专利名称：一种测距装置及其测距系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及距离测量的技术领域，具体涉及一种测距装置及其测距系统。
背景技术：
关于测定距离的方法和仪器，大致可以分为两类，S卩，连续调整飞行时间法和立体图像法。连续调整飞行时间法的调制仪器包括光源发射器和光源接收器。接收器接收从目标物体反射回来的光线，并测量光线从目标物体到接收器之间所需的时间，并由此计算仪器和目标物体之间的距离。这种方法的优点是场景中的每个物体的距离都可以得到精确测量。局限性在于，光线发射器的功率对测量距离或多个目标的同时测量有很大的限制，而且这种方法属于侵入性测量。所谓侵入性测量，指测量手段影响到测量目标，从而被测量目标感知到；例如激光、雷达、声波测量等，通过向测量目标发生激光等信号以测量目标的距离，但是发出的激光信号影响到测量目标，也容易被测量目标感知到。立体图像法的图像仪器一般包括两个摄像头，用来捕捉目标图像。两幅图像的差别在于视差角度和对等性，这两项指标可以用来测定距离。这种方法的优点是可以快速测量到场景中的所有目标距离，并且是非侵入性测量。然而，这种方法在已有技术中，通常仅用于测量近距离物体的间距。然而，当测量目标较远时，测量精度不足。众所周知，三角测量方法可以用来测量距离、高度和相关角度。早在公元263年，也就是大约1800年前，正如刘晖一幅画中所证明的，这种应用视线来测量角度的方法已经建立起来了。然而，这种方法只能测量点对点的情况，并且不能快速自动地测出场景中的所有物体的距离。摄影测量的方法利用摄像仪器进行测绘和监测，但是这种方法通常不是实时的，并不是专门用于距离修正功能的。利用数码相机 测量大范围、远距离的优点有很多。这种方法可以捕捉到所有的信息，从而计算出场景中几乎所有物体间的距离，而且，这种测量方法是非侵入性的。而随着计算机技术和极大规模集成电路的发展，由此而产生的运算量也是微不足道的。数码相机在已有技术中是众所周知的，并且已经越来越多地应用到手机和其他移动设备中。多镜头多传感器数码相机的实用新型已经得到美国专利的授权(授权号:N0.6，611，289名称:使用多镜头多传感器的数码相机)。实用新型人:于燕斌等人。在1999年I月，这是首个申请利用多镜头、多传感器技术来获取数字图像的专利。在这个专利中，多重图像数据通过多传感器、多镜头获取，并通过图像处理器处理后，输出最终的图像。多镜头多传感器技术的优点很多，如高分辨率、高动态范围、灵活和宽广的视角等等，都可以在本实用新型得到最好的应用。很显然，以下三个要素将使得基于测距的计算机视觉方案变得可行:立体视觉法和三角测量法的先进算法，高速计算机和低功率损耗的超大规模集成电路，和带多镜头多传感器的高性能数码相机。这种使用多镜头多传感器进行距离修正、测量、勘测和测绘功能的新架构和范例，将逐渐突显出来，并做出前所未有的成就。
实用新型内容本实用新型的目的之一在于设计一种方便测量的测距装置。本实用新型的目的之二在于设计一种方便测量，具有可扩展基线长度的测距系统。为实现本实用新型的目的之一所采用的技术方案:一种测距装置，包括第一摄像部和第二摄像部，其中第一摄像部包括一个或多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，第二摄像部包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器；第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于两个表面，两个表面位于两个基座或位于同一个基座上，且这两个表面之间形成角度已知的夹角；包括信号处理器，与各摄像部连接，用于控制摄像部的拍摄动作，以及接收传感器拍摄的图像信号并计算出目标物体的距离。优选的，所述两个表面形成的夹角为锐角、直角或钝角；摄像镜头设于夹角的外侧面，朝向夹角的外侧。优选的，包括识别装置，与所述基座拆卸连接。优选的，所述识别装置可以为球状、星形、多边形等结构，主要起标记作用，方便识另O。识别装置通过支撑杆连接于第一基座的上方。计算两个测距装置之间的距离时，以两个标记装置所在位置为计算点，从而避免了测距装置过大不方便识别的问题。优选的，所述基座为移动通信终端。优选的，所述移动通信终端为手机；所述手机为翻盖式手机，第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于翻盖式手机的机身和盖体上；或，所述手机为直板式手机，第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于两个直板式手机上，该两个直板式手机通过卡合结构连接。