一种分离移动式立体测距相机及其设计方法
技术领域
本发明属于测距相机设计技术领域，具体是一种分离移动式立体测距相机及其设计方法。
背景技术
目前世界上主流的目标点测距的方法，主要有以双目相机为代表的立体相机和激光测距法。双目相机一般是两个镜头固定在一个电路版上，相机朝向一个方向，通过测量物体偏移的像素点来计算距离。所测量距离和精度受到两个相机的距离也就是基线长度的限制。一般一个相机的尺寸在10厘米至20厘米，由于基线长度较近，所测量的物体的距离非常近，因此双目相机适合短距离的精准测量，所测量的物体的精准距离为5米左右。
在测量远距离物体或目标点的时候，如50米以上时，双目相机的测量距离深受其基线距离的影响，无法准确测量。也极其不现实的去制作基线几米甚至十几米长的双目相机。目前主流的远距离测距方法是用激光测距，通过发射主动激光然后计算激光反射时间去计算距离，然而激光测距设备在户外测量时会受到天气、光照、空气中弥散粉尘等环境因素影响而造成精度下降。
需要提供了一种区别于上述双目相机和激光测距仪的测距方法，尤其适用于中远距离的物体或者目标点精准测距。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种分离移动式立体测距相机及其设计方法，该装置要解决的技术问题是：如何实现在不同地形、地貌和天气等环境条件下，进行中远距离目标点的精准测距。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种分离移动式立体测距相机，包括主相机、辅助相机和数据处理平台，主相机和辅助相机均包括一个用于拍照的相机模组，以及能够获取所在环境空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度的惯性传感器系统和能够传输无线数据信号的无线通讯模块。
本发明的工作原理是：在进行测距时，使用主相机对目标点进行拍照并以主相机的位置和拍摄角度为原点建立三维立体空间坐标系，将辅助相机放置在主相机的同一空间位置进行空间初始化，辅助相机将通过内置的惯性传感器系统获取主相机的空间信息，初始化后将主相机的空间坐标定义为原点，移动辅助相机至空间另一位置对焦目标点进行拍摄，使得辅助相机、主相机和目标点在空间成三角形，辅助相机将通过内置的惯性传感器系统可以获知辅助相机所在位置的空间坐标以及拍摄角度的转动角度等信息，拍摄的图片数据和惯性传感器系统获取的实时数据可以通过无线通讯模块实时地传输至数据处理平台，数据处理平台在获取无线通讯模块的数据后，通过设定的算法进行计算得出原点至目标点的距离和本次测量的误差程度值，通过误差程度值进行自检验，与设定的误差阈值进行比较，如果小于设定的误差阈值，则本次测量结束，如果大于设定的误差阈值，则重新测量，以此保证测量精度；还可以通过多次测量进行加权平均以获得高精度稳定的测量距离值。
所述相机模组的外部设置有机壳，机壳内设置有蓄电池，主相机和辅助相机均配置有相机支架，蓄电池为可充电电池，主相机和辅助相机放置在相机支架上进行测量，便于调节，使相机保持稳定，提高测量精准度。
所述相机模组采用能够以每秒钟一定的帧率来抓取图片且具有较高的分辨率和长焦距的相机系统；拍摄的每张图片具有一定分辨率，即像素点，便于后期处理的图像识别和拍取远处的物体的清晰图片。
所述数据处理平台为以计算机计算系统平台为终端，内嵌于主相机或者独立的计算机系统；该计算机系统在获取无线通讯模块的数据后，能够进行计算并算出目标点的距离和本次测量的误差程度值。
所述主相机、辅助相机和数据处理平台均设置有可视化窗口，可视化窗口中心设置有中心标记，优选地，中心标记为十字心标记，主相机和辅助相机图像中心的像素点用来对准锁定目标点，便于操作人员肉眼进行瞄准。
所述惯性传感器系统包括三轴角速度传感器、三轴加速度传感器、三轴磁传感器、GPS定位器、气压传感器和微处理器；上述传感器构成了惯性传感器系统，由微处理器将这些传感器获取的状态数据进行计算出传感器系统所在环境的空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度等数据，通过无线通讯模块传输给数据处理平台。
所述无线通讯模块为lora或者4G协议的通讯模块，能够将相机的数据以无线的方式传输到数据处理平台。
