基于单目视觉的高精度测距方法优化

单目视觉测量是通过一台CCD摄像机进行摄影获得障碍物图像信息，然后经过计算得到障碍物的距离信息。几何光学法、结构光法、几何形状约束法、几何相似法等是单目视觉测量的几种主要方法，简易的结构、低廉的价格以及无须立体匹配计算是单目视觉的几项优点。

（一）几何光学法

几何光学法有离焦法、聚焦法2种方法。2种方法各有优缺点，离焦法不必确定精确焦距，先确定离焦模型，再计算障碍物与摄像机之间的距离，但是利用离焦法确定离焦模型并不是很容易的。相比来说，聚焦法更为常用。采用聚焦法的时候，先调整焦距，保证障碍物在聚焦位置，由于焦距已知，再利用学过的成像模型公式能够算出障碍物和摄像机之间的垂直距离。聚焦法测量精确的焦距位置也很不容易，还有就是它的硬件复杂、计算速度慢、成本高。

（二）结构光法

结构光法主要是利用可控光源和障碍物间的几何关系，换句话说，就是不但利用了图像的信息，也利用了可控光源信息。可控光源可使用激光或者普通的白光来进行点、线、网等不同形状的呈现，光源照射物体表面能够产生光条纹，障碍物表面与摄像机之间的距离关系就可以通过检测光条纹的形状与间断性得到。

障碍物可以用一条曲线表示，表示障碍物的那条曲线通常就是光平面与障碍物表面相截时所形成的那条曲线，障碍物曲线与其成像点的对应关系可以通过小孔成像原理及传感器参数得到。所以，一旦知道图像点坐标，就可以按照规律找到障碍物曲线上与之对应的点的坐标。有2种方法可以得到三维信息。一种是面结构光测量法，简单地说，这方法是一种通过平面光去扫描障碍物，由此得到曲面的一种新型的测量方式；还有一种方法就是把线形光传感器再次利用得到多条曲线，进行整合分析，最后得到结果。

客观地说，结构光法有利有弊，优点是测量速度极快，缺点是整体测量精度对结构参数的标定有很大影响。

（三）几何形状约束法

当遇到特殊形状的障碍物时，如球、立方体、平行线等，就会用到几何形状约束。该方法的约束条件为它的几何特点，因此它仅仅通过用摄像机来拍摄一张照片，再根据障碍物特有形状就可以确定被测物体的三维信息。例如，球体在摄像机坐标系中的圆形投影通常作为球体的约束条件，然后就可以算出圆的半径、圆心坐标等信息；当对平行线进行测距时，平行线间的距离是一个重要的约束条件。此外，摄像机的俯仰角还可以通过计算平行线的斜率来得到。

（四）几何相似法

当障碍物的所有几何参数在一个平面内时，要保证平面和光轴垂直、障碍物平面和成像平行，根据相似定理和图像坐标，我们就可以求出障碍物的尺寸。

如图8-3所示，摄像机立在光轴中心处，摄像机到障碍物的方向规定为正方向，Z轴方向与光轴中心线方向平行，其X轴方向取图像坐标沿水平增加的方向，在障碍物质心处创建世界坐标系，其坐标轴与摄像机坐标系的坐标轴平行。(www.xing528.com)

图8-3　几何相似法测置原理

由内参模型可知：

通常情况下，摄像机的坐标轴同世界坐标系的坐标轴是平行的，通过对外参模型的学习，我们可以知道将障碍物沿Xw轴分成N份，保证每一份都接近矩形，如图8-4所示。

图8-4　障碍物面积计算示意图

式中：S1是障碍物在图像上所构成的面积。由（8-29）得到pz的算法公式：

通过这个公式，可以得到特征点的世界坐标值，从而消除伪障碍。