优选的，所述手机为直板式手机时，两个直板式手机之间通过相互接触的物理介质传输信号，或通过无线的方式传输信号；两个直板式手机之间采用实时或半实时的方式传输信号。其中，相互接触的物理介质应该理解为看得见、有形的物理介质。半实时意味图片的传输而不是视频的传输。在信号传输领域，摄影的同步是必需的，一般采用实时的方式传输信号，但是图像相互的传输方式可以是非实时的。视频的传输一般是实时的，图片一般是非实时的或半实时的。无论是何种方式的信号传输方式，接收设备接收到信号的时间，其延时是肯定的。对于实时的方式而言，如语音通信，其延时是受到某些参数限制的。但对于半实时而言，由于其通信信道的条件不确定，每次接受到信号的时间会有所不同，可见其延时是不确定的。以SMS为例，SMS是一种存储和转发服务，也就是说，信息的传输并不是直接从发送设备发送到接收设备的，而始终通过SMS中心进行转发。如果接收设备处于未连接状态，则信息将在接收设备再次连接时发送。为实现本实用新型的目的之二所采用的技术方案为:一种测距系统，由两个所述的测距装置组成，每个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向另一测距装置；每个测距装置还包括无线信号发射接收装置，与信号处理器连接，用于两个测距装置之间传输信号。[0023]优选的，每个测距装置均包括识别装置，与基座拆卸连接；第二摄像部朝向另一测距装置的识别装置。优选的，两个测距装置的第一摄像部均包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，不同摄像镜头具有不同的焦距。为实现本实用新型的目的之二所采用的技术方案为:一种测距系统，包括两个所述的测距装置以及标记装置，每个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向标记装置；每个测距装置还包括无线信号发射接收装置，与信号处理器连接，用于两个测距装置之间传输信号。优选的，两个测距装置的第一摄像部均包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，不同摄像镜头具有不同的焦距。优选的，所述标记装置上设有多个标记物，不同标记物具有不同颜色。标记物可以是球状、星形、多边形等结构，主要起标记作用，方便识别。利用上述测距系统的测距方法为:方案一一种测距方法，包括测距装置该方法包括如下步骤:步骤一、选取第一拍摄点，将测距装置置于第一拍摄点，第一摄像部朝向待测目标，处理器控制第一摄像部拍摄，获得待测目标的拍摄图像；步骤二、选取第二拍摄点，将测距装置置于第二拍摄点，第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向第一拍摄点，处理器控制第一摄像部和第二摄像部同时拍摄，获得待测目标和弟一拍摄点的拍摄图像；步骤三、处理器依据步骤二获得的第一拍摄点的图像计算出第一拍摄点和第二拍摄点的距离，得出第一拍摄点和第二拍摄点的基线长度。步骤四、处理器依据步骤一中获得的待测目标的拍摄图像，计算出以第一拍摄点为顶点、以基线和待测目标方向为边的夹角的大小；处理器依据步骤二中获得的待测目标的拍摄图像，计算出以第二拍摄点为顶点、以基线和待测目标方向为边的夹角的大小；步骤五、处理器依据上述步骤算出的夹角大小和基线长度，利用三角形边角关系的原理计算出待测目标和两个拍摄点之间的距离。方案二一种测距方法，包括测距装置和识别装置，该方法包括如下步骤:步骤一、选取第一拍摄点和第二拍摄点；步骤二、将测距装置置于第一拍摄点，而识别装置置于第二拍摄点，第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向识别装置；处理器控制第一摄像部和第二摄像部同时拍摄，获得第一组待测目标和识别装置的拍摄图像；步骤三、将测距装置置于第二拍摄点，而识别装置置于第一拍摄点，第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向识别装置；处理器控制第一摄像部和第二摄像部同时拍摄，获得第二组待测目标和识别装置的拍摄图像；步骤四、处理器分别依据第一组或第二组识别装置的拍摄图像计算出第一拍摄点和第二拍摄点的距离，取两次计算的平均值，得出第一拍摄点和第二拍摄点的基线长度；步骤五、处理器依据第一组待测目标的拍摄图像，计算出以第一拍摄点为顶点、以基线和待测目标方向为边的夹角的大小；处理器依据第二组待测目标的拍摄图像，计算出以第二拍摄点为顶点、以基线和待测目标方向为边的夹角的大小；步骤六、处理器依据步骤五算出的两个夹角的大小，以及步骤四算出的基线长度，利用三角形边角关系的原理计算出待测目标和两个拍摄点之间的距离。