上述分离移动式立体测距相机进行测距的设计方法具体步骤如下，
步骤一，固定主相机位置锁定目标点；惯性传感器系统能够计算出传感器系统所在环境的空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度，其坐标数据如下：
其中，X、Y、Z代表传感器所在的空间位置，θx、θy、θz代表传感器X、Y、Z轴旋转的角度，Vx、Vy、Vz代表传感器的移动速度；
步骤二，初始化主相机和辅助相机空间坐标：将主相机放置在相机支架上，主相机中心对准目标点，记录主相机的惯性传感器系统的各项数据，然后将辅助相机放置在该相机支架上进行空间坐标初始化，辅助相机中心对准目标点，辅助相机将通过内置的惯性传感器系统获取主相机的空间信息，即可以知道主相机和辅助相机中各惯性传感器之间的差值；初始化过程中以主相机的空间坐标定义为原点建立三维坐标系，使得X轴指向目标点，Y轴和Z轴分别与X轴垂直，主相机和辅助相机初始化的空间位置为三维坐标系的原点，即(0，0，0)，主相机的空间坐标为0，旋转角度为0，静置在三脚架上速度也为0，主相机通过惯性传感器系统所获得的坐标数据设为：
步骤三，移动辅助相机至空间另一位置O1，使得辅助相机、主相机和目标点在空间成三角形，调整辅助相机中心锁定被测目标点，获取辅助相机的空间位置和旋转角度，此时辅助相机的三维坐标系X轴同样也会指向目标点，主动相机和辅助相机所成像的同一像素点都是目标点；辅助相机从原点移动到位置O1后，经过移动惯性传感器系统给出数据：
其中，X1、Y1、Z1代表移动辅助相机所在的空间位置O1的空间坐标，θx1、θy1、θz1代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度，由于辅助传感器的X轴指向目标点，故θx1为0，由于辅助相机拍照的状态静止，故移动速度为0；
优选地，所形成的三角形尽量避免出现角度小于30°的锐角以降低计算带来的误差，即在测量时辅助相机、主相机和目标点在空间形成三角形任一角度均大于30°保证测量精度；
步骤四，主相机和辅助相机中惯性传感器系统测得的各项数据通过无线通讯模块传输至数据处理平台，通过数据处理平台中计算平台设定的算法进行计算得出原点至目标点的距离d和本次测量的误差程度值ε；计算方法如下，在建立的空间坐标系模型中，主相机、辅助相机和目标点形成空间三角形，辅助相机的惯性传感器系统的输出数据为：
主相机位于原点O(0，0，0)，辅助相机位于O1(X1，Y1，Z1)在XY平面的投影为O1′(X1，Y1，0)，主相机与目标点位置S的距离为d，O1距离原点的距离为L1，第一次测量后计算所得目标点与主相机的距离为d1，计算第一次距离d1值为：
d1＝X1+Y1tan-1θz1
测量误差值为：
其中，X1、Y1、Z1代表移动辅助相机所在的空间位置O1的空间坐标，θx1、θy1、θz1代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度；
步骤五，进行误差自检验，当误差小于设定阈值后再次移动辅助相机至另一三角点，调整辅助相机中心锁定被测目标点，获取辅助相机的空间位置和旋转角度，再次进行目标点距离计算和本次测量的误差程度检验；重复上述测量方法，多次测量进行加权平均计算以获得精确可靠的稳定值，即获得主相机至目标点的精准距离；具体方法如下，
设定误差阀值ε0，如ε0设定为2％，在测量得到第一次距离值d1和ε1后，进行判断ε1与设定阈值ε0比较，如ε1大于该阈值则本次测量精度不够，需重新初始化和重复上述步骤进行测量；
如果ε1小于设定的阈值则继续第二次测量，移动辅助相机至空间另一位置O2，使得辅助相机、主相机和目标点在空间形成三角形；
重复上述步骤进行第二次测量，计算得到第二次距离d2值为：
d2＝X2+Y2tan-1θz2
再次进行自检验，二次测量误差值为：
其中，X2、Y2、Z2代表移动辅助相机所在的空间位置O2的空间坐标，θx2、θy2、θz2代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度；
重复自检验步骤，进行多次测量以获得目标点距离值d1，d2，d3，....dN；
对测量的目标点距离值进行加权平均：
