第二基座還可以是兩個直板手機或平板電腦通過卡合的組裝方式連接形成，在現有的直板手機或平板電腦的基礎上設置卡扣，使得其可以聯(lián)合使用，此時，處理數據時可以指定其中一臺直板手機或平板電腦集中計算；此外，設置卡扣的同時，還可以設置數據接口進行相互間的通訊，當然亦可采用無線傳輸的方式通訊。眾所周知，兩個鏡頭利用視差和三角模型計算的原理可以測出目標物體的距離，但由于設備以及人的因素，兩個固定基線的鏡頭所測出的距離的精度，隨距離的變大而變差。即，當目標物體距離鏡頭越遠，鏡頭測得的距離大小誤差越大。就好像人眼觀察的情況，當目測10米以內的物體時，能夠較準確地估算其距離；但當目測一公里以外的物體時，估算的誤差變的相當大。發(fā)明人經過演算分析，發(fā)現當兩鏡頭之間的距離(指所謂的基線)越大，同等情況下測出的目標物體距離的誤差越小。本實施例是一個便攜的測距裝置?，F在當我們查閱相關的圖樣時，我們可以發(fā)現，在不同的視圖上，有很多相似的數碼與相似的樣圖相對應。顯然，三角測量法可以利用以下的方程來計算出距離:z=c*(f*p)/b (I)其中，系數c由多個因素決定，可以在校正環(huán)節(jié)確定；f是鏡頭的焦距；P是同一對象的兩個圖像的觀測校驗值；b是兩個鏡頭間的距離，如基線的長度。對應一組給定的參數，則一階偏差的表示如下:δ Z= (c*f/b) * δ p- (c*f*f*p/b2) * δ b (2)在這里，有其他幾種方法可以提高距離測量的精確度。其中，由校驗值引起的偏差是造成最終誤差的主要原因。在計算縱深距離，而且當測量距離比較遠時，一個或者甚至少于一個像素的校驗值都能引起重大的計算誤差。我們可以擴展焦距f，以改善奇偶測量校驗的準確性。但是，如此長的焦距同時也會制約裝置的視界，同時還會變得笨重而無法靈活使用。例如，常規(guī)的鏡頭具有60°的視角。如果使用100倍數的長焦鏡頭，那么它的視角也就只有常規(guī)鏡頭的十分之一了，也就是只有6°的視角了。當然在另一方面，這種長焦距方法也可以被適度應用，或者和其他的方式結合使用。如在本實施例中，一個多鏡頭多傳感器相機可以保證大的觀測視角和高精度的觀測效果。這個相機可以在不同方向同時采用不同焦距，如一個方向采用標準焦距，另一個方向采用4-10X的焦距(2-3倍的縮放系數)。而奇偶分辨率也可以從標準清晰度提升到高清晰度，如從512提升到3000。這里有一套采用更短基線的立體圖像匹配算法的詳細說明。一種現有系統(tǒng)的性能參數說明如下:配置:22cm基線，512X372,40。的視角有效的工作范圍:2.7米35米；距離分辨率:在3米時達到0.01米，在38米時達到1.1米；空間分辨率:在3米時達到0.004米，在38米時達到0.05米;
成像:MicronMT9V022CM0S 成像器；采用全幀快門。其中，距離分辨率指縱深方向的分辨率，空間分辨率指橫向的分辨率?？梢钥闯觯敎y距對象的距離變大時，誤差也同時增大。這里有兩個原因:1、即使角分辨率不變，空間分辨率也降低了 ；2、較長的距離，視差變得越來越小。對于一個給定的基線(如22cm)，當距離從3米變化到38米，空間分辨率也由0.004米變化到0.05米，也就是大約12倍。但此時的距離分辨率卻從0.01米變化到1.1米，也就是大約110倍。通過對比相同的數據，可以輕易推出，如果運用可變焦的鏡頭(在其中一個方向采用4X，2X的鏡頭)和6百萬像素的高清晰度傳感器(3000X2000)，那么可以在不改變基線的情況下，將分辨率提高12倍。例如，如果將基線增加到22米，那么測距距離將增加到幾千米遠。如圖1所示，在多鏡頭多傳感器的配置中，不同焦距的鏡頭能同時被使用，而且廣角和高精度角度測量的所有優(yōu)點都能被同時擁有。從式(2)可以看出，由校驗測量誤差引起的視差跟基線的長度是成反比的。所以，基線越長，最終誤差將越小。而且，可以看出，由校驗引起的誤差比由基線本身引起的最終誤差要敏感得多。實際上，最終誤差只跟基線自身的平方成正比。因此，我們可以得出一個結論，那就是改善距離測量的更有效的方法是擴大系統(tǒng)的基線。本實施例的測距原理:圖4描述的是立體視覺測量距離的原理圖。如果兩個鏡頭13和傳感器14被安裝到同一裝置上，則兩個傳感器之間的安裝角度α、β和距離R是已知的。因此，就能方便的計算出測量目標10的距離。實際上，這就是利用立體照相機測量距離的基本架構。然而，由于受制于有限的基線長度，這類裝置只有有限的測距分辨率。