优选的，所述识别装置是点状物，或是长度已知的物品。其中点状物，如圆球状或近似圆球状的物体。长度已知的物品，如杆状或近似杆状的物体，其上两点之间的距离是已知的。还可以将点状物设于长度已知物体上，如杆状体的两端。方案三一种测距方法，包括测距系统，测距系统包括第一测距装置和第二测距装置，该方法包括以下步骤:步骤一、选取第一拍摄点和第二拍摄点；步骤二、第一测距装置置于第一拍摄点，第二测距装置置于第二拍摄点；两个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向另一测距装置；步骤三、处理器控制两个测距装置的所有摄像部同时拍摄，获得拍摄图像；步骤四、其中一个测距装置将拍摄获得的图像信号通过相互接触的物理介质或通过无线信号发射接收装置传输给另一个测距装置，该接收到拍摄图像的测距装置为主测距装置；步骤五、主测距装置分别依据第一测距装置或第二测距装置的第二摄像部拍摄获得的图像计算出第一拍摄点和第二拍摄点的距离，取两次计算的平均值，得出第一拍摄点和第二拍摄点的基线长度；步骤六、主测距装置依据步骤五算得的基线长度和两个测距装置的第一摄像部拍摄获得的待测目标的图像，计算出待测目标和两个拍摄点的距离。该步骤的计算方法参照上述方案二所述测距方法的步骤五和步骤六。优选的，包括校正的步骤:拍摄前，对每个摄像部进行校正，记录其焦距和聚焦孔径的参数，以及传感器上像素位置对应的实测角度；将校正记录的数据传输给测距装置，用于修正主测距装置的计算结果。优选的，根据算得的基线的长度和待测目标与两个拍摄点的距离，重新选取第一拍摄点和第二拍摄点，使基线的长度大于待测目标与两个拍摄点距离的十分之一，重复步骤二至步骤六，此时所测为最终结果。方案四一种测距方法，包括测距系统，测距系统包括第一测距装置、第二测距装置和标记装置，该方法包括以下步骤:步骤一、选取第一拍摄点和第二拍摄点；步骤二、第一测距装置置于第一拍摄点，第二测距装置置于第二拍摄点，标记装置置于两个拍摄点之间；两个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向标记装置；步骤三、处理器控制两个测距装置的所有摄像部同时拍摄，获得拍摄图像；步骤四、其中一个测距装置将拍摄获得的图像信号通过相互接触的物理介质或通过无线信号发射接收装置传输给另一个测距装置，该接收到拍摄图像的测距装置为主测距装置；步骤五、主测距装置依据两个测距装置拍摄获得的标记装置的图像，计算出第一拍摄点和第二拍摄点的基线长度；步骤六、主测距装置依据步骤五算得的基线长度和两个测距装置的第一摄像部拍摄获得的待测目标的图像，计算出待测目标和两个拍摄点的距离。该步骤的计算方法参照上述方案二所述测距方法的步骤五和步骤六。优选的，包括校正的步骤:拍摄前，对每个摄像部进行校正，记录其焦距和聚焦孔径的参数，以及传感器上像素位置对应的实测角度；将校正记录的数据传输给测距装置，用于修正主测距装置的计算结果。优选的，根据算得的基线的长度和待测目标与两个拍摄点的距离，重新选取第一拍摄点和第二拍摄点，使基线的长度大于待测目标与两个拍摄点距离的十分之一，重复步骤二至步骤六，此时所测为最终结果。优选的，所述标记装置是点状物，或是长度已知的物品。其中点状物，如圆球状或近似圆球状的物体。长度已知的物品，如杆状或近似杆状的物体，其上两点之间的距离是已知的。还可以将点状物设于长度已知物体上，如杆状体的两端。优选的，本申请所述的摄像部获取待测目标的图像包括，通过拍照的方式获取，或通过截取摄像视频中图像的方式获取；例如，可以边拍摄视频边截取视频中的图像，如此实现实时测距的效果更好。本实用新型是具有多镜头多传感器的测距方法和测距设备。测距装置由两个或两个以上的镜头和传感器组组成，并根据设备所产生的图像或多组仪器产生的图像组来完成多个三角操作计算。该仪器同时采集目标物体和参考点的图像，可以准确测量并再次编码目标物体和基准线之间的角。该仪器可以自动找到对应点并使用三角测量计算距离。该方法非常严谨、快速、准确，并且可以高精度、大测量范围内高效执行测距。本实用新型是一项摄像测距系统的实用新型，它克服了由多个装置和数字信号处理方式的立体视觉测量系统的短基线的问题。它是一个基于数码相机和非侵入测量的距离测量系统，该系统具有灵活和扩大的基线实时计算方法，从而获得高精度的距离或其他信息的测量数据。扩大基线可以由两个或者更多的多镜头相机用一致的方式协同工作，并且通过实时测量和计算获得。