其中，d为进行多次测量后获得目标点距离进行加权平均得到的距离值，即采用本立体相机对目标点进行测量获得的精准距离，N为误差范围阀值内的测量次数，dk为多次测量获得的误差范围阀值内的目标点距离值。
与现有技术相比，本分离移动式立体测距相机及其设计方法具有以下优点：
本发明提供了一种分离移动式立体测距相机及其设计方法，实现一种灵活、精准的测距相机及其测量方法，适用于中远距离物体的精准定位和测量。通过固定主相机锁定目标点；初始化主相机和辅助相机空间坐标；移动辅助相机至三角点，调整辅助相机锁定被测目标点，获取辅助相机的空间位置和旋转角度；传送数据至计算平台，进行目标点距离计算和本次测量的误差程度；进行误差自检验，当误差小于一定阈值后再次移动辅助相机至另一三角点，调整辅助相机锁定被测目标点，获取辅助相机的空间位置和旋转角度，再次进行目标点距离计算和本次测量的误差程度；重复上述测量方法，多次测量进行加权平均计算以获得精确可靠的稳定值。
本发明区别于现有双目相机等立体相机，现有的双目相机将两个镜头固定在一个电路板上，所测的目标点的距离受两个镜头的距离即基准线距的限制；分离式的立体相机能够更加灵活的应用于中远距离测量，通过辅助相机的灵活移动进行测量，能够适用于复杂地貌中远距离目标的精准测量、定位或者三维建图，具有广泛应用前景。
附图说明
图1是使用本分离移动式立体测距相机测距方法的流程示意图；
图2是本发明中主相机和辅助相机的结构示意图；
图3是本发明中主相机和辅助相机的组成结构框图；
图4是主相机、辅助相机和目标点形成三角空间的位置示意图；
图5是图4主相机、辅助相机和目标点在三维坐标系中的空间坐标关系示意图；
图6是移动辅助相机进行多次距离测量的位置示意图；
图7是图6移动辅助相机进行多次测量时主相机、辅助相机和目标点的空间关系示意图；
图中：1-主相机、2-辅助相机、3-数据处理平台、4-目标点、5-机壳、6-相机模组、7-惯性传感器系统、8-无线通讯模块、9-蓄电池、10-相机支架。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
请参阅图1-7，本实施例提供了一种分离移动式立体测距相机及其设计方法，所述分离移动式立体测距相机包括主相机1、辅助相机2和数据处理平台3，主相机1和辅助相机2均包括一个用于拍照的相机模组6，能够获取所在环境空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度的惯性传感器系统(IMU)7和能够传输无线数据信号的无线通讯模块8；在进行测距时，使用主相机1对目标点4进行拍照并以主相机1的位置和拍摄角度为原点建立三维立体空间坐标系，将辅助相机2放置在主相机1的同一空间位置进行空间初始化，辅助相机2将通过内置的惯性传感器系统(IMU)7获取主相机1的空间信息，初始化后将主相机的空间坐标定义为原点，移动辅助相机2至空间另一位置对焦目标点4进行拍摄，使得辅助相机2、主相机1和目标点4在空间成三角形，辅助相机2将通过内置的惯性传感器系统7可以获知辅助相机2所在位置的空间坐标以及拍摄角度的转动角度等信息，拍摄的图片数据和惯性传感器系统(IMU)7获取的实时数据可以通过无线通讯模块8实时地传输至数据处理平台3，数据处理平台3在获取无线通讯模块8的数据后，通过设定的算法进行计算得出原点至目标点的距离和本次测量的误差程度值，通过误差程度值进行自检验，与设定的误差阈值进行比较，如果小于设定的误差阈值，则本次测量结束，如果大于设定的误差阈值，则重新测量，以此保证测量精度；还可以通过多次测量进行加权平均以获得高精度稳定的测量距离值。
所述相机模组6的外部设置有机壳5，机壳5内设置有蓄电池9，主相机1和辅助相机2均配置有相机支架10，蓄电池9为可充电电池，主相机1和辅助相机2放置在相机支架10上进行测量，便于调节，使相机保持稳定，提高测量精准度。
所述相机模组6采用能够以每秒钟一定的帧率来抓取图片且具有较高的分辨率和长焦距的相机系统，拍摄的每张图片具有一定分辨率，即像素点，便于后期处理的图像识别和拍取远处的物体的清晰图片。
所述数据处理平台3为以计算机计算系统平台为终端，内嵌于主相机或者独立的计算机系统；该计算机系统在获取无线通讯模块8的数据后，能够进行计算并算出目标点的距离和本次测量的误差程度值。