圖5顯示的是一個具有靈活和擴展的基線R的改進的測距裝置，其中一組透鏡13和傳感器14可圍繞另一組透鏡和傳感器轉動，同時還可自轉，從而靈活調整視角。作為圖4的一個改進方案，如果角度α和角度β能被準確的測量，那么就能計算出測量目標10的距離。由于擴展了基線R，因此距離的測量精度也被提高。然而，當兩個鏡頭13和傳感器14不在同一測距裝置上時，如何測量角度α和角度β才是真正困難的事情。雖然某種意義上，兩個測距裝置都能用其他方法測得高精度的角度值，比如用天文觀測。圖6所示的測距裝置是實際環(huán)境中的使用示例，圖中的兩個測距裝置間采用串聯(lián)方式工作。每個測距裝置有一個識別裝置，以供另一個設備觀測。左邊和右邊的測距裝置在同一時間對同一物體10各拍一張照片。圖像數據被集中在其中一個測距裝置中進行處理?；€15可以通過其中任一裝置測得，或是由兩個裝置共同測得以盡量減少錯誤。然后，可以由角度α和角度β，測量出物體10和測距裝置間的距離。圖6中13為透鏡，14為傳感器。圖6的例子中，面向物體10的透鏡和傳感器組只有一組。圖7是一個2D平面內擴展基線的原理圖，即假設所有的對象都是處于同一平面。這里共有兩個獨立的測距裝置，兩個標記點10-2和10-3位于兩個裝置的中部，兩個標記點之間的長度LI已知，用于計算基線15的長度。當來自兩個裝置的圖像數據被集中在其中一個裝置中處理時，基線15的值就會被首先計算得到。然后，待測對象10-1與任一測距裝置間的距離也能被測量得到。圖7中，13為透鏡，14為傳感器；角度α和角度β分別為待測對象10-1、測距裝置和標記點10-2之間的角度，角度Θ和角度Y分別為兩個測距裝置和標記點10-2、10-3之間的角度；L2為在兩個標記點所在直線的方向上，標記點10-2至基線15的距離。圖8是一個3D標記裝置10，它帶有3個可以用來做距離修正的標識物a、b、C，圖中那些標識點間的距離和連線間的角度已知的。其作為測距的輔助工具，使用其測距時，將其置于兩個測距裝置之間，每個測距裝置單獨測量計算其與各個標記物之間的距離和角度，從而進一步計算出兩個測距裝置之間的基線距離。圖9所示的是3D測距的情況，高度(Z)也應被考慮進去。左右兩個測距裝置取得標記點10a、10b和10c，還有待測對象IOd的圖像。標記點之間的距離和角度都是已知的，在3D的情況，如果兩個測距裝置不在同一水平面上，就需要取得IOa-1Ob和IOb-1Oc的長度，從而計算出兩個測距裝置之間的基線長度?；趯I，L2和L3的測量計算，就能計算出Cl和C2間的基準線的值。然后，就可以根據測得的角度α和角度β，求得要測量的待測對象IOd的距離。圖中，角度Θ和角度Y分別為兩個測距裝置和標記點10a、10b之間的角度。圖10說明了在傳感器平面(測量對象平面也是)上像素補償和角度之間的關聯(lián)?？梢杂眠@個關聯(lián)來計算像素補償圖像中對應的兩個對象間的視角的值。圖10中，13為透鏡，14為傳感器。 數碼相機可以被認為是人類的一種擴展能力，用來測量同一場景中兩個對象的角度。圖10所示，圖像中與對象有關的三角形的角度相對應的像素差別(補償)?？梢钥闯?，這些角度差異并不一致，但卻是由圖像中相對位置的像素決定。如果兩張圖是由一組帶兩個鏡頭和傳感器的裝置攝取，那么同一對象的像素校驗角度差將是一致的。圖10中的角度測量和像素補償測量法的關系可以描述如下:對于對象平面的一個小型對象△，假設其對應的角度是α，傳感器平面上對應的小偏移量是δ。A=R*(tg(y + a )-tg(y))=R*sin ( a ) / (cos ( y ) *cos ( y + a ))=R*sin ( a ) / (cos (Y)* (cos ( y ) cos ( a ) -sin ( y ) sin ( a )))當Y=O 時，則:Δ =R*sin ( a )/cos ( a )=R*sin(a)如果a的值很小所以，a=sin_1(A/R)當Y=30 °鏡頭的標準視角，則:A=R*sin(a)/( V 3)/4*((( V 3) cos ( a )-sin( a ))=R*sin(a)/(3/4)如果 a 的值很小因此，Ci=SirT1GAz^R)其中，V 3表示對3開方運算的意思，SirT1為反正弦函數。這意味著，對于傳感器平面的任一像素，如果視角增加，則對應的空間角也增加。通常，鏡頭的幾何失真(TV失真)范圍為2-0.1%，要大于一個像素的失真度。