鐘俊平，王美琴，鄭伊玫

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院，廣東佛山528000）

激光測(cè)距是可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量的一種高精度測(cè)距的方法。傳統(tǒng)的激光測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法有相位法和脈沖法［1］。而基于相位法和脈沖法激光測(cè)距系統(tǒng)側(cè)重遠(yuǎn)距離高精度測(cè)量，且造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合應(yīng)用于一些近距離測(cè)量的場(chǎng)所，現(xiàn)近距離測(cè)距使用較多的是超聲波傳感模塊。RB URFv1.1超聲波傳感器可用于檢測(cè)周圍的物體，是機(jī)器人領(lǐng)域最常用的測(cè)距避障模塊，其有效偵測(cè)距離為3～340 cm，探測(cè)分辨率為0.5 cm，探測(cè)誤差為±0.5%，即測(cè)量范圍在20～200 cm時(shí)測(cè)量誤差為±1～10 mm。且超聲波的傳播速度易受環(huán)境溫度的影響，從而影響測(cè)量的精度。

與超聲波傳感模塊相比，在現(xiàn)有條件（測(cè)量誤差±0.2～±3.8 mm，測(cè)量范圍20～200 cm）下，本測(cè)距裝置有效測(cè)量范圍較短，但精度更高，測(cè)量分辨率更高，成本低廉。在理論情況（測(cè)量誤差±0.1 mm，測(cè)量范圍10～500 cm）下，本測(cè)距裝置有效測(cè)量范圍更廣，精度更高。同時(shí)，激光測(cè)距方法的測(cè)量準(zhǔn)確性不受環(huán)境溫度的影響。

1 測(cè)距原理

1.1 系統(tǒng)的組成

激光測(cè)距系統(tǒng)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括激光光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和電腦處理終端。激光光路系統(tǒng)包括由發(fā)光管芯、聚光透鏡組成的激光二極管模塊，出射激光波長(zhǎng)為650 nm，功率為5 mW，工作電壓為5 V。激光準(zhǔn)直后在15 m處光斑直徑為10～15 mm；圖像采集系統(tǒng)包括由CMOS感光元件和聚焦鏡頭組成的免驅(qū)攝像頭，其最大分辨率為640×480。測(cè)量時(shí)，電腦處理終端觸發(fā)相機(jī)采集圖像，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)圖像同步進(jìn)行定位、分割、圖像數(shù)字處理和激光點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量等操作，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量距離等參數(shù)信息。

圖1 激光測(cè)距原理示意圖

1.2 測(cè)距原理

區(qū)別于傳統(tǒng)激光測(cè)距的原理，本文采用的是基于攝像頭的激光測(cè)距［2］，如圖1所示。假設(shè)激光投射到目標(biāo)物體上，同時(shí)位于與激光管同一平面的攝像頭畫面內(nèi)能夠捕捉到激光照射點(diǎn)，且要求激光光線和攝像頭成像軸完全平行。這樣，照射到目標(biāo)物體的激光點(diǎn)和攝像頭成像平面連線和攝像頭軸線之間會(huì)有一個(gè)夾角θ，通過(guò)在攝像幀圖像里面對(duì)這個(gè)激光點(diǎn)相對(duì)于軸心的像素點(diǎn)的判斷，可以確定出θ的大小，從而就能得到距離D。根據(jù)幾何關(guān)系，容易得出距離D的測(cè)量公式：

將式（2）代入式（1），可得

以上公式中的pfc指激光點(diǎn)在攝像頭拍攝的圖片上到攝像頭軸心的距離，rpc指的是每個(gè)像素點(diǎn)的弧度，ro為角度的補(bǔ)償因子。rpc和ro是由攝像頭本身的參數(shù)決定的，可以通過(guò)測(cè)試兩組D和pfc來(lái)聯(lián)立方程求得。只有pfc為變量，根據(jù)圖像處理，即可求出pfc，進(jìn)而求得距離D。

同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)或幾何關(guān)系可以得出：假如激光管安裝在攝像頭的正上方，則激光在CMOS感光元件成像上，根據(jù)距離的不同，只是在Y軸上有偏移，X軸方向的坐標(biāo)位置固定。若激光管裝在攝像頭的左邊或者右邊，激光點(diǎn)在CMOS感光元件成像上只是在X軸方向發(fā)生偏移，而且距離D和激光點(diǎn)到相機(jī)軸心的距離是成反比的［3］。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的搭建

