单目OV6620数字摄像头在视觉测距中的应用

第 2期 2011年 2月 机 械 设 计 与制 造 Machinery Design & Manufacture 71 文章编号：1001—3997(201 1)02—0071-03 单 目OV6620数字摄像头在视觉测距中的应用 马其华 张春燕 任洪娟 倪 俊 蔡龄丰 (’上海技术大学 汽车工程学院，上海 201620)(。上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620) The application of visual distance measurement base on single camera OV6620 digital camera MA Qi-hua1,ZHANG Chun-yan2,REN Hong-juanI,NI Jun ，CAI Ling-feng ( Shanghai University of Engineering Automobile of Collage，Shanghai 20 1 620，China) (。Shanghai University of Machinery Automobile of Collage，Shanghai 20 1 620，China) 【摘 要】单目摄像测距系统在对固定目标的测距中具有精确、灵敏的特点。介绍了使用OV6620数 字摄像头借助激光三角测距法实现对目标物的测距原理及实现过程。通过试验证明，该系统在一定条件 下可实现有效测距。 关键词：视觉测距；单目；0V6620；数字摄像头 【Abstract】The system ofdistance measure tofixed targets base on single camera have the precise and sensitive features．It describes the theory and implementation process of distance measuerment to target by OV6620 digital camera base orl laser optical triangulation．By experiment proved that the system can measure． effectively under certain conditions． Key words：Vision measurement；M onocular；oV6620；Digital camera 中图分类号：TH16，TK31 文献标识码：A 1引言 摄像系统测距方式是一种用来模拟人眼的光电探测器。它 具有尺寸小、质量轻、功耗小 、噪声低、动态范围大、测量速度快、 抗光计量准确、其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等 优良特l生，在制造行业已经得到了广泛的应用 。 根据使用摄像机的数量，摄像测距系统分为单 目视觉和双 目视觉，以及还正处于初步研发阶段的多 目视觉。其中，由于单 目 视觉只能完成二维图像的采集 ，故还需要一个测量参考定标。根 据定标轴和与被测目标面法线的关系，又可以分为直定标轴斜 成像轴(直射式)和直成像轴斜定标轴(斜射式)两类。 通过使用激光作为参考定标及采用二维平面成像方式来测 量相对距离的方式通常称为激光三角法测距。本文所述的单 目测 距系统均是采用红色单点激光作为参考定标。 激光三角法测距属于主动视觉测量方法，是非接触光学测 量的一个重要形式。作为光电检测中的一种非接触式单点测量 法，具有测量速度怏、精度高、测量点小、操作简单、适用范围广等 优点 ，因此已经被广泛应用于工业生产现场。激光三角法测距的 基本原理是基于平面三角几何的。其方法是让一束激光经发射透 镜准直后，照射到被测物体表面上，由物体表面散射的光线通过 接收透镜，聚到高分辨率的光电检测器件上，形成一个散射光斑， 该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决 定。而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关；因此， 通过对光电检测器件(摄像机)输出的电信号进行运算处理，就可 获得传感器与被测物体表面之间的距离彳言，息 。 