因此，我們可以采用其他機制來控制和最小化圖形失真，如電子校正等。上述的角度測量和像素補償測量結果的精度受鏡頭和傳感器質量的影響，因此，可以適當的使用更好的設備以獲取更高的性能。例如，水平方向的像素量可以從標準清晰度的640px調整到3000px。本實施例測距裝置的一種典型配置的參數為:配置:基線6.5_30cm 視角 60° ;有效范圍:1-3500米；空間分辨率:0.001m@3m to0.5mi3500m ；測距分辨率:0.01mi3m to3mi3500m(基線為 350 米)；光學部件:焦距:6-25mm ;成像裝置:6百萬像素的多CMOS成像器(2000 X 3000)。本實施例具有多種功用，根據測量所需的精度，選擇不同的使用方式。當需要測量近距離物體的距離時，如100米以內，只需一個本實施例的測距裝置單獨工作即可，通過兩個鏡頭的配合測出符合精度要求的物體的距離，如圖4和圖5所示。當需要測量遠距離物體的距離時，如I公里以外，為達到較優(yōu)的測量精度，需要增加兩鏡頭之間基線的長度，此時可以使用兩個本實施例的測距裝置，該兩個測距裝置相互配合使用，其之間的距離即為基線的長度。如此可以獲得例如100米以內的擴展的基線長度，相比原來單個測距裝置的基線，大大提高了測距的精度?，F有的設備中，基線長度常受到設備本身的形狀、尺寸的制約，對于便攜式設備，其基線的長度通常不會大于10米。如需再增加基線的長度，這是現有設備辦不到的。使用本實施例的測距裝置獲取更大的基線長度時，測距裝置的第一基座朝向待測物體，用于拍攝待查物體的圖像；第二基座朝向另一個測距裝置，兩個測距裝置的第二基座彼此相對，用于測量兩個測距裝置之間的距離。同一測距裝置的第一基座上的攝像頭拍攝的圖像可用于去模糊處理，不同測距裝置的第一基座拍攝的圖像可用于計算待測物體的距離。兩測距裝置之間的基線長度以識別裝置之間的距離為準。兩個測距裝置同時工作的方式，簡單、快捷、實時，尤其適用于運動物體的測距工作。如圖6所示。如果待測量的遠距離物體是靜止的，使用者還可以僅用一個本實施例的測距裝置即可完成高精度測距的任務。操作如下，使用者先在A點攝得待測物體的圖像，然后前往B點攝取待測物體的圖像，獲得A、B點的距離，以及拍攝角度，經計算機計算即可得出待測物體的距離。獲得A、B點距離的方式有，人為測量，但這種方式較為不方便；更優(yōu)的，可將測距裝置上的識別裝置取下放于A點，然后在B點使用測距裝置的第二基座上的攝像頭拍攝，利用測距裝置本身測得A、B點的距離。當進一步需要測量更遠的距離時，如10公里以外，為繼續(xù)保持良好的精度，需要進一步增加基線的長度，如將基線長度增加到幾百米甚至I公里以上，上兩段所述的測量基線的方法已經不適應?？稍趦蓚€測距裝置之間事先設好標記物，如圖7、圖8和圖9所示，標記物的各個參照點之間的距離已知，若為三個以上的參照點，則參照點之間的角度已知，兩個測距裝置的第二基座均朝向標記物，分別測出各自與標記物的參照點之間的角度和距離，再綜合算出兩個測距裝置之間的距離，如此大大提高了測量基線時的精度。設置多個參照點，可以相互合作計算并進一步減小誤差。當需要測量大物體時，比如樓、山等，此時需要長、短焦距的鏡頭同時配合使用。鏡頭的焦距與鏡頭的視角和距離分辨率有著矛盾的關系，較長焦距的鏡頭，具有較好的距離分辨率，但其視角較小，如需要測量的物體較大時，甚至不能完全把物體拍攝下來；然而較短焦距的鏡頭雖然具有較寬的視角，但其距離分辨率較差，當測量物體距離過遠時，無法滿足精度的要求。本實施例的測距裝置第一基座上的攝像頭具有不同的焦距，不同焦距的攝像頭可以同時工作，相互配合彼此以減小視角小和距離分辨率差的影響。本發(fā)明測距方法的具體實施方式
如下:對于每個多鏡頭和多傳感器組來說，鏡頭和傳感器的個數都可以超過兩個。通常來說，負責執(zhí)行基線計算的那個組的鏡頭和傳感器的個數有兩個，甚至更多。因此，可以在同一時間直接測量出兩個裝置間的角度和距離。此外，還需要多一個或幾個鏡頭和傳感器用于測量目標的距離，以便更好的對仰角信息進行測量。本裝置有同步機制，以確保兩臺裝置能同時進行拍照。在特定情況下，只使用其中一臺裝置，此時對象是靜止的。其他的相機裝置比較普遍，如自動曝光控制，自動對焦(或人工對焦)等等°兩個測距裝置之間通過無線方式對拍照時間進行同步，并在拍照后交換圖像數據。由于每個裝置都有自己的實時時鐘，所以可以預先設定好程序執(zhí)行所有操作。