图1为本实用新型实施例测距装置的正面视图图2为本实用新型实施例测距装置的背面视图图3为本实用新型实施例测距装置的结构示意图图4为本实用新型实施例测距装置的测距原理示意图图5为本实用新型实施例测距装置的测距原理示意图图6为本实用新型实施例测距装置的测距原理示意图图7为本实用新型实施例测距装置应用标记物计算基线长度的工作原理图图8为本标记装置的结构示意图图9为本实用新型实施例测距装置应用标记物计算基线长度的工作原理图[0078]图10为本实用新型实施例测距装置计算视角值的原理示意图具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明:如图1和图2所示，为本实用新型的一种实施例，测距装置的结构示意图，包括第一基座I和第二基座2，本实施例中第一基座I和第二基座2为平板状结构，并相互垂直设置。两基座的外侧均设有多个摄像头，分别为所述的第一摄像部和第二摄像部。如图1所示，第一基座I的外侧面上均匀设有五个摄像头，其中包括两个长焦距摄像头4和三个短焦距摄像头3 ;第二基座2的外侧面上亦均匀设有五个摄像头5，均为短焦距摄像头。图1中还包括一个识别装置6，具体为一个球状的识别装置，设于第一基座I的上侧，作为计算两个测距装置之间基线长度的端点。如图2所示，第一基座I的内侧面上设有IXD显示屏8，用于显示、操作，触控等。显示屏上方设有操作本测距装置工作的按键7。如图3所示，为图1和图2所示实施例的简化结构示意图，图中四个镜头和传感器分成两组，面对不同的方向进行工作。第一基座I和第二基座2相互垂直，第一基座I上的摄像头包括透镜31和传感器32，第二基座上的摄像头也包括透镜51和传感器52，所有摄像头拍摄的数据均传输到信号处理器9集中运算处理。图中标号10为拍摄目标，虚线箭头12为光线路径，实线箭头11为数据线；拍摄目标10通过透镜在传感器上成像，传感器与信号处理器9连接，将接收到的图像信号传输给信号处理器9。图3的测距装置具有在同一时间获取两个方向的两个视图的图像信息的功能。其中一个基座上的镜头和传感器组用于测量基线长度，即两个测距装置之间的距离，通常为两组镜头和传感器同时工作测量基线，在某些情况下，只需其中一组镜头和传感器即可测出基线的长度。当多个镜头组聚焦在单个物体时，它们协调地工作，以获得比单个设备更好的性能。图中的信号处理器9接收和处理来自四个传感器的数据。当两个测距装置同时工作时，就需要有一个无线或有线的图像数据传输装置，来将图像数据传送到所有两个或其中一个测距装置中。具体地，信号处理器9，负责对图像数据进行处理，在本实施例中，处理器9还负责对多镜头和多传感器摄像机的控制，两个基座上的摄像头分别指向不同的方向，这两组摄像头间的角度可以是固定，也可以进行高精度的配置或调整。如果为了获得更高的空间分辨率，这种工作机构可以很容易被扩展成更多镜头、更多传感器的配置方式，如同时使用长焦镜头和广角镜头的情况。本实施例的测距装置还有同步控制，以确保两台测距装置能同时进行拍照。在特定模式下，只使用其中一台装置，此时对象是静止的。本实施例摄像头的其他的功能比较普遍，如自动曝光控制，自动对焦(或人工对焦)等等。对于其他的实施例来说，本实用新型的测距装置，至少应有两组镜头和传感器，分布在两个平面内(对应前述实施例的第一和第二基座)；其中至少有一组镜头和传感器聚焦在待测目标上；镜头和传感器所在的两个平面之间的夹角是固定或预先设定的，或为可调节的模式。对于所述两个平面，每个平面的镜头和传感器组的个数都可以超过两个；通常来说，负责执行基线计算的那个平面的镜头和传感器组的个数至少有两个，因此，可以在同一时间直接测量出两个装置间的角度和距离，算出基线；此外，负责拍摄计算待测目标的那个平面，需要一个或多个镜头和传感器组，以便更好的对仰角信息进行测量。本实施例测距装置的第一和第二基座可以是目前市场上的翻盖手机的两个翻板，在翻盖手机的外侧面设置镜头和识别装置，具有方便、实用、易推广使用的效果。此外，第一和第二基座还可以是两个直板手机或平板电脑通过卡合的组装方式连接形成，在现有的直板手机或平板电脑的基础上设置卡扣，使得其可以联合使用，此时，处理数据时可以指定其中一台直板手机或平板电脑集中计算；此外，设置卡扣的同时，还可以设置数据接口进行相互间的通讯，当然亦可采用无线传输的方式通讯。众所周知，两个镜头利用视差和三角模型计算的原理可以测出目标物体的距离，但由于设备以及人的因素，两个固定基线的镜头所测出的距离的精度，随距离的变大而变差。即，当目标物体距离镜头越远，镜头测得的距离大小误差越大。就好像人眼观察的情况，当目测10米以内的物体时，能够较准确地估算其距离；但当目测一公里以外的物体时，估算的误差变的相当大。实用新型人经过演算分析，发现当两镜头之间的距离(指所谓的基线)越大，同等情况下测出的目标物体距离的误差越小。本实施例是一个便携的测距装置。现在当我们查阅相关的图样时，我们可以发现，在不同的视图上，有很多相似的数码与相似的样图相对应。显然，三角测量法可以利用以下的方程来计算出距离:z=c*(f*p)/b(I)其中，系数c由多个因素决定，可以在校正环节确定；f是镜头的焦距；P是同一对象的两个图像的观测校验值；b是两个镜头间的距离，如基线的长度。
