立體視覺系統於距離量測上之應用

立體視覺系統於距離量測上之應用

國立台灣大學生物產業機電工程學研究所 陳韋戎 盧福明 林達德

前言

對於空間裡的景物距離測量，立體視覺

為一種有效率且實用的方法，有別於雷射 等其它測距儀器，它具有快速且可以得到

研究目的

 立體視覺系統的架設

實驗設備

JAI MCL-1500 彩色攝影機  自動或手動方式對焦  _{5.8mm-58mm 十倍光學變焦鏡頭}  _{1/3 英寸的 CCD 感光元件}  _{NTSC 視訊規格}  _{解析度 640*480}

實驗設備

Meteor II 影像擷取卡

 具有四個頻道的輸入，經由其中兩個頻道 來連接立體視覺的兩部攝影機，以頻道切 換再擷取的方法來取得兩張影像。

 _{搭配 Matrox Image Library 做影像處理的}

立體視覺原理

Z P(X,Z) X b X_l X_r f Z Z b X f X_l  (  2)/ Z b X f X_r  (  2)/ ) (X_l X_r bf Z  

立體視覺影像

2 / 1 0 1 2 0 2 1 0 1 1 2 1 0 0 0 1 2 1                                     

實驗方法

 探討攝影機的焦距以及基線距離的改變對 於立體視覺距離量測精度的影響。實驗所 設定的焦距為 f=5.8mm 、 f=58mm ，基線 距離為 b=430mm 、 b=224mm 。  將立體視覺系統設定在和欲測量的物體間 已經精準量測的距離，由 2m 至 100m 每 2m 的間距來做量測。

結果與討論

 視野

 解析度

 光軸

視野

h 透鏡 Θ Θ f 感光元件           f h 2 tan 2 1 

視野 f=5.8 mm FOV=45.8º

508 mm

視野 f=58 mm FOV=4.8º

5130 mm

立體視覺的解析度

r

P

P

h

bf

Z

r l





*

b 為基線距離 f 為攝影機焦距 h 為感光元件水平方向長 r 為影像解析度 P_l-P_r為影像的像素差

立體視覺的解析度比較 b=430mm

0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 0 20 40 60 80 100 (m) 量測距離 ( m) 每 像 素 的 解 析 度 f =5. 8 mm f =58 mm

立體視覺的解析度比較 b=224mm

0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 0 20 40 60 80 100 (m) 量測距離 ( m) 每 像 素 的 解 析 度 f =5. 8 mm f =58 mm

攝影機光軸設定對量測距離的影響

0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 (m) 實際距離 ( m) 量 測 距 離 θ =0. 825° θ =0. 413° θ =0° θ =- 0. 413° θ =- 0. 825°

立體視覺精度測試 b=430 mm f=5.8 mm y = 0. 9463x + 0. 8772 R2 = 0. 9438 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 距 離

立體視覺精度測試 b=430 mm f=58 mm y = 1. 006x - 0. 0199 R2 = 0. 9986 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 距 離

立體視覺精度測試 b=430 mm f=5.8 mm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 誤 差

立體視覺 b=430 mm f=58 mm 0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 誤 差

立體視覺精度測試 b=224mm f=5.8mm y = 0. 9598x + 2. 5056 R2 = 0. 9494 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 距 離

立體視覺精度測試 b=224 mm f=58 mm y = 1. 0118x - 0. 3138 R2 = 0. 9933 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 距 離

立體視覺精度測試 b=224mm f=5.8mm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 誤 差

立體視覺精度測試 b=224mm f=58mm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 20 40 60 80 100 (m) 實際距離 ( m) 量 測 誤 差

立體視覺的解析度比較

0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 (m) 量測距離 ( m) 每 像 素 的 解 析 度 b=224mm f =5. 8 mm b=224mm f =58 mm b=430mm f =5. 8 mm b=430mm f =58 mm

結論

 立體視覺系統中視野會隨著焦距增大而減小， 在實驗中焦距為 5.8 mm 時攝影機的視角為 45. 8 。，焦距為 58mm 時的視角為 4.8 。。  攝影機焦距及基線距離的設定會影響立體視覺 量測的解析度，焦距及基線距離愈長則解析度 會愈高，距離量測的精確度也就會愈高，對於 1 00 m 內的距離量測，在焦距為 58 mm 基線距離 為 430mm 時的最大誤差為 2.5m 。

結論

 立體視覺在使用上焦距短的鏡頭適合近距離且 廣大視野的距離量測，而焦距長則適用於長距 離時小範圍精準的量測。  立體視覺應用於距離量測的精準度主要受限於 它的解析度，就立體視覺系統架設的便利性而 言，要提高長距離量測的精準度，使用長焦距 的鏡頭為比較適用的方法。