其他的實施例中，也采用無線方式，如高精度的GPS或相似系統(tǒng)，本地無線網絡或相似系統(tǒng)，可以采用飛行時間法和光學三角測量法來測量和確認基線的值。其他已知的參照點，如太陽、月亮，幾何參照點和控制點，或相互的參照點都能被用來準確獲得裝置間的相對位置和角度，或者對象裝置間的角度值。因此，能由此執(zhí)行更好的測距操作。此外，本發(fā)明所述拍攝獲取測距對象的圖像，其拍攝方式應該包括直接拍攝測距對象的照片，以及截取拍攝測距對象的視頻中的圖片。方法描述:本實施例中，最好先校正測距裝置。校準后，用戶可以通過一個對象設定好其中一組鏡頭和傳感器的參數，另一組鏡頭和傳感器則通過其他的裝置對基線測量進行設置。同時拍照之后，兩組裝置間互相交換圖像數據，從而計算出基線和距離的值。詳細的操作流程描述如下:1、校準:對于一個給定的設置，如焦距和聚焦孔徑的參數，需要對傳感器的每個像素進行校正，并記錄下來。像素位置對應的實測角也會被記錄下來，并體現在最終的計算中。所有的誤差，如透鏡像差、系統(tǒng)誤差和安裝偏差等因素都被記錄下來。需要在水平和垂直方向分別校正。在立體測量中會用到兩組或更多的鏡頭和傳感器，在計算距離之前，也要通過實際距離的測量進行校正。某些參數，如鏡頭和傳感器之間的距離都要特別設定和校正。校正的數值將作為裝置的內置存儲數據。2、配置設備:對于場景中對象的測距，采用兩個測距裝置，兩個測距裝置工作于串聯(lián)模式。兩個測距裝置之間的基線長度至少應該為所測距離的十分之一，才能保證較好的測量精度。測距裝置的一組鏡頭和傳感器對著測距對象，另一組則面對著另一個測距裝置(或者標記裝置、參照點)。3、對物體和其他測距裝置進行拍照:確保所有相關的鏡頭和傳感器都調節(jié)到良好適宜的狀態(tài)。通常，拍攝同一目標的兩組鏡頭最好具有相同或相似的參數設置，如曝光時間，以減少后期的像素匹配處理。在特定的時間、地點，兩個測距裝置共四組鏡頭同時拍照。4、用無線或其他方式將圖像數據傳輸到處理器中:將其中一個測距裝置取得的圖像數據，連同相關的描述、誤差和設置參數，如兩組鏡頭間的角度、光圈、縮放系數、曝光時間、校正數據等等，一起傳輸到另一個測距裝置上。由一個測距裝置進行數據收集并執(zhí)行數據處理。5、計算基線值:首先通過本測距裝置獲取的圖像數據信息來計算基線，再通過另一個測距裝置的圖像數據進行驗證和確認。6、計算距離:對一個給定的對象，先通過立體圖像匹配算法，如運動估計，找出兩個測距裝置拍攝的目標的對應像素集。然后計算出基線和對象間的角度。進而計算出對象的距離。回到第3步，再計算一次，從而驗證和改善測距數據。根據上述說明書的揭示和教導，本發(fā)明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式
，對本發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。
權利要求
1.一種測距裝置，其特征在于:包括第一攝像部和第二攝像部，其中第一攝像部包括一個或多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，第二攝像部包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器； 第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于兩個表面，兩個表面位于兩個基座或位于同一個基座上，且這兩個表面之間形成角度已知的夾角； 包括信號處理器，與各攝像部連接，用于控制攝像部的拍攝動作，以及接收傳感器拍攝的圖像信號并計算出目標物體的距離。
2.根據權利要求1所述的測距裝置，其特征在于:所述兩個表面形成的夾角為銳角、直角或鈍角；攝像鏡頭設于夾角的外側面，朝向夾角的外側。
3.根據權利要求1所述的測距裝置，其特征在于:包括識別裝置，與所述基座拆卸連接。
4.根據權利要求1所述的測距裝置，其特征在于:所述基座為移動通信終端。
5.根據權利要求4所述的測距裝置，其特征在于:所述移動通信終端為手機； 所述手機為翻蓋式手機，第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于翻蓋式手機的機身和蓋體上；或， 所述手機為直板式手機，第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于兩個直板式手機上，該兩個直板式手機通過卡合結構連接。