对应一组给定的参数，则一阶偏差的表示如下:δ Z= (c*f/b) * δ p- (c*f*f*p/b2) * δ b(2)在这里，有其他几种方法可以提高距离测量的精确度。其中，由校验值引起的偏差是造成最终误差的主要原因。在计算纵深距离，而且当测量距离比较远时，一个或者甚至少于一个像素的校验值都能引起重大的计算误差。我们可以扩展焦距f，以改善奇偶测量校验的准确性。但是，如此长的焦距同时也会制约装置的视界，同时还会变得笨重而无法灵活使用。例如，常规的镜头具有60°的视角。如果使用100倍数的长焦镜头，那么它的视角也就只有常规镜头的十分之一了，也就是只有6°的视角了。当然在另一方面，这种长焦距方法也可以被适度应用，或者和其他的方式结合使用。如在本实施例中，一个多镜头多传感器相机可以保证大的观测视角和高精度的观测效果。这个相机可以在不同方向同时采用不同焦距，如一个方向采用标准焦距，另一个方向采用4-10X的焦距(2-3倍的缩放系数)。而奇偶分辨率也可以从标准清晰度提升到高清晰度，如从512提升到3000。这里有一套采用更短基线的立体图像匹配算法的详细说明。一种现有系统的性能参数说明如下:配置:22cm基线，512X372,40° 的视角有效的工作范围:2.7米35米；距离分辨率:在3米时达到0.01米，在38米时达到1.1米；空间分辨率:在3米时达到0.004米，在38米时达到0.05米;[0103]成像:MicronMT9V022CM0S 成像器；采用全帧快门。其中，距离分辨率指纵深方向的分辨率，空间分辨率指横向的分辨率。可以看出，当测距对象的距离变大时，误差也同时增大。这里有两个原因:1、即使角分辨率不变，空间分辨率也降低了 ；2、较长的距离，视差变得越来越小。对于一个给定的基线(如22cm)，当距离从3米变化到38米，空间分辨率也由0.004米变化到0.05米，也就是大约12倍。但此时的距离分辨率却从0.01米变化到1.1米，也就是大约110倍。通过对比相同的数据，可以轻易推出，如果运用可变焦的镜头(在其中一个方向采用4X，2X的镜头)和6百万像素的高清晰度传感器(3000X2000)，那么可以在不改变基线的情况下，将分辨率提高12倍。例如，如果将基线增加到22米，那么测距距离将增加到几千米远。如图1所示，在多镜头多传感器的配置中，不同焦距的镜头能同时被使用，而且广角和高精度角度测量的所有优点都能被同时拥有。从式(2)可以看出，由校验测量误差引起的视差跟基线的长度是成反比的。所以，基线越长，最终误差将越小。而且，可以看出，由校验引起的误差比由基线本身引起的最终误差要敏感得多。实际上，最终误差只跟基线自身的平方成正比。因此，我们可以得出一个结论，那就是改善距离测量的更有效的方法是扩大系统的基线。本实施例的测距原理:图4描述的是立体视觉测量距离的原理图。如果两个镜头13和传感器14被安装到同一装置上，则两个传感器之间的安装角度α、β和距离R是已知的。因此，就能方便的计算出测量目标10的距离。实际上，这就是利用立体照相机测量距离的基本架构。然而，由于受制于有限的基线长度，这类装置只有有限的测距分辨率。图5显示的是一个具有灵活和扩展的基线R的改进的测距装置，其中一组透镜13和传感器14可围绕另一组透镜和传感器转动，同时还可自转，从而灵活调整视角。作为图4的一个改进方案，如果角度α和角度β能被准确的测量，那么就能计算出测量目标10的距离。由于扩展了基线R，因此距离的测量精度也被提高。然而，当两个镜头13和传感器14不在同一测距装置上时，如何测量角度α和角度β才是真正困难的事情。虽然某种意义上，两个测距装置都能用其他方法测得高精度的角度值，比如用天文观测。图6所示的测距装置是实际环境中的使用示例，图中的两个测距装置间采用串联方式工作。每个测距装置有一个识别装置，以供另一个设备观测。左边和右边的测距装置在同一时间对同一物体10各拍一张照片。图像数据被集中在其中一个测距装置中进行处理。基线15可以通过其中任一装置测得，或是由两个装置共同测得以尽量减少错误。然后，可以由角度α和角度β，测量出物体10和测距装置间的距离。图6中13为透镜，14为传感器。图6的例子中，面向物体10的透镜和传感器组只有一组。图7是一个2D平面内扩展基线的原理图，即假设所有的对象都是处于同一平面。这里共有两个独立的测距装置，两个标记点10-2和10-3位于两个装置的中部，两个标记点之间的长度LI已知，用于计算基线15的长度。