基于双目摄像头的测距系统的实现

倪文韬，钟岱山，唐向远

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

0 引言

利用摄像头进行测距已经不是新鲜的事情。现阶段，关于摄像头测距有3种方式：第一种是在摄像头上安装测距设备包括激光测距仪、测距装置、超声波传感器等，用于测量目标物体与摄像头之间的距离。这种测距方法有着成本高的特点，需要测试装备上都安装测距设备。第二种是利用单目摄像头进行测距。这需要建立到一定的参考数据，根据数据的对比，计算得出摄像头和目标物的位置。如需要收集的数据包括目标物的尺寸数据、摄像头和目标物之间的夹角、相对位移、摄像头高度等。该测距方法的实施，需要借助一些数据，因此方法有一定的测试场景限制。第三种是借助双目摄像头完成测距。该方法利用立体标定的方式，获取摄像头的参数矩阵，通过标定结果匹配图像，生成3D点云，深度成像，最后得到摄像头和目标物之间的距离。这种测距方式，有着复杂的计算方法，还会受到环境因素、立体标定的影响，结果也缺乏稳定性。

1 双目摄像头测距概述

摄像头进行测距的方式，存在一系列的问题，那就是成本偏高，容易受到场景的限制，算法十分复杂，需要经过复杂的计算，而且计算结果还不太稳定。文章针对摄像头测距存在的问题，以摄像头测距为基础，提出双目摄像头测距，实现对摄像头测距的优化改良。该项技术，可以实现准确迅速地测距，利用目标物在摄像头中的投影，也可以迅速准确地获取距离数据，不需要提前进行摄像头标定，且没有复杂的算法，更不会占用系统的资源。

为了实现摄像头测距的优化，提出双目摄像头测距，其工作原理如下：（1）选择一个摄像头作为基准，选择另一个摄像头作为参照，这样可以获取两个图像，一个是基准摄像头收集到的基准图像，另一个是参考摄像头收集到的参考图像。（2）将双目摄像头收集到的两种图像进行对比，结合两个图像上目标物呈现出来的特征数据，计算之后完成测距。

2 双目摄像头测距校准步骤

利用双目摄像头进行测距，需要做好校准工作，一般而言，校准工作的步骤如下：首先，采集图像。双目摄像头范围内，设置目标物，需要确保摄像头可以采集到目标物的照片，分别进行目标物照片的采集。计算目标物在图像中存在的视差、目标物投影在基准图像X轴上的坐标，并测量目标物到摄像头的距离。做好相关的数据记录，如两个图像中目标物投影的视差，基准图像X轴上的坐标以及距离摄像头的距离。进行位置的调整，将目标物的位置进行调整，重复上面的操作，从而完成校准。

具体而言，上面提到的工作还有着如下的操作步骤：（1）特征数据的提取，将目标物在双目摄像头中投影的图像数据进行提取，比如，目标物在基准摄像头和参考摄像头中呈现出来的图像视差，目标物投影图像在基准摄像头中的位置—X轴的坐标。（2）根据收集到的目标物投影图像的数据特征，经过一定的计算方法，得到加工处理之后的数据。（3）然后通过数据容器得到最终的距离数据。

3 双目摄像头测距系统的实现

本文以汽车测距系统为例，分析利用双目摄像头进行汽车测距的可行性。测距系统主要由图像采集、摄像机标定、双目立体校正、立体匹配、数据输出等内容。

3.1 图像采集

采集使用到的摄像头为CMOS摄像头，帧数最大可到60帧/秒，利用USB数据实现与PC机的通信联系。PC端显示的实时画面如图1所示。

3.2 摄像机标定

摄像机标定的目的在于确定两个摄像机处于平行的位置，这是使用双目摄像机测距的关键。这里可以通过数据计算的方式，计算三维空间坐标和二维图像坐标的对应关系。从多个角度，进行图像测定，P在摄像机下的成像关系式如下：

可得，两台摄像头设置距离100 mm，计算结果为-99.999 33 mm，差距很小，满足测距的要求。

图1 PC端显示的实时画面

3.3 立体矫正

考虑到摄像机会受到光学透镜和自身工艺的影响，成像过程中容易出现畸变的情况，会影响到数据匹配的准确性。如果要实现两个投影图的图像对应点匹配，需要大量的搜索工作，十分耗时。因此，考虑到加快匹配的速度，可以使用Bouguet的校正方法，减少重投影的次数，这样重投影畸变的情况最小化，最大化视图的叠加面积。二维点和二维点可以借助重投影矩阵变换的方式，进行相互转换。

3.4 立体匹配

立体匹配主要目的在于将不同视点之下，同一物体的投影之间存在的对应关系，也就是人们常说的视差值。计算方法一般有两种：一种是局部约束的立体匹配算法，另一种是全局约束的立体匹配算法。对比立体匹配算法，建议采用绝对误差累计的方式计算出矫正图形的匹配点。SAD匹配代价函数：

通过视差图的对比，可以直观看到对比效果：如果匹配点多的情况下，那么出现的视差图将更加接近原图；如果匹配点少，那么视差图和原图之间的差异就较大。

3.5 实验结果分析

通过实验的方式进行验证，视差图在25帧/秒的情况下，没有出现卡顿的情况，可以实现实时工作的需要。通过移动目标物，调整摄像机和目标物的距离，进行测距，得出的数据如表1所示。

表1 实验数据

从表1中的数据来看，双目摄像头进行系统测距，还是有着很高的精度的，误差比较低，可以控制到5%以下，尤其是近距离的测距，精度很高。也就是说，使用双目摄像头测距有着一定的可行性。但是从实验数据来看，对于远距离的测距，误差逐渐增加，距离6 200 mm的测量误差是距离800 mm的测量误差的42倍以上。主要是由于标定环节和测量过程存在误差的原因。