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专利名称：一种基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法
技术领域：
本发明涉及一种测距方法，尤其涉及一种基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法，属于测绘技术领域。
背景技术：
测量目标距离的方法有多种，如基于激光脉冲时间差的点测距法、基于幅度调制波相位差的深度获取、几何光学聚焦法、Moire拓扑技术、全息干涉测量法、Fresnel衍射技术和结构光法等。超声也常用来获取深度信息。计算机立体视觉技术近年来在许多领域得到广泛应用。基本方法是从两个或多个视点去观察同一场景，获得在不同视角下的一组图像，获得不同图像中对应像素间的视差，然后通过三角计算测量出场景中目标的深度信息，它需要确定双目或多目图像中的对应点，这是一个很困难的问题。当空间三维场景被投影为二维图像时，一些有用信息由于投影而丢失了，同一景物在不同视点下的图像中会有很大的不同，受遮挡或阴影的影响，景物的若干点有可能不出现在所有图像中，而且场景中的诸多变化因素，如光照条件、噪声干扰、景物几何形状的畸变、表面物理特性以及摄像机特性等，都被综合到单一的图像灰度值中，要仅由这一灰度值确定以上诸多因素是十分困难的，至今这个问题还没有得到很好的解决。增大基线长度可以改善深度测量精度，但同时会增大图像间的差异，增加匹配的困难程度。多机位小孔成像可合成为大孔径图像，与单镜头成像一致。日本有文献[Kusumoto, N. ;Hiura, S. ;Sato,K.Uncalibrated Synthetic Aperture for DefocusControl IEEEConference on Computer Vision and Pattern Recognition, 2009. CVPR2009. P:2252-2259]研究了利用合成孔径方法对针孔成像照片进行艺术加工，使之产生非主体散焦效果，以突出视觉重点。合成孔径雷达成像技术目前已成熟。单目聚/散焦测距法发展较为成熟，根据合成孔径原理使用多个摄像机可获得单目大孔径效应，因此可借鉴单目成像丰富的聚/散焦测距算法，使得合成孔径成像测距拥有较高的发展基础。由于符合针孔成像特点的数码设备造价很低，成像结果便于数字化处理，合成孔径成像的发展前景广阔。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有测距技术的不足，提供一种基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法，具有实现成本低、抗干扰能力强、算法简单等优点。本发明的基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法，包括以下步骤步骤1、利用小孔成像模型摄像机获取与目标视线垂直的等间隔线阵机位图像序列，线阵与目标视线交点处机位的图像作为基准图像；步骤2、将可测距离范围分成多个距离段，对于每一个距离段，先分别计算出所述图像序列中各幅图像与基准图像之间的像差，然后将图像序列中各幅图像进行像差校正后进行叠加，得到该距离段所对应的像差校正叠加图像；每一个距离段对应一幅像差校正叠加图像；步骤3、计算基准图像中每个像素的邻域与每一幅像差校正叠加图像中相应区域的相似度，并选取相似度随像差校正叠加图像变化的范围大于一预设阈值的像素作为可测距像素；步骤4、对于基准图像中的每一个可测距像素，选出相应区域与该可测距像素的邻域的相似度最大的像差校正叠加图像，该像差校正叠加图像所对应的距离段即为该可测距像素对应目标点所处的距离段。上述技术方案中，所述等间隔线阵机位图像序列可以利用等间隔排列的多个摄像机同时或不同时拍摄获得，也可利用同一小孔成像模型摄像机等间隔移动拍摄得到，尤其是后者对于航拍测距的应用更具有重要意义。相比现有技术，本发明具有如下有益效果I)用信号实时处理方法实现成像面的灵活移动(和光圈灵活张缩)，实现单目聚焦测量距离，避免了光学镜头聚焦成像的机械动作，测量速度快，使用便利；2)与光学大孔径镜头复杂的制造工艺相比，形成同样大合成孔径更容易，大合成孔径聚焦测距精度高，可广泛应用于生产、科研、军事等领域，尤其可应用于航拍图像序列，测绘出地面场景三维图像；3)被动测绘具有隐蔽，无电磁波污染的优点，测绘成本低；4)若主动向目标区投影纹理图案，可使目标区图像信息熵合理分布，可测距点分布符合需要；5)由于线阵相邻摄像机基线很短，平缓了视点不同造成的遮挡图像变化，图像序列合成像对单个图像光照、摄像机抖动、噪声等差异有明显抑制能力，这种方法不需要进行图像匹配，算法稳定。


图1a 图1d为合成孔径聚焦成像的原理示意图,其中，图1a显示目标点P1经大孔径光学镜头聚焦在成像面上；图1b显示距光心线r处有一子孔径，经过此子孔径成像，Pl仍聚焦在画面中心，而另一距离处的目标点P2成像距画面中心存在像差e，它与r线性正相关；图lc、图1d显示全孔径成像P1为一点，而P2成像为一圆，它由各子孔径成像组成；图2为本发明的线阵机位示意图；图3本发明基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法的流程示意图；图4为等间隔线阵机位图像序列示例；图5a、图5b分别为较近和较远的两个距离段所对应的像差校正叠加图像；图6为基准图像的信息熵分布二值化图像；图7为合成孔径目标深度图像。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明为了便于公众充分理解本发明的技术方案，首先对合成孔径聚焦成像的基本原理进行介绍
