单目视觉障碍物测距精度分析

王泽民，高俊钗

（西安工业大学，电子信息工程学院，西安，710021）

单目视觉障碍物测距精度分析

王泽民，高俊钗

（西安工业大学，电子信息工程学院，西安，710021）

在单目视觉障碍物测距模型中，分析了可视距离与安装高度和俯视角度的关系，研究了影响测距精度的因素：摄像机的安装高度、俯视角度和障碍物检测的图像位置，建立了误差的数学模型并进行了仿真，定量计算了在一定的条件下引入的误差。根据摄像机的内参数和摄像机视距的影响因素确定了合适的安装参数，在此安装参数下，对摄像机视距随障碍物像素位置的变化及测距精度随影响因素的变化情况进行了仿真，仿真结果有助于选择误差小的区域，从而提高测距的精度。

单目视觉；障碍物测距；测距模型；测距误差模型

0　引言

随着科技的进步和汽车工业的发展，基于计算机视觉的智能车辆主动安全系统逐渐成为各汽车制造厂商和科研机构中的研究热点。作为智能车辆视觉导航主动安全系统不可缺少的一部分，障碍物检测的研究也受到了广泛的重视。基于激光雷达的障碍物检测，可以获取前方障碍物距离、相对速度和方位角等方面信息。相对于激光雷达，图像信号在描述目标信息的完整性、宽广性以及符合人的认知习惯等方面均具有很大优势。

1　单目视觉障碍物测距原理

图1　单目视觉障碍物测距原示意图

对于单目视觉障碍物测距系统，首先建立单个摄像机与路面之间的投影成像关系，单个摄像机的侧视摆放位姿及其视场如图1所示。相对摄像机来说，路面视场范围最大为，为了使摄像机能观测到其前方及一定距离的路面状况，摄像机的视场要不小于。

式中：

2　障碍物测距误差分析

由上式可知，单目视觉障碍物测距的主要误差因素有摄像机高度h、俯视角以及障碍物成像位置。由于在测距原理中假设世界坐标系的原点与摄像机坐标系的原点重合，而实际应用中世界坐标系的原点与摄像机坐标系原点之间存在偏差，致使摄像机高度、俯视角等参数的测量都会产生偏差。另外，图像处理中障碍物的像素位置确定也存在偏差，这些参数的测量误差均会引入对障碍物的测距误差。

3　测距误差仿真

根据单目视觉障碍物测距的原理及误差分析，分别对主要误差因素h、、测距误差的影响进行仿真计算：

3.1h引入的测距误差

图2　h引入的测距误差分布

根据仿真结果可知，在俯视角和摄像机高度不变的情况下，摄像机高度引入的测距误差随像素位置的变化是高度非线性分布的。低位置像素对应路面较远的位置，即越远距离的障碍物产生的误差越大，当像素位置在300像素以下时，测距误差急剧增大。

图3　引入的测距误差分布

根据仿真结果可知，在俯视角和摄像机高度不变的情况下，俯视角引入的测距误差随像素位置的变化也是高度非线性分布的。当像素位置在100像素以下，测距误差急剧增大。

图4　引入的测距误差分布

根据仿真结果可知，在俯视角和摄像机高度不变的情况下，障碍物成像位置引入的测距误差随像素位置的变化也是非线性分布的。当像素位置在200像素以下时，测距误差急剧增大。而且在光轴像素附近位置会产生较大的测距误差。

这些参数不仅影响到单目视觉障碍物测距的精度，而且还决定着可视距离等性能，因此在应用单目视觉进行障碍物测距时，需要综合考虑并设计这些参数，以便达到最优的效果。

4　结论

本文推导了一种利用单目视觉进行障碍物测距的模型，对于模型中所涉及的安装高度、俯视角度、障碍物提取位置等测量不确定度引入的测距误差进行了分析，以便合理地安装布置摄像头的位置，并且能很好地把握测量数据的准确程度。安装高度与视距是线性关系，为了增大视距，应增加安装高度，但由于车体的结构限制，方便安装的位置也不会增加很多。安装高度、俯视角度、障碍物提取位置引入的误差是高度非线性的，应利用误差小的分段线性区域，注意误差较大的区域的测量数据。

［1］ 王安帅.智能车辆结构化道路单目视觉导航技术［D］.北京理工大学硕士论文，2008.

［2］ 朱钦华. 移动机器人视觉导航技术研究［D］ .广东工业大学硕士论文，2007

［3］ 王青. 基于机器视觉的车辆距离测量技术［D］. 南京理工大学硕士论文，2008.

［4］ 唐高友. 基于机器视觉的道路识别与障碍物检测技术研究［D］.重庆大学硕士论文，2005.

［5］赵一兵，王荣本，李琳辉等.基于激光雷达的无人驾驶车前方障碍物检测［J］.交通与计算机，2007，2 （25）：9-13

Accuracy Analysis of monocular vision obstacle ranging

Wang Zemin，Gao Junchai
（School of Electronic and Information Engineering， Xi’an Technological University，Xi’an， 710021）

In monocular vision obstacle ranging model，the relationship between the visual distance and camera downward angle，installation height of is analyzed，the factors of camera installation height，downward angle and the obstacle image position which affecting the measurement accuracy are studied，the mathematical models of error are established and simulating， errors are quantitative calculated in certain conditions.According to affecting factors of visual distance and the camera internal parameters，camera installation parameters are determined.Under the installation parameters，camera visual distance changes with obstacle image position and ranging accuracy changes with the influence factors are the simulating. The simulation results are helpful to choose the small error region，so as to improve the ranging accuracy.

monocular vision；obstacle ranging；ranging model；ranging error model

V271. 4

A

西安工业大学校长基金（XAGDXJJ1212）

王泽民（1978-）、男、汉，河北任丘人，硕士、副教授、机器视觉与检测技术。