一種基于頻域分析的圖像測距算法

引言

視覺是人類觀察世界、認(rèn)知世界的重要功能手段，人類感知外部世界主要通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官,其中80%的信息是由視覺獲取的。計算機(jī)視覺就是人類利用計算機(jī)實現(xiàn)人的視覺功能，從而對客觀世界三維場景進(jìn)行感知、識別和理解。計算機(jī)視覺是一個相當(dāng)新而且發(fā)展迅速的研究領(lǐng)域。

在對生物視覺系統(tǒng)的研究中，人們早就注意到，幾乎所有具有視覺功能的生物都有兩只眼睛。用兩只眼睛同時觀察物體，會有深度或遠(yuǎn)近的感覺，我們稱之為視差。因此，在計算機(jī)視覺系統(tǒng)中，也常用兩臺或多臺攝像機(jī)從兩個或多個視點去觀察同一場景，從而獲得在不同視角下的一組圖像，然后通過同一場景點在不同圖像中的視差，推斷出場景中目標(biāo)物體的空間幾何形狀和位置，這種方法稱為立體視覺。它是計算機(jī)視覺的一個重要分支，也是計算機(jī)視覺的核心研究內(nèi)容之一。

視頻和圖像是對物質(zhì)世界客觀事物的形象而生動的描述,是最直接且具體的信息表達(dá)形式之一，是人類最重要的信息載體。隨著科技的日益發(fā)展，人們需要一種更加先進(jìn)快捷的工作方式，另外，人們對工作環(huán)境和工作條件也提出了更新、更高的要求，視頻測距系統(tǒng)便在這種背景下應(yīng)運而生。

視覺測距技術(shù)的發(fā)展對于距離測量有重要的意義。在基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的視覺測距系統(tǒng)中，使用單個CCD(ChargeCoupleDevice)攝像機(jī)的系統(tǒng)稱為單目攝像系統(tǒng),而同時使用兩臺攝像機(jī)對同一景物進(jìn)行攝像，并運用計算機(jī)分析兩幅圖像來確定物體的三維狀況的系統(tǒng)稱為雙目攝像系統(tǒng)。雙目攝像系統(tǒng)測量精度高，但計算速度較慢，成本較高。而單目攝像系統(tǒng)方法則比較簡潔、快速，因此，本文對采用單目攝像系統(tǒng)檢測目標(biāo)物的測距方法進(jìn)行研究。

1測距技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對視覺測距技術(shù)的研究仍在不斷的進(jìn)行之中，還并沒有形成國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模式，各種數(shù)字圖像處理技術(shù)和算法之間孰優(yōu)孰劣仍在不斷的探討和比較中。當(dāng)前，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)主要研究的測距技術(shù)包括超聲波測距技術(shù)、微波雷達(dá)測距技術(shù)、激光雷達(dá)測距技術(shù)和視覺測距技術(shù)。

1.1激光雷達(dá)測距

激光雷達(dá)測距具有測量時間短、量程長、精度高等特點，但激光雷達(dá)在惡劣天氣環(huán)境下或逆光狀態(tài)下的測距準(zhǔn)確性降低，另外，其造價、耗能、對人眼安全等因素也對其進(jìn)一步應(yīng)用有一定影響。

1.2超聲波測距

超聲波是指振動頻率在20kHz以上的機(jī)械波，具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?。超聲波測距是根據(jù)超聲波反射時間來計算與前方車輛之間的距離。超聲波測距原理比較簡單,成本低，但超聲波的傳輸速度受天氣影響較大，不同天氣條件下的傳輸速度不同。

1.3微波雷達(dá)測距

微波雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)體制，微波雷達(dá)探測的性能比較穩(wěn)定，不易受檢測物表面形狀和顏色的影響，也不易受天氣影響，可以在惡劣的天氣狀況下獲得距離信息。微波雷達(dá)測距主要是利用目標(biāo)對電磁波的反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置。雷達(dá)系統(tǒng)的缺點是空間覆蓋面有限，彼此之間可能產(chǎn)生電磁干擾。

1.4視覺測距技術(shù)

視覺測距通常采用CCD攝像機(jī)來模擬人眼的光電探測原理，以實現(xiàn)對外界環(huán)境信號的采集。捕獲的圖像被視為一個二維陣列，像素是其中的元素，其值即為灰度值或稱亮度值,總體的灰度就形成視覺圖像。獲得數(shù)字圖像后，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行處理，再從圖像數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合利用系統(tǒng)模型進(jìn)行計算，即可完成對外界環(huán)境的檢測。

2攝像機(jī)的工作原理

數(shù)字圖像是計算機(jī)視覺的出發(fā)點，而攝像機(jī)是最常用的圖像獲取裝置，它應(yīng)用對象廣泛，具有使用方便、靈敏度高、輸入速度快等特點。攝像機(jī)通常由攝像鏡頭、攝像器件、電源、放大電路、偏轉(zhuǎn)電路、同步信號發(fā)生電路等部分組成。

