一般认为，图像在形成过程中会丢失距离信息，而实际上，从相机构成来看，像距和物 距是满足透镜公式的，知道了焦距和像距就可以求出物距。这样，测距的重点是如何求出 像距。这里的像距，是指外界物体发出的光线，经透镜折射后聚焦成清晰的像，像在光轴上 的投影到光心的距离。当然，这对使用针孔镜头的相机是不适用的，这里只讨论使用透镜镜 头的相机。

  人们对如何测距提出了一些方法，很大一部分是主动式的测距方法，即需要一个对被测 目标进行光波照射(如激光)的主动投射光源，通过接受和分析回波来进行测距。相对应的 是被动式的测距方法，比如立体视觉方法。该方法是通过在空间中放置两台或多台相机对同 一目标在不同的视点进行成像。由于视点不同，所成的图像之间有着视差，即同一物点的 像点分布在各个相机成像平面的不同位置上。若能够从每幅视差图像中找到同一物点的对 应像点，然后根据几何关系就可以计算出物点的距离。但是这种方法需要相机的精确定位和 复杂标定，并且由于在图像间寻找同一物点的像即图像的匹配需要大量极其复杂的计算，因 此限制了其应用范围。

  本发明的目的是为客服上述缺点，提供了一种单目视觉实时测距方法。本发明不需要 主动投射光源，只需要单次成像，对硬件改动小，不需要相机的定位和标定，测距算法简单， 实时性好。

  步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰

  ，,^/^ 1，力 (2) 式中，/(x,力为图像像素坐标为(x,少)处的灰度值；

  设/(附)为图像传感器平面第附行的SMD对焦函数，测距目标成像图像的分辨率为 Zxy, X为行数，y为列数，贝IJ

  /(w)JMZ^+膨Z)少 (3) 其中x二w， 1Sw《X， 1Sy《;r; 当/(m)取最大值时，此时附=附。，则认为m。行处所在的水平线位置接收到的图像为最清晰

  步骤三、利用气，求出测距目标到相机的距离^7; 由几何关系可得 = 6W_vVC siW (4)

  式中，为透镜中心到图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影 点的距离，^为透镜中心到图像传感器与透镜中心的水平轴的交点的距离，^为图像传感 器与透镜中心的水平轴的交点到图像传感器平面与目标呈清晰像的交点的距离；

  式中，义为图像高度的像素数，A为图像传感器平面的高度，/为透镜焦距。 本发明的优点在于

  (1) 只需利用单个相机就可以完成测距任务，不需要像多相机测距方法那样精确的相机定

  (5) 由于测距算法简练、快速，因此测距的实时性好，在工业控制，机器人导航以及飞 机着陆、导弹巡航、目标运动估计等军事领域都存在应用价值。

  图1是本发明的测距方法流程图2是本发明的测距方法原理图3是本发明实施例中的测距效果图。

  本发明是一种单目茅见觉实时测距方法，方法流程如图l所示，具体包括以下步骤 步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转确。 将相机中的图像传感器，即成像接收平面，绕该平面内的水平轴逆时针旋转滩。理论上， 滩可以为任意值，伹考虑到测距范围和测距精度的要求及计算的方便，确取30° 60。之间。

  步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰 图像的位置w。。

  目标在测距范围内，对测距目标进行一次成像，由于图像传感器平面倾斜，因此该平面 所接收到的图像只有在该平面上的某条水平线处是清晰的，离该水平线向两个方向越远，图 像越模糊。

  将图像传感器所采集到的图像使用清晰度评价函数做处理，找到图像传感器平面清晰 像处的水平线位置。常用的清晰度评价函数有Tenengrad函数、SMD函数、VAR函数和 FSWM滤波函数等，本发明选用SMD函数。

  模数偏差总和(SMD, sum-modulus-difference)算子由Jarvis提出，根据SMD算子 来计算两相邻像素点的水平方向和垂直方向的一阶灰度偏差的总和如下式所示

  设/(附)为图像传感器平面第附行的SMD对焦函数，测距目标成像图像的分辨率为 Zxy， y为行数，y为列数，贝lj

  当/(m)取最大值时，此时^ =附。，则认为w。行处所在的水平线位置接收到的图像为最 清晰的。

  相机的测距原理图如图2所示，图中，O为透镜中心，C/处为目标，F为透镜焦点，W 为透镜半径，M为图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影点，W为图 像传感器与透镜中心的水平轴的交点，伪图像传感器平面的倾斜角，c为图像传感器平面与 目标所成,像的交点，即气行所对应的图像传感器平面的位置。由图中可得

  式中，^为透镜中心到图像传感器上目标成清晰像处位置在透镜中心的水平轴上投影 点的距离，^为透镜中心到图像传感器与透镜中心的水平轴的交点的距离，^为图像传感 器与透镜中心的水平轴的交点到图像传感器平面与目标呈清晰像的交点的距离。

  图像传感器清晰处的第附。行对应图2中的C点，即图像传感器根据比例关系可得W点到 C点的距离为透镜公式如式(6):

  式中，义为图像高度的像素数，A为图像传感器平面的高度，/为透镜焦距。 由以上公式可得，相机到目标的距离，即物距^7，由焦距/、图像传感器平面中心线

  到透镜中心的距离^、图像传感器平面的倾角^和高度A共同确定。 式(7)得到的物距^7，即为所要测量的相机到测距目标的距离。 实施例设镜头焦距/=25111111,图像传感器平面高度为/^3mm，图像传感器得到的图

  像分辨率为240x320，图像传感器平面中心到透镜中心的距离^-26.6mm，图像传感器平

  步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰

  在相机与目标距离为300mm处，对目标进行一次成像。将图像传感器所采集到的图像 使用清晰度评价函数做处理，即用公式(3)计算图像每一行的SMD对焦函数值，公式(3) 中m的范围是w《240 ， Y的范围是l^;^320 。记录对焦函数取得最大值时所对应的行数 附,气为2 4 。

  将相机与目标距离由300mm开始，每增加50mm采样一次，即对目标进行一次成像， 重复步骤二和步骤三，共进行10次测距。结果如图3所示，X轴表示试验次数，Y轴表示 测距目标到相机的距离。

  图3中的测量值即为本测距方法得到的相机与目标之间的距离。由图能够准确的看出，大部分 测量值落在给定值连成的直线上，表明该方法所得到的大部分的测量距离是完全准确的，证 明了本测距方法的有效性。还有少数测量值稍微偏离了给定直线，即产生了测距误差，这是 由相机的成像质量以及目标的纹理等问题所造成的。

  2、根据权利要求l所述的一种单目视觉实时测距方法，其特征是所述步骤一中，确为 30° ~60° 。

  本发明公开了一种单目视觉实时测距方法，包括以下步骤步骤一、将相机中的图像传感器绕该平面内的水平轴逆时针旋转θ角；步骤二、在测距范围内，对测距目标进行一次成像，确定图像传感器平面接收到最清晰图像的位置msuba/sub；步骤三、利用msuba/sub，求出测距目标到相机的距离OU；只需利用单个相机就可以完成测距任务；本方法属于被动式的测距方法，不需要主动投射光源，结构更简单；对测距目标只需进行一次成像即可满足测距需要；硬件上只需对现有相机的图像传感器进行倾斜，结构改动小，成本低；由于测距算法简练、快速，因此测距的实时性好，在工业控制，机器人导航以及飞机着陆、导弹巡航、目标运动估计等军事领域都存在应用价值。

  发明者刘小明, 浩 周, 天 覃, 陈万春, 顾家立 申请人:北京航空航天大学