所述主相机1、辅助相机2和数据处理平台3均设置有可视化窗口，可视化窗口中心设置有中心标记，优选地，中心标记为十字心标记，主相机1和辅助相机2图像中心的像素点用来对准锁定目标点4，便于操作人员肉眼进行瞄准。
所述惯性传感器系统(IMU)7包括三轴角速度传感器、三轴加速度传感器、三轴磁传感器、GPS定位器、气压传感器和微处理器(MCU)；上述传感器构成了惯性传感器系统，由微处理器(MCU)将这些传感器获取的状态数据进行计算出传感器系统所在环境的空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度等数据，通过无线通讯模块8传输给数据处理平台3。
所述无线通讯模块8为lora或者4G协议的通讯模块，能够将相机的数据以无线的方式传输到数据处理平台3。
上述分离移动式立体测距相机进行测距的设计方法具体步骤如下，
步骤一，固定主相机1位置锁定目标点4；惯性传感器系统(IMU)7能够计算出传感器系统所在环境的空间位置、空间位移、移动速度和旋转角度，其坐标数据如下：
其中，X、Y、Z代表传感器所在的空间位置，θx、θy、θz代表传感器X、Y、Z轴旋转的角度，Vx、Vy、Vz代表传感器的移动速度；
步骤二，初始化主相机1和辅助相机2空间坐标：将主相机1放置在相机支架10上，主相机1中心对准目标点4，记录主相机1的惯性传感器系统7的各项数据，然后将辅助相机2放置在该相机支架10上进行空间坐标初始化，辅助相机2中心对准目标点4，辅助相机2将通过内置的惯性传感器系统7获取主相机1的空间信息，即可以知道主相机1和辅助相机2中各惯性传感器之间的差值；初始化过程中以主相机1的空间坐标定义为原点建立三维坐标系，使得X轴指向目标点，Y轴和Z轴分别与X轴垂直，主相机1和辅助相机2初始化的空间位置为三维坐标系的原点，即(0，0，0)，主相机1的空间坐标为0，旋转角度为0，静置在三脚架上速度也为0，主相机1通过惯性传感器系统7所获得的坐标数据设定为：
步骤三，如图4-5所示，移动辅助相机2至空间另一位置O1，使得辅助相机2、主相机1和目标点4在空间成三角形，调整辅助相机2中心锁定被测目标点4，获取辅助相机2的空间位置和旋转角度，此时辅助相机的三维坐标系X轴同样也会指向目标点，主动相机和辅助相机所成像的同一像素点都是目标点；辅助相机从原点移动到位置O1后，经过移动惯性传感器系统给出数据：
其中，X1、Y1、Z1代表移动辅助相机所在的空间位置O1的空间坐标，θx1、θy1、θz1代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度，由于辅助传感器的X轴指向目标点4，故θx1为0，由于辅助相机拍照的状态静止，故移动速度为0；
优选地，所形成的三角形尽量避免出现角度小于30°的锐角以降低计算带来的误差，即在测量时辅助相机2、主相机1和目标点4在空间形成三角形任一角度均大于30°保证测量精度；
步骤四，主相机1和辅助相机2中惯性传感器系统7测得的各项数据通过无线通讯模块8传输至数据处理平台3，通过数据处理平台3中计算平台设定的算法进行计算得出原点至目标点的距离d和本次测量的误差程度值ε；计算方法如下，如图5所示，在建立的空间坐标系模型中，主相机1、辅助相机2和目标点4形成空间三角形，辅助相机2的惯性传感器系统的输出数据为：
主相机1位于原点O(0，0，0)，辅助相机2位于O1(X1.Y1，Z1)在XY平面的投影为O1′(X1，Y1，0)，主相机1与目标点4位置S的距离为d，O1距离原点的距离为L1，第一次测量后计算所得目标点4与主相机1的距离为d1，计算第一次距离d1值为：
d1＝X1+Y1 tan-1θz1
测量误差值为：
其中，X1、Y1、Z1代表移动辅助相机所在的空间位置O1的空间坐标，θx1、θy1、θz1代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度；
步骤五，进行误差自检验，当误差小于设定阈值后再次移动辅助相机至另一三角点，调整辅助相机2中心锁定被测目标点，获取辅助相机2的空间位置和旋转角度，再次进行目标点距离计算和本次测量的误差程度检验；重复上述测量方法，如图6-7所示，多次测量进行加权平均计算以获得精确可靠的稳定值，即获得主相机至目标点的精准距离；具体方法如下，