按照攝像器件的組成，可將攝像機(jī)分為很多種。目前計算機(jī)視覺系統(tǒng)中常用的是電荷耦合元件（ChargeCoupledDevice）攝像機(jī)，簡稱CCD攝像機(jī)。其工作原理是在硅單晶片上生成一層很薄的二氧化硅，再于其上蒸發(fā)一層間距很小的鋁電極條。加電壓于電極上后，電場穿透二氧化硅薄層，并排斥硅中多數(shù)載流子，從而在電極下的硅單晶片上形成電荷耗盡層，又稱勢阱。當(dāng)硅改變電極電壓，使勢阱內(nèi)的電荷從一個電極傳送到另一個電極時，取出移動的電荷就會形成輸出信號。掃描系統(tǒng)順序掃描各像素，并在一個掃描周期內(nèi)，用較長的時間感光、積累電荷，用極短的時間讀取圖像信號。由于圖像各處的光亮不同，耗盡層內(nèi)“捕捉”的電荷量存在差異，這就完成了圖像的光電轉(zhuǎn)換。

圖1所示是攝像機(jī)工作原理圖。事實上，景深原理在攝

像上有著極其重要的作用。正確理解和運用景深，有助于拍出滿意的畫面。光圈、焦距和物距是決定景深的主要因素。

變焦距鏡頭具有在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變焦距而成像面位置不變的性能，現(xiàn)在已成為家用攝像機(jī)上運用最廣泛的鏡頭。

自動聚集裝置有四種工作方式，即紅外線方式、超聲波方式、海耐烏艾方式和佳能SST方式。它們都有較高的測量精度，分別被應(yīng)用在不同類型的攝像機(jī)之中。

攝像機(jī)是一種把景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分:光學(xué)系統(tǒng)（主要指鏡頭）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指攝像管或固體攝像器件）以及電路系統(tǒng)（主要指視頻處理電路）。

攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的主要部件是光學(xué)鏡頭，它由透鏡系統(tǒng)組合而成。這個透鏡系統(tǒng)包含著許多片凸凹不同的透鏡，其中凸透鏡的中央比邊緣厚，因而經(jīng)透鏡邊緣部分的光線比中央部分的光線會發(fā)生更多的折射。當(dāng)被攝對象經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)透鏡折射后，就可在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的攝像管或固體攝像器件的成像面上形成焦點。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的光敏元件會把焦點外的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成攜帶電荷的電信號。這些電信號的作用是微弱的，必須經(jīng)過電路系統(tǒng)進(jìn)一步放大，以形成符合特定技術(shù)要求的信號，并從攝像機(jī)中輸出。

3聚焦測距分析

3.1光學(xué)原理

基于前面介紹的測距方法很多，由于受單鏡頭和無參考的約束，這里選擇聚焦測量法。其原理如圖2所示。

圖中，P為目標(biāo)物，P。為物像，"0為物距，V。為像距,/為焦距。這樣，根據(jù)成像原理，則有：

丄=丄+丄fuVo

(1)

顯然，只要知道V。和f,距離u就可以計算出來。

3.2視頻原理

當(dāng)自動調(diào)整焦距時，就可以利用自動測量所形成的視頻圖像的最佳清晰度瞬間來確定最佳焦距f,然后通過公式(1)計算出距離"。。設(shè)圖像空域函數(shù)為fx,y),當(dāng)鏡頭聚焦時，圖像紋理最清晰的高頻成分越豐富;散焦時圖像模糊平坦，f(xy)的交流成分很少，尤其是高頻成分。所以，可采用離散余弦變換DCT(DescriteCosineTransform)算法將f(x,y)轉(zhuǎn)換成頻域FQ,j):

/[(2x+1)]ri[(2x+1)]rj

F(i,j)=//f(x,y)cos5-^—cos5!\AGj\

式中，x,y是圖像水平、垂直坐標(biāo)；是圖像畫面正中nXn正方形圖塊參與的運算，x的最大值是n-1，y的最大值是n-1；i，j是頻域矩陣數(shù)據(jù)編號，其中i是行序，是列序,i=。，1，…,n-1,j=0，1,…，n-1。|AC,j|是nXn的矩陣函數(shù)，是DCT運算結(jié)果。當(dāng)i=0,j=0時,ACj=ACoo是直流分量；當(dāng)i豐0,豐0時,ACj是交流系數(shù)。于是，其交流部分的能譜關(guān)系函數(shù)為：

kk

P(f)=//ACiji+0,j+0,kGn/2(3)

i=0j=0

式中,f是焦距變量參數(shù)，當(dāng)連續(xù)改變f時，按公式⑶即可得到圖3所示的視頻能譜與焦距的關(guān)系曲線。

圖3視頻能譜與焦距關(guān)系曲線

從圖3可以看出，當(dāng)f=f最佳聚焦時,能譜最高。當(dāng)f手f時，其能譜向兩邊偏離f逐漸散焦，P(f)也逐漸變小。圖3曲線反映的是聚焦到散焦的變化規(guī)律，它的陡度取決于鏡頭的景深。景深越小，曲線變化越快，峰值越明顯；景深越大，曲線就越趨向平坦(如圖中紅線所示)。視場角越小，圖像紋理也越清晰,Pmf值越大，同時曲線也會更陡峭。曲線越陡峭，峰值f越易找準(zhǔn)，測距越精確。

求出圖像最清晰時的焦距值f代入公式(1)，即可求出目標(biāo)物的距離。

4結(jié)語

本文提出了一種新的視頻圖像測距方法，即在頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析，并完成目標(biāo)物距離的測量。該算法在單鏡頭下就能實現(xiàn)。通過聚焦原理的分析可見，該方法計算速度快，并可降低對硬件的要求，同時又能使產(chǎn)品小型化。

20210917_6144175705703__一種基于頻域分析的圖像測距算法