圖2所示裝置需要一個(gè)功率為5 mW、電壓為5 V的普通激光管和一個(gè)最大分辨率為640×480的攝像頭，攝像頭與激光管的水平距離h=5 cm。將激光管置于與攝像頭同一水平線或豎直線（本文激光管安裝在與攝像頭同一水平線的左邊）。調(diào)節(jié)激光管的俯仰角，使得激光管出射的準(zhǔn)直光與攝像頭成像軸平行。啟動(dòng)PC端程序，調(diào)用攝像頭，根據(jù)拍攝畫面中的參考物對(duì)鏡頭調(diào)焦及擺正。調(diào)節(jié)鏡頭與待測(cè)目標(biāo)物距離適中，保證激光點(diǎn)處于拍攝的畫面中，則待測(cè)未知量pfc就是激光點(diǎn)在畫面上X軸方向的偏移量。

圖2 激光測(cè)距外觀裝置圖

2.2 圖像處理

LabVIEW是一種新型的圖形化編程軟件，有著極為豐富的界面控件，主要用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。運(yùn)用LabVIEW的視覺(jué)模塊對(duì)攝像頭采集的圖片進(jìn)行圖像處理，能夠簡(jiǎn)化程序的結(jié)構(gòu)和內(nèi)存，大大提高了程序運(yùn)行的效率。所以本文采用在LabVIEW的環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)［4］。

基于LabVIEW圖像處理尋找激光點(diǎn)的坐標(biāo)分為彩色圖像匹配、圖像分割、圖像預(yù)處理、圖像質(zhì)心求解和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟。

2.2.1 彩色圖像匹配

本系統(tǒng)的彩色圖像匹配算法主要是利用LabVIEW自帶的顏色匹配模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊主要包括學(xué)習(xí)和匹配兩種控件。對(duì)于該學(xué)習(xí)控件，需要調(diào)試的主要參數(shù)有：是否提取平移不變性或旋轉(zhuǎn)不變性匹配信息、學(xué)習(xí)模式設(shè)置數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)模具設(shè)置。對(duì)于該匹配控件，調(diào)試的主要參數(shù)有：匹配數(shù)量上限、最小匹配分?jǐn)?shù)、匹配模式設(shè)置數(shù)據(jù)、是否匹配平移不變或旋轉(zhuǎn)不變圖像；還需要參考設(shè)置的參數(shù)有：旋轉(zhuǎn)角度范圍的設(shè)定、是否返回匹配結(jié)果的亞像素精度、目標(biāo)區(qū)域描述、匹配閾值設(shè)置。

上述參數(shù)設(shè)置的正確與否將直接關(guān)系到匹配操作能否成功。在使用時(shí)，需要輸入提前從采集圖像中截取的激光點(diǎn)區(qū)域圖像，作為學(xué)習(xí)的圖像；然后由學(xué)習(xí)控件將學(xué)習(xí)結(jié)果圖像輸入到匹配控件中，計(jì)算機(jī)將相機(jī)拍攝圖像同時(shí)輸入匹配控件中，即可輸出在采集圖像中的激光點(diǎn)區(qū)域信息，達(dá)到定位目的。

程序運(yùn)行的效果圖如圖3所示。

圖3 基于顏色匹配框取激光點(diǎn)

2.2.2 圖像分割

由于后續(xù)需要采取求取整張圖片的質(zhì)心方法來(lái)求取激光點(diǎn)的坐標(biāo)，需根據(jù)顏色識(shí)別獲取的激光點(diǎn)位置的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，用LabVIEW視覺(jué)模塊的IMAQ Extract2 VI將激光點(diǎn)截取出來(lái)，即在攝像頭拍的原圖中將激光點(diǎn)從其背景中截出來(lái)，用于后續(xù)的激光點(diǎn)質(zhì)心的求取，以提高激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的準(zhǔn)確率。

2.2.3 圖像預(yù)處理及求取質(zhì)心

由于截取的激光點(diǎn)圖片是彩色圖，為了方便運(yùn)算，需將激光點(diǎn)二值化。由于激光點(diǎn)周邊有光暈，也會(huì)對(duì)圖象求取質(zhì)心獲得激光點(diǎn)的坐標(biāo)造成影響，需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波、腐蝕、開(kāi)運(yùn)算，最大限度地消除噪聲［5］，獲得只有激光點(diǎn)的像素二值化圖片。最后需要對(duì)二值化后的激光點(diǎn)圖像求取質(zhì)心，從而獲得激光點(diǎn)在圖像上的坐標(biāo)。需要注意的是，此坐標(biāo)不是原本攝像頭拍攝圖片的激光點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)，而是截取出來(lái)的激光點(diǎn)圖片的質(zhì)心位置（x1，y1），所以需換算回去，最終可得到攝像頭拍攝圖片上激光點(diǎn)的坐標(biāo)（X，Y）。由于畫面是640×480的分辨率，則