2直定标轴斜成像轴单目视觉的测距原理 直定标轴斜成像轴式(直射式)三角法测量等效光路如图 1 所示。激光器发出的光束。经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物 体表面上 ，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动， 接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电接收 元件敏感面上。其物象关系为： !旦 1 ★来稿日期：2010—04—20 ★基金项 目：上海高校知识创新工程(o85工程)建设项目资助(JZ0901)，2009上海工程技术大学大学生科研创新活动 项目 以及数据实时曲线的显示就显得极其重要。在进行串口通讯的 时，还要从硬件抗干扰技术和软件滤波算法两方面保证采集数据 的准确性和稳定性，这样才能真正的把串口通讯技术应用到机动 车废气检测的生产生活和科研研究中去。 参考文献 1黄孝慈，宋敬滨．VMAS简易瞬态工况法汽车尾气排放检测系统的研究 与开发[J]小型内燃机与摩托车，2009(2) 2吴晓东，宋敬滨．ASM在用车尾气排放检测系统开发与设计[J]．林业机 械与木工设备，2006(9)：35～37 3宋敬滨．在用车尾气排放 ASM检测系统的研究与开发[D]．东北林业大 学学报，2007 4吴晓东，宋敬滨．稳态加载工况法在用车废气排放检测系统的研究与开 发[J]．公路交通科技，2007，24(6)：131-134 72 马其华等：单目0V6620数字摄像头在视觉测距中的应用 第2期 图 1直射式三角法测量等效光路 如图 1所示 ，方法中被测物面的入射光束与成像面平行， 并垂直于成像透镜光轴 ，被测点的位移与摄像机上光斑的位移 为线性关系。可用于测量相对或绝对位移。但其光敏面要求很 大，而且被测点在成像面的像并不清晰。因此测量精确度并不 高。所以改进后将光敏面与成像透镜如图 2配置，即光电探测 器平面与成像透镜光轴垂直，而与被测物丽的入射光束成 0角。 其物象关系为： (2) 图2改进后的直射式三角法测量等效光路 这种方法的准确调焦位置只有一个。其余位置的像都处于 不同程度的离焦状态。从而也降低了系统的测量精度。因此。对 于高精度要求的场合，一般将光电探测器的光敏面与成像透镜成 角，如图3所示。 面 图3改进后的直射式三角法测量等效光路 成像平面与成像透镜光轴的夹角和激光束与成像透镜光轴 的夹角满足斯凯普夫拉格条件(成像面、物面和透镜主面必须相 交于同一直线)时，其物象关系为： _『_ ．sin (3) sin l_ m 式中：与0和 应满足如下关系，以保证被测点成像在光敏面上 ： tan~= ·tan0 (4) 3测距计算 基本三角法原理如图4所示，激光器、成像系统和光敏传感 器(摄像机)组成系统的基本结构。激光光源照射到物体表面形成 一 个亮光点 ，成像系统把该光点汇聚到传感器上形成像点，当所 测距离Y不同时像点会在传感器上移动，反映在光敏器件上的 光点像位置 x也随之不同，在基线长度已知、光源和传感器及透 镜的相对位置确定的前提下，通过测量传感器上像点的位置就能 准确确定被测物体与仪器之间的距离。 光器 叫 ／ ()s 成像物镜 图 4三 角 法测 距 原 理 图 如图4所示，三角形的相似关系有。 (，，一 )· ；一 娶一 一 一 ： ～～ (5) ／ 、／ + +(y一，J)． 、／，J‘+ 其中，，，和 两者之间的关系为： J，： (6) t · f-L·X 、一 式中：y一被测距离 i产一成像系统焦距；卜 发光点中心到透镜中 心的水平距离，即基线长度；L—某一已知距离，在该距离处 所成像正好位于 CMOS的中心，为使测量范围内各点成像 很好，应使过镜头中心的垂线是测量范围起始点与镜头中 心连线所构成角的平分线；—一该被测距离在光敏接收器上 与已知距离在光敏接收器上像点的距离，因此只要测出 就能测出Y。如图5所示 ，为系统实验装置示意图。实验采 用的激光光源为5mw 的一般红色激光器，在被测面前加一 凸透镜对光斑进行聚焦 ，激光器发出波长为 655nm的激光 束 ，南透镜聚焦照射在被测面上，经被测面散射，一部分光 线经摄像镜头照射到光敏面上，MCS5 1单片机控制摄像机 采集图像，对采集到的图像进行处理，利用程序求出光斑的 位置并将测距结果发往数据总线，以便车载电脑作出判断。 被测面 图5实验装置示意图 No．2 Feb．