当来自两个装置的图像数据被集中在其中一个装置中处理时，基线15的值就会被首先计算得到。然后，待测对象10-1与任一测距装置间的距离也能被测量得到。图7中，13为透镜，14为传感器；角度α和角度β分别为待测对象10-1、测距装置和标记点10-2之间的角度，角度Θ和角度Y分别为两个测距装置和标记点10-2、10-3之间的角度；L2为在两个标记点所在直线的方向上，标记点10-2至基线15的距离。图8是一个3D标记装置10，它带有3个可以用来做距离修正的标识物a、b、C，图中那些标识点间的距离和连线间的角度已知的。其作为测距的辅助工具，使用其测距时，将其置于两个测距装置之间，每个测距装置单独测量计算其与各个标记物之间的距离和角度，从而进一步计算出两个测距装置之间的基线距离。图9所示的是3D测距的情况，高度(Z)也应被考虑进去。左右两个测距装置取得标记点10a、10b和10c，还有待测对象IOd的图像。标记点之间的距离和角度都是已知的，在3D的情况，如果两个测距装置不在同一水平面上，就需要取得IOa-1Ob和IOb-1Oc的长度，从而计算出两个测距装置之间的基线长度。基于对LI，L2和L3的测量计算，就能计算出Cl和C2间的基准线的值。然后，就可以根据测得的角度α和角度β，求得要测量的待测对象IOd的距离。图中，角度Θ和角度Y分别为两个测距装置和标记点10a、10b之间的角度。图10说明了在传感器平面(测量对象平面也是)上像素补偿和角度之间的关联。可以用这个关联来计算像 素补偿图像中对应的两个对象间的视角的值。图10中，13为透镜，14为传感器。数码相机可以被认为是人类的一种扩展能力，用来测量同一场景中两个对象的角度。图10所示，图像中与对象有关的三角形的角度相对应的像素差别(补偿)。可以看出，这些角度差异并不一致，但却是由图像中相对位置的像素决定。如果两张图是由一组带两个镜头和传感器的装置摄取，那么同一对象的像素校验角度差将是一致的。图10中的角度测量和像素补偿测量法的关系可以描述如下:对于对象平面的一个小型对象△，假设其对应的角度是α，传感器平面上对应的小偏移量是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 )))当Y=O 时，则:Δ =R*sin ( a )/cos ( a )=R*sin(a)如果a的值很小所以，a=sin_1(A/R)当Y=30 °镜头的标准视角，则: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，a=SirT1GAz^R)其中，V 3表示对3开方运算的意思，SirT1为反正弦函数。这意味着，对于传感器平面的任一像素，如果视角增加，则对应的空间角也增加。通常，镜头的几何失真(TV失真)范围为2-0.1%，要大于一个像素的失真度。因此，我们可以采用其他机制来控制和最小化图形失真，如电子校正等。上述的角度测量和像素补偿测量结果的精度受镜头和传感器质量的影响，因此，可以适当的使用更好的设备以获取更高的性能。例如，水平方向的像素量可以从标准清晰度的640px调整到3000px。本实施例测距装置的一种典型配置的参数为:配置:基线6.5_30cm 视角 60° ;有效范围:1-3500米；空间分辨率:[email protected] to0.5mi3500m ；测距分辨率:0.01mi3m to3mi3500m(基线为 350 米)；光学部件:焦距:6-25mm ；成像装置:6百万像素的多CMOS成像器(2000 X 3000)。本实施例具有多种功用，根据测量所需的精度，选择不同的使用方式。当需要测量近距离物体的距离时，如100米以内，只需一个本实施例的测距装置单独工作即可，通过两个镜头的配合测出符合精度要求的物体的距离，如图4和图5所示。当需要测量远距离物体的距离时，如I公里以外，为达到较优的测量精度，需要增加两镜头之间基线的长度，此时可以使用两个本实施例的测距装置，该两个测距装置相互配合使用，其之间的距离即为基线的长度。如此可以获得例如100米以内的扩展的基线长度，相比原来单个测距装置的基线，大大提高了测距的精度。现有的设备中，基线长度常受到设备本身的形状、尺寸的制约，对于便携式设备，其基线的长度通常不会大于10米。如需再增加基线的长度，这是现有设备办不到的。使用本实施例的测距装置获取更大的基线长度时，测距装置的第一基座朝向待测物体，用于拍摄待查物体的图像；第二基座朝向另一个测距装置，两个测距装置的第二基座彼此相对，用于测量两个测距装置之间的距离。同一测距装置的第一基座上的摄像头拍摄的图像可用于去模糊处理，不同测距装置的第一基座拍摄的图像可用于计算待测物体的距离。