6.根據權利要求5所述的測距裝置，其特征在于:所述手機為直板式手機時，兩個直板式手機之間通過相互接觸的物理介質傳輸信號，或通過無線的方式傳輸信號；兩個直板式手機之間采用實時或半實時處理的方式傳輸信號。
7.一種應用權利要求1測距裝置的測距系統(tǒng)，其特征在于:由兩個所述的測距裝置組成，每個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向另一測距裝置；每個測距裝置還包括無線信號發(fā)射接收裝置，與信號處理器連接，用于兩個測距裝置之間傳輸信號。
8.根據權利要求7所述的測距裝置，其特征在于:每個測距裝置均包括識別裝置，與基座拆卸連接；第二攝像部朝向另一測距裝置的識別裝置。
9.一種應用權利要求1測距裝置的測距系統(tǒng)，其特征在于:包括兩個所述的測距裝置以及標記裝置，每個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向標記裝置；每個測距裝置還包括無線信號發(fā)射接收裝置，與信號處理器連接，用于兩個測距裝置之間傳輸信號。
10.根據權利要求7或9所述的測距系統(tǒng)，其特征在于:兩個測距裝置的第一攝像部均包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，不同攝像鏡頭具有不同的焦距。
11.根據權利要求9所述的測距系統(tǒng)，其特征在于:所述標記裝置上設有多個標記物，不同標記物具有不同顏色。
12.種測距方法，應用權利要求1所述的測距裝置，其特在于該方法包括如下步驟: 步驟一、選取第一拍攝點，將測距裝置置于第一拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，處理器控制第一攝像部拍攝，獲得待測目標的拍攝圖像； 步驟二、選取第二拍攝點，將測距裝置置于第二拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向第一拍攝點，處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得待測目標和第一拍攝點的拍攝圖像；步驟三、處理器依據步驟二獲得的第一拍攝點的圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度。
步驟四、處理器依據步驟一中獲得的待測目標的拍攝圖像，計算出以第一拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大??；處理器依據步驟二中獲得的待測目標的拍攝圖像，計算出以第二拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大小； 步驟五、處理器依據上述步驟算出的夾角大小和基線長度，利用三角形邊角關系的原理計算出待測目標和兩個拍攝點之間的距離。
13.一種測距方法，應用權利要求1所述的測距裝置，該測距裝置還包括識別裝置，其特征在于該方法包括如下步驟: 步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點； 步驟二、將測距裝置置于第一拍攝點，而識別裝置置于第二拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向識別裝置；處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得第一組待測目標和識別裝置的拍攝圖像； 步驟三、將測距裝置置于第二拍攝點，而識別裝置置于第一拍攝點，第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向識別裝置；處理器控制第一攝像部和第二攝像部同時拍攝，獲得第二組待測目標和識別裝置的拍攝圖像； 步驟四、處理器分別依據第一組或第二組識別裝置的拍攝圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，取兩次計算的平均值，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度； 步驟五、處理器依據第一組待測目標的拍攝圖像，計算出以第一拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大??；處理器依據第二組待測目標的拍攝圖像，計算出以第二拍攝點為頂點、以基線和待測目標方向為邊的夾角的大??； 步驟六、處理器依據步驟五算出的兩個夾角的大小，以及步驟四算出的基線長度，利用三角形邊角關系的原理計算出待測目標和兩個拍攝點之間的距離。