20l l 机械 设 计 与 制造 73 4实现 OV6620数字摄像头测距功能的 软硬件设计 V6620作为本系统测距摄像头具有以下特点 ：OV6620供电 电压为 5V，正好为 rrrL电平，和一般系统板上的供电电源兼容； OV6620采用 NAL制 ，每秒 25帧，一帧两场，那么每秒就有 50 场。意味着 20MS就有一幅图像产生。356x 292 pixels，即有 292 行 ，一行有 356个 点 ；据 相关 测试 ，f--3．6MM 时视野应该有 25度 左右，f越大视场越小。可视距离需要调节镜头对焦。经测试可视 距离可以看十几米，因为相索值只有 10万多，用单片机读可以看 到(3～4)M的距离；内部有 IIC可编程。可以调整摄像头的参数， 比如最大灰度 ，对比度，暴光率控制等等。其本质是 SCCB的 寄存器写入，需要对摄像头做跳线处理，并用 MCU的I／0口模拟 SCCB协议。OV6620的管脚分布图，如图 6所示。 如图 7所示，OV6620的信号时序图可以看到，CMOS摄像 机传感器 OV6620可以直接输出分辨率为 8bit的数字信号，这样 无须经过 AD转换即可获得图像信息。最适合于 MCS51这样的 单片机系统。 AGND AVDD PW DN VRCAPl VRCAP3 IICB VTO ADVDD ADGND VSYNC／CSYS F0DD／CIJK HREfYNSFRAM 图6 OV6620的管脚分布图 厂— 等 ～ ⋯ r；=!———一 ⋯— 眦 一 ⋯ — 文 PcLK—／—＼—／ 、 一-—，—叭 一一一—／— _ ) Y [7： 圳0]／——__『 ：：：：逝 量：： 一 Horizontal Fiming r1 r—1 』 ⋯ L ⋯⋯ d 由于摄像头采集到的图像数据必须经过识别等处理才能得 到有用的数据，为了降低开发成本和缩短开发周期，选用了安装 了windows操作系统的电脑作为上位机。其中，数据处理软件的 编程工具选用了Visual Basic。使用 VB可以通过两种方法来获取 摄像头的数据：一种为通过 MicrosoftVideoforWindows?(VFw)， 即AVICap窗口类函数。 另一种为通过摄像头厂家提供的软件开发包 (SDK)中的 OCX控件。其中，VFw提供了一种通用接口，可以适用于几乎所 有已经连接到系统的视频设备。而厂家提供的 SDK一般都封装 了专有函数，可以提高设备的访问效率。 无论通过何种方式获取摄像头信息，本文中涉及的视觉信 息为位图信息。为了实现高速读写，在内存中开辟了一块专用的 位图存放中转站。每次新的图像信息均覆盖上次数据，保持该位 图时刻为最新。而后续的图像处理程序只需要重复访问该位图， 即可随时处理最新的数据。 激光三角测距法中，一束激光被投射到目标物上，并在摄像 头上被显示。激光束被认为是理想的平行于摄像头的中心光轴。 激光点由摄像头的其余部分所捕获。一个简单的图像数据计算就 是寻找最亮点。如果设激光点就是这个场景的最亮点，那么这个 点的位置在图帧中的位置是确定的。在大多数情况下，激光束产 生的光斑出能量高度集中，故始终可以认为图像中最亮的点就是 所需要的点日。 该点对应于 OV6620的8bit数字输出值为 OxFF，可以使用 最原始的遍历算法，将图像中的该点寻找出来。如果所处的环境 光较强，使得 0V6620的输出已经出现饱和，则可以调低 OV6620 的曝光时间，直到能够顺利找到激光标点为止。测距图像结果，如 图 8所示。 图8测距图象结果 5结论 采用 OV6620数字摄像头根据激光三角法测距法在良好 的环境条件下可以实现很好的距离测量，但在动态移动目标的 测距方面还有一定差距 ，故其主要应用于工厂生成流水线等固 定环境下。 参考文献 1沈旭．实现视频捕捉的一种简单方法l Jl计算机安全，2007(10)：40～43 2王海峰章怡．基于 VB 6．0下的对网络摄像头视频捕捉l J1．电脑知识与技 术，2007(15)：854～855 3陈凯 袁小平 孙中全．基于 VB．NET实时图像处理的实现方法l J1．电脑知 识与技术，2007(20)：546～547，551 4黄战华 叶伟强 蔡怀字 张尹馨．基于 ARM的线阵CCD测距系统设计lJJ． 科学技术与工程，2007，7(20)：5255～5259 5田原 _谭庆昌．基于静态图像的 CCD激光测距方法的研究叨_，做计算机 信息，2007(31)：96～97，308 幅 2 3 D