两测距装置之间的基线长度以识别装置之间的距离为准。两个测距装置同时工作的方式，简单、快捷、实时，尤其适用于运动物体的测距工作。如图6所示。如果待测量的远距离物体是静止的，使用者还可以仅用一个本实施例的测距装置即可完成高精度测距的任务。操作如下，使用者先在A点摄得待测物体的图像，然后前往B点摄取待测物体的图像，获得A、B点的距离，以及拍摄角度，经计算机计算即可得出待测物体的距离。获得A、B点距离的方式有，人为测量，但这种方式较为不方便；更优的，可将测距装置上的识别装置取下放于A点，然后在B点使用测距装置的第二基座上的摄像头拍摄，利用测距装置本身测得A、B点的距离。当进一步需要测量更远的距离时，如10公里以外，为继续保持良好的精度，需要进一步增加基线的长度，如将基线长度增加到几百米甚至I公里以上，上两段所述的测量基线的方法已经不适应。可在两个测距装置之间事先设好标记物，如图7、图8和图9所示，标记物的各个参照点之间的距离已知，若为三个以上的参照点，则参照点之间的角度已知，两个测距装置的第二基座均朝向标记物，分别测出各自与标记物的参照点之间的角度和距离，再综合算出两个测距装置之间的距离，如此大大提高了测量基线时的精度。设置多个参照点，可以相互合作计算并进一步减小误差。当需要测量大物体时，比如楼、山等，此时需要长、短焦距的镜头同时配合使用。镜头的焦距与镜头的视角和距离分辨率有着矛盾的关系，较长焦距的镜头，具有较好的距离分辨率，但其视角较小，如需要测量的物体较大时，甚至不能完全把物体拍摄下来；然而较短焦距的镜头虽然具有较宽的视角，但其距离分辨率较差，当测量物体距离过远时，无法满足精度的要求。本实施例的测距装置第一基座上的摄像头具有不同的焦距，不同焦距的摄像头可以同时工作，相互配合彼此以减小视角小和距离分辨率差的影响。本实用新型测距方法的具体实施方式
如下:对于每个多镜头和多传感器组来说，镜头和传感器的个数都可以超过两个。通常来说，负责执行基线计算的那个组的镜头和传感器的个数有两个，甚至更多。因此，可以在同一时间直接测量出两个装置间的角度和距离。此外，还需要多一个或几个镜头和传感器用于测量目标的距离，以便更好的对仰角信息进行测量。本装置有同步机制，以确保两台装置能同时进行拍照。在特定情况下，只使用其中一台装置，此时对象是静止的。其他的相机装置比较普遍，如自动曝光控制，自动对焦(或人工对焦)等等。两个测距装置之间通过无线方式对拍照时间进行同步，并在拍照后交换图像数据。由于每个装置都有自己的实时时钟，所以可以预先设定好程序执行所有操作。其他的实施例中，也采用无线方式，如高精度的GPS或相似系统，本地无线网络或相似系统，可以采用飞行时间法和光学三角测量法来测量和确认基线的值。其他已知的参照点，如太阳、月亮，几何参照点和控制点，或相互的参照点都能被用来准确获得装置间的相对位置和角度，或者对象装置间的角度值。因此，能由此执行更好的测距操作。此外，本实用新型所述拍摄获取测距对象的图像，其拍摄方式应该包括直接拍摄测距对象的照片，以及截取拍摄测距对象的视频中的图片。方法描述:本实施例中，最好先校正测距装置。校准后，用户可以通过一个对象设定好其中一组镜头和传感器的参数，另一组镜头和传感器则通过其他的装置对基线测量进行设置。同时拍照之后，两组装置间互相交换图像数据，从而计算出基线和距离的值。详细的操作流程描述如下:1、校准:对于一个给定的设置，如焦距和聚焦孔径的参数，需要对传感器的每个像素进行校正，并记录下来。像素位置对应的实测角也会被记录下来，并体现在最终的计算中。所有的误差，如透镜像差、系统误差和安装偏差等因素都被记录下来。需要在水平和垂直方向分别校正。在立体测量中会用到两组或更多的镜头和传感器，在计算距离之前，也要通过实际距离的测量进行校正。某些参数，如镜头和传感器之间的距离都要特别设定和校正。校正的数值将作为装置的内置存储数据。2、配置设备:对于场景中对象的测距，采用两个测距装置，两个测距装置工作于串联模式。两个测距装置之间的基线长度至少应该为所测距离的十分之一，才能保证较好的测量精度。测距装置的一组镜头和传感器对着测距对象，另一组则面对着另一个测距装置(或者标记装置、参照点)。3、对物体和其他测距装置进行拍照:确保所有相关的镜头和传感器都调节到良好适宜的状态。通常，拍摄同一目标的两组镜头最好具有相同或相似的参数设置，如曝光时间，以减少后期的像素匹配处理。在特定的时间、地点，两个测距装置共四组镜头同时拍照。4、用无线或其他方式将图像数据传输到处理器中:将其中一个测距装置取得的图像数据，连同相关的描述、误差和设置参数，如两组镜头间的角度、光圈、缩放系数、曝光时间、校正数据等等，一起传输到另一个测距装置上。由一个测距装置进行数据收集并执行数据处理。5、计算基线值:首先通过本测距装置获取的图像数据信息来计算基线，再通过另一个测距装置的图像数据进行验证和确认。6、计算距离:对一个给定的对象，先通过立体图像匹配算法，如运动估计，找出两个测距装置拍摄的目标的对应像素集。然后计算出基线和对象间的角度。进而计算出对象的距离。回到第3步，再计算一次，从而验证和改善测距数据。根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式