經(jīng)圖像處理后激光點(diǎn)的二值化圖像如圖4所示。

圖4 激光點(diǎn)的二值化圖像

2.3 數(shù)據(jù)處理及研究

本裝置攝像頭與激光管水平距離h=5 cm。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始調(diào)試時(shí)，對(duì)兩段距離的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。將表1的數(shù)據(jù)代入式（3）后，即可得到參數(shù)rpc和ro。算得該固定參數(shù)設(shè)置為rpc=0.001 1，ro=-0.232 4。

表1 系統(tǒng)初始調(diào)試數(shù)據(jù)cm

再次使用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，即可由圖像處理后獲得的pfc代入式（3），得到目標(biāo)物體到攝像頭的實(shí)際距離D。由于計(jì)算機(jī)控制相機(jī)實(shí)時(shí)采集的同時(shí)，計(jì)算機(jī)同步處理圖像，因此本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示距離信息。測(cè)量效果如圖5。

圖5 基于LabVIEW圖像處理測(cè)算距離效果圖

由圖5計(jì)算的D1=20.05 cm和實(shí)際距離D2＝20.00 cm，可計(jì)算得到絕對(duì)誤差Δ=-0.05 cm，相對(duì)誤差為：0.25%。測(cè)量近距離和遠(yuǎn)距離的多組數(shù)據(jù)如表2。

表2 測(cè)量誤差

由表2可知，測(cè)量范圍在20～200 cm，測(cè)量絕對(duì)誤差為±0.2～±3.8 mm，相對(duì)誤差為0.1%～0.22%。由此說(shuō)明該裝置測(cè)量的精度較高。

于位置D=42.60 cm和D=85.90 cm測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求得系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，數(shù)據(jù)如下表3所示。

表3 求系統(tǒng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差cm

由表3中的數(shù)據(jù)可知D=42.60 cm和D=85.90 cm兩個(gè)不同測(cè)量位置的系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差很小，由此可判定該裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

3 分析與改進(jìn)

在實(shí)際測(cè)距場(chǎng)合中，帶PC端的激光測(cè)距系統(tǒng)的靈活性和便攜性不高。對(duì)此，本文提出了一種不需PC端的設(shè)計(jì)方法。即計(jì)算機(jī)可被裝有LCD顯示屏的Openmv模塊替代，Openmv模塊提供的圖像處理程序可替代LabVIEW圖像處理程序來(lái)識(shí)別激光點(diǎn)及獲取激光點(diǎn)坐標(biāo)位置，并將處理得到的測(cè)量距離在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。Openmv模塊自帶攝像頭，可將激光管與Openmv模塊裝在一起，組成一個(gè)一體化的激光測(cè)距裝置，提高激光測(cè)距裝置的靈活性和便攜帶性。

4 結(jié)論及尚存在的問(wèn)題

4.1 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該儀器的有效測(cè)量范圍為20～200 cm，該范圍內(nèi)的測(cè)量誤差為±0.2～±3.8 mm。此處實(shí)驗(yàn)采用的攝像頭分辨率為640×480，為了提高精度，可以選用更高分辨率的攝像頭［2］。另外增大激光管和攝像頭之間的距離，可以測(cè)量得更遠(yuǎn)，但是這樣又會(huì)犧牲測(cè)量的精度和最小的測(cè)量范圍，所以本系統(tǒng)適用于近距離的高精度距離測(cè)量的場(chǎng)所。

4.2 存在的問(wèn)題

目前本系統(tǒng)有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題是，裝置使用時(shí)對(duì)環(huán)境光線要求較高，強(qiáng)光照射和各種反射物的干擾都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常使用，使用范圍有待擴(kuò)大。另一方面，系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果精確程度的影響也很大，激光準(zhǔn)直平行和光路調(diào)節(jié)精確程度有待提高。

由于本系統(tǒng)是通過(guò)圖像像素信息獲取實(shí)際距離信息，理論上測(cè)量精度可達(dá)到微米級(jí)別。然而目前測(cè)量誤差為±0.2～±3.8 mm，測(cè)量精度仍有提升空間。解決方案的關(guān)鍵在于，使用更高分辨率的相機(jī)，嚴(yán)格把控裝置參數(shù)的準(zhǔn)確性，并提高圖像處理算法的準(zhǔn)確度。