14.根據權利要求13所述的測距方法，其特征在于:所述識別裝置是點狀物，或是長度已知的物品。
15.一種測距方法，應用權利要求7所述的測距系統(tǒng)，測距系統(tǒng)包括第一測距裝置和第二測距裝置，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點； 步驟二、第一測距裝置置于第一拍攝點，第二測距裝置置于第二拍攝點；兩個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向另一測距裝置； 步驟三、處理器控制兩個測距裝置的所有攝像部同時拍攝，獲得拍攝圖像； 步驟四、其中一個測距裝置將拍攝獲得的圖像信號通過相互接觸的物理介質或通過無線信號發(fā)射接收裝置傳輸給另一個測距裝置，該接收到拍攝圖像的測距裝置為主測距裝置； 步驟五、主測距裝置分別依據第一測距裝置或第二測距裝置的第二攝像部拍攝獲得的圖像計算出第一拍攝點和第二拍攝點的距離，取兩次計算的平均值，得出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度； 步驟六、主測距裝置依據步驟五算得的基線長度和兩個測距裝置的第一攝像部拍攝獲得的待測目標的圖像，計算出待測目標和兩個拍攝點的距離。
16.一種測距方法，應用權利要求9所述的測距系統(tǒng)，測距系統(tǒng)包括第一測距裝置和第二測距裝置，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、選取第一拍攝點和第二拍攝點； 步驟二、第一測距裝置置于第一拍攝點，第二測距裝置置于第二拍攝點，標記裝置置于兩個拍攝點之間；兩個測距裝置的第一攝像部朝向待測目標，第二攝像部朝向標記裝置； 步驟三、處理器控制兩個測距裝置的所有攝像部同時拍攝，獲得拍攝圖像； 步驟四、其中一個測距裝置將拍攝獲得的圖像信號通過相互接觸的物理介質或通過無線信號發(fā)射接收裝置傳輸給另一個測距裝置，該接收到拍攝圖像的測距裝置為主測距裝置； 步驟五、主測距裝置依據兩個測距裝置拍攝獲得的標記裝置的圖像，計算出第一拍攝點和第二拍攝點的基線長度； 步驟六、主測距裝置依據步驟五算得的基線長度和兩個測距裝置的第一攝像部拍攝獲得的待測目標的圖像，計算出待測目標和兩個拍攝點的距離。
17.根據權利要求15或16所述的測距方法，其特征在于，包括校正的步驟:拍攝前，對每個攝像部進行校正，記錄其焦距和聚焦孔徑的參數，以及傳感器上像素位置對應的實測角度；將校正記錄的數據傳輸給測距裝置，用于修正主測距裝置的計算結果。
18.根據權利要求15或16所述的測距方法，其特征在于:根據算得的基線的長度和待測目標與兩個拍攝點的距離，重新選取第一拍攝點和第二拍攝點，使基線的長度大于待測目標與兩個拍攝點距離的十分之一，重復步驟二至步驟六，此時所測為最終結果。
19.根據權利要求1 6所述的測距方法，其特征在于:所述標記裝置是點狀物，或是長度形狀已知的物品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測距裝置，包括第一攝像部和第二攝像部，其中第一攝像部包括一個或多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器，第二攝像部包括多個攝像鏡頭以及與攝像鏡頭對應的攝像傳感器；第一攝像部的攝像鏡頭和第二攝像部的攝像鏡頭分別設于兩個表面，這兩個表面形成角度已知的夾角；還包括信號處理器，與各攝像部連接。本發(fā)明還公開了一種測距系統(tǒng)，包括兩個相互配合的測距裝置，實現實時測距的效果。本發(fā)明還公開了一種測距方法，具有靈活和擴大的基線實時計算方法，從而獲得高精度的距離測量結果。
文檔編號G01C11/00GK103090846SQ20131001521
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權日2013年1月15日
發(fā)明者于燕斌 申請人:廣州市盛光微電子有限公司