大孔径镜头成像时，通过镜头各部位的入射光线经镜头折射后，目标光线重新会聚，在成像面成二维像。若将入射光线按所通过的子孔径分离成像，再用信号处理方法叠力口，就得到合成孔径像，成像结果与大孔径镜头成像一致。图1a显示目标点P1经大孔径光学镜头聚焦在成像面上；图1b显示距光心线r处有一子孔径，经过此子孔径成像，P1仍聚焦在画面中心，而另一距离处的目标点P2成像距画面中心存在像差e，它与r线性正相关。图lc、图1d显示全孔径成像P1为一点，而p2成像为一圆，它由各子孔径成像组成，因此我们能仿真大孔径镜头成像过程，将各子孔径像按一定规则叠加，得到合成孔径像，它具有大孔径镜头成像的特征，可以应用单目测距的方法测量合成孔径目标的距离。形成合成孔径像，并不要求图1d大孔径圈中所有子孔径像都参与计算，只需部分子孔径像参与叠加计算，就能形成合成孔径效应。本发明的思路就是利用合成孔径聚焦成像的原理进行目标测距，具体如图3所示，包括以下步骤步骤1、利用小孔成像模型摄像机获取与目标视线垂直的等间隔线阵机位图像序列，线阵与目标视线交点处机位的图像作为基准图像。上述图像序列可以利用等间隔排列的多个摄像机同时或不同时拍摄获得，也可利用同一小孔成像模型摄像机等间隔移动拍摄得到(例如航拍图像序列)。本具体实施方式
中以图2所示的摄像机线阵为例进行说明，线阵中各摄像机成像符合小孔成像模型，这样各摄像机可看成大孔径镜头的线阵子孔径。如图2所示，该摄像机线阵中的2N+1个相同摄像机匕平行放置，n=-N，-,0,…N，Ctl为基准摄像机，所有摄像机均匀固定在长度为2NB的横杆上，摄像机间距为B，基准摄像机Ctl在横杆中心。摄像机的镜头方向与横杆垂直，所有摄像机中轴线共面平行。这样一来，摄像机Cn与基准摄像机Ctl的基线为nB。利用该摄像机线阵中的摄像机同时或不同时对目标进行拍摄，可得到包含2N+1幅图像的图像序列。图4为等间隔线阵机位图像序列的一个示例，拍摄用摄像机为超景深的小孔镜头，图像序列并非同时采集，各图像光照差异很大。合成孔径聚焦立体视觉要求获得同一目标不同机位的多个图像，对光照、摄像机差异、噪声等有较强的适应能力。图像序列可以来自摄像机阵列，也可以是同一摄像机移位分时拍摄。实际上航拍图像序列处理，移动摄像机图像序列处理，也可采用合成孔径原理获得深度信息。步骤2、将可测距离范围分成多个距离段，对于每一个距离段，先分别计算出所述图像序列中各幅图像与基准图像之间的像差，然后将图像序列中各幅图像进行像差校正后进行叠加，得到该距离段所对应的像差校正叠加图像；每一个距离段对应一幅像差校正叠加图像。仍以图2中的摄像机线阵为例，各摄像机坐标系的原点是各自镜头的光心，Z轴通过光心指向场景点方向，且垂直于图像平面，X轴通过光心沿着基线方向，Y轴通过光心垂直于另外两轴，这三者满足右手定则。Xn为目标点P在各图像坐标系中横坐标，z为P到摄像机主平面的距离，nB为基线长度，f为焦距。由几何关系可以得出摄像机Cn与基准摄像机
C0的像差为 - A ，其中L。为靶面像素距离。根据上式即可得到z取不同值时(不同
的值对应不同的距离段)图像序列中各图像与基准图像之间的像差。对于每个距离段，根据计算出的像差对序列中各幅图像进行像差校正，并将像差校正后的2N+1幅图像进行叠加，则得到对应该距离段的像差校正叠加图像，每一个距离段对应一幅像差校正叠加图像。若基准摄像机Ctl的图像为记为S0 (X，y)，则叠加信号为
权利要求
1.一种基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1、利用小孔成像模型摄像机获取与目标视线垂直的等间隔线阵机位图像序列，线阵与目标视线交点处机位的图像作为基准图像； 步骤2、将可测距离范围分成多个距离段，对于每一个距离段，先分别计算出所述图像序列中各幅图像与基准图像之间的像差，然后将图像序列中各幅图像进行像差校正后进行叠加，得到该距离段所对应的像差校正叠加图像；每一个距离段对应一幅像差校正叠加图像； 步骤3、计算基准图像中每个像素的邻域与每一幅像差校正叠加图像中相应区域的相似度，并选取相似度随像差校正叠加图像变化的范围大于一预设阈值的像素作为可测距像素； 步骤4、对于基准图像中的每一个可测距像素，选出相应区域与该可测距像素的邻域的相似度最大的像差校正叠加图像，该像差校正叠加图像所对应的距离段即为该可测距像素对应目标点所处的距离段。
2.如权利要求1所述基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法，其特征在于，所述等间隔线阵机位图像序列利用同一小孔成像模型摄像机等间隔移动拍摄得到。
全文摘要
本发明公开了一种基于合成孔径聚焦图像的目标测距方法。本发明包括步骤1、利用小孔成像模型摄像机获取与目标视线垂直的等间隔线阵机位图像序列，线阵与目标视线交点处机位的图像作为基准图像；步骤2、将可测距离范围分成多个距离段，获取各距离段所对应的像差校正叠加图像；每一个距离段对应一幅像差校正叠加图像；步骤3、计算基准图像中每个像素的邻域与每一幅像差校正叠加图像中相应区域的相似度，并选取相似度随像差校正叠加图像变化的范围大于一预设阈值的像素作为可测距像素；步骤4、相似度最大的像差校正叠加图像所对应的距离段即为该可测距像素对应目标点所处的距离段。本发明具有实现成本低、抗干扰能力强、算法简单等优点。
文档编号G01C3/00GK103033166SQ20121053888
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者陈广东, 张凯, 何敏, 王学孟 申请人:南京航空航天大学