，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
权利要求1.一种测距装置，其特征在于:包括第一摄像部和第二摄像部，其中第一摄像部包括一个或多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，第二摄像部包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器； 第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于两个表面，两个表面位于两个基座或位于同一个基座上，且这两个表面之间形成角度已知的夹角； 包括信号处理器，与各摄像部连接，用于控制摄像部的拍摄动作，以及接收传感器拍摄的图像信号并计算出目标物体的距离。
2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于:所述两个表面形成的夹角为锐角、直角或钝角；摄像镜头设于夹角的外侧面，朝向夹角的外侧。
3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于:包括识别装置，与所述基座拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于:所述基座为移动通信终端。
5.根据权利要求4所述的测距装置，其特征在于:所述移动通信终端为手机； 所述手机为翻盖式手机，第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于翻盖式手机的机身和盖体上；或， 所述手机为直板式手机，第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于两个直板式手机上，该两个直板式手机通过卡合结构连接。
6.根据权利要求5所述的测距装置，其特征在于:所述手机为直板式手机时，两个直板式手机之间通过相互接触的物理介质传输信号，或通过无线的方式传输信号；两个直板式手机之间的信号传输是实时或半实时的。
7.一种应用权利要求1测距装置的测距系统，其特征在于:由两个所述的测距装置组成，每个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向另一测距装置；每个测距装置还包括无线信号发射接收装置，与信号处理器连接，用于两个测距装置之间传输信号。
8.根据权利要求7所述的测距装置，其特征在于:每个测距装置均包括识别装置，与基座拆卸连接；第二摄像部朝向另一测距装置的识别装置。
9.一种应用权利要求1测距装置的测距系统，其特征在于:包括两个所述的测距装置以及标记装置，每个测距装置的第一摄像部朝向待测目标，第二摄像部朝向标记装置；每个测距装置还包括无线信号发射接收装置，与信号处理器连接，用于两个测距装置之间传输信号。
10.根据权利要求7或9所述的测距系统，其特征在于:两个测距装置的第一摄像部均包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，不同摄像镜头具有不同的焦距。
11.根据权利要求9所述的测距系统，其特征在于:所述标记装置上设有多个标记物。
专利摘要本实用新型公开了一种测距装置及其测距系统，包括第一摄像部和第二摄像部，其中第一摄像部包括一个或多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器，第二摄像部包括多个摄像镜头以及与摄像镜头对应的摄像传感器；第一摄像部的摄像镜头和第二摄像部的摄像镜头分别设于两个表面，这两个表面形成角度已知的夹角；还包括信号处理器，与各摄像部连接。本实用新型还公开了一种测距系统，包括两个相互配合的测距装置，实现实时测距的效果。本实用新型具有灵活和扩大的基线实时计算方法，从而获得高精度的距离测量结果。
文档编号G01C3/00GK203069176SQ20132002172
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者于燕斌, 杜娟 申请人:广州市盛光微电子有限公司