设定误差阀值ε0，如ε0设定为2％，在测量得到第一次距离值d1和ε1后，进行判断ε1与设定阈值ε0比较，如ε1大于该阈值则本次测量精度不够，需重新初始化和重复上述步骤进行测量；
如果ε1小于设定的阈值则继续第二次测量，移动辅助相机至空间另一位置O2，使得辅助相机、主相机和目标点在空间成三角形；
重复上述步骤进行第二次测量，计算得到第二次距离d2值为：
d2＝X2+Y2 tan-1θz2
再次进行自检验，二次测量误差值为：
其中，X2、Y2、Z2代表移动辅助相机所在的空间位置O2的空间坐标，θx2、θy2、θz2代表辅助相机传感器沿自身X、Y、Z轴旋转的角度；
重复自检验步骤，进行多次测量以获得目标点距离值d1，d2，d3，....dN；
对测量的目标点距离值进行加权平均：
其中，d为进行多次测量后获得目标点距离进行加权平均得到的距离值，即采用本立体相机对目标点进行测量获得的精准距离，N为误差范围阀值内的测量次数，dk为多次测量获得的误差范围阀值内的目标点距离值。
以下通过对不同环境中目标点进行距离测量验证上述设计方法的准确性，验证方法为采在不同测量环境中设置目标点，通过本相机及其设计方法对目标点进行测量获得主相机至目标点的距离，通过皮卷尺测量主相机和目标点的真实距离，两者进行对比分析本发明所提供相机测距的精准度。
本实施例中，优选地，相机模组采用SONY高清摄像机监控主板HD-SDI IMX385模组，相机芯片为60帧1080P；无线通讯模块优选采用lora扩频技术的SX1278远距离无线通信模块；惯性传感器系统优选采用加速度计、平衡陀螺仪、姿态角度地磁传感器、基于北斗+GPS定位器的惯性导航传感器模块、气压传感器和MCU微处理器集成的电控模组。
实例1，目标点位于空旷的平地上，主相机和辅助相机在地面上对目标点进行测量，按照本发明测量方法，移动辅助相机进行对目标点进行测量，共测量十组数据，测量获得的数据表1所示，
表1-实例1中采用本相机对目标点进行十次测量所获得的数据统计表
实例1中，主相机到目标点的实际距离为93.1米，本相机误差阀值ε0设定为2％，即0.02，第四组数据的测量误差值超过设定阀值，故不纳入加权平均计算，经过计算平台加权平均计算获得的目标点距离d为93.113米。因此，在开阔环境中，通过本发明设计方法测得的目标点距离与实际距离几乎相同，相差极小，精准度高。
实例2，目标点位于楼顶，主相机和辅助相机在地面上对目标点进行测量，按照本发明测量方法，移动辅助相机进行对目标点进行测量，共测量十组数据，测量获得的数据表2所示，
表2-实例2中采用本相机对目标点进行十次测量所获得的数据统计表
实例2中，主相机到目标点的实际距离为31.8米，本相机误差阀值ε0设定为2％，即0.02，经过计算平台加权平均计算获得的目标点距离d为31.805米。因此，在短距离测距时，通过本发明设计方法测得的目标点距离与实际距离相差极小，精准度高。
实例3，目标点和主相机分别位于河的两侧，主相机和辅助相机之间拉开约100米左右按照本发明方法进行测量，共测量十组数据，测量获得的数据表3所示，
表3-实例3中采用本相机对目标点进行十次测量所获得的数据统计表
实例3中，主相机到目标点的实际距离为91.1米，本相机误差阀值ε0设定为2％，即0.02，经过计算平台加权平均计算获得的目标点距离d为91.047米。因此，在复杂地形条件下，主相机与辅助相机之间相隔距离较远对目标点进行测距时，通过本发明设计方法测得的目标点距离与实际距离相差较小，精准度高。
综上，通过本发明分离移动式立体测距相机测得的目标点距离与实际距离相差极小，可知本发明测距数据精准，主相机和辅助相机分开测量，通过移动辅助相机进行多次测量，不受地形环境等因素的影响，适用于不同环境下进行中远距离的精准测距。
本发明提供的一种分离移动式立体测距相机及其设计方法，通过移动辅助相机达到灵活精准的测距。本发明区别于传统双目相机，常用的双目相机将两个镜头固定在一个电路板上，所测的目标点的距离受两个镜头的距离即基准线距的限制，分离式的立体相机能够更加灵活的应用于远距离测量，能够适用于复杂地貌中远距离目标的精准测量、定位或者三维建图，具有广泛应用前景。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
