精巧型數位影像之距離及角度量測系統

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姓名

彭政忠(Cheng-Chung Peng) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

精巧型數位影像之距離及角度量測系統
(A Compact Digital Image Sensing Distance And Angle Measuring Device)

相關論文

★ 飛時式雷射測距之計時器特性量測	★ 應用超外差式相位檢測於光熱係數之量測
★ 高重覆率雷射雷達之計時研究	★ 光電式數位水平傾角感測器
★ 數位影像之MTF量測與應用	★ 數位影像於光學測距之應用
★ 離焦對影像品質的影響

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摘要(中)

摘要
本論文主要目的是以三角量測理論為基礎，利用CMOS影像感測器的諸多優點，建立一套精巧型(輕、薄、短、小)且具實用性的光學測距及角位移的量測系統。並在每章實驗後探討系統所能量測範圍，及其精度、量測誤差……等，最後並以實際應用例子說明本系統的實用性。
文中首先討論角度量測系統並說明選用CMOS影像感測器的理由，接著再分別討論被動式及主動式光學三角測距系統。在角度量測系統中主要是追蹤紅外線LED移動時，經光學系統成像後，感測器上亮點移動的相對關係，進而推導出物點的角位移量。至於被動式測距，則是討論如何由感測器上的兩個成像點，求出被測物面前後平移的距離；而主動式測距，則是討論半導體雷射光束照射到物體後，由其漫射光經光學系統成像後，感測器上亮點中心位置與光軸之距離，進而求出被照射物體與光學系統之距離。計算系統精度時，引用統計學觀念，計算次像素(sub-pixel)的量測精確讀值，進而提高影像判讀的解析度。本文最後，並討論本系統應用在高速公路上的汽車防撞系統的可行性。

關鍵字(中)

★ 汽車防撞系統
★ 光學三角測距
★ 影像感測器
★ 次像素

關鍵字(英)

★ sub-pixel
★ optical measurement
★ range finder
★ CMOS image sensor

論文目次

論文摘要
致謝
目錄
圖表索引
第一章、緒論………………………………………………….….. 01
第二章、影像感測式角度量測…………………………………... 02
2-1 角度量測基本原理……………………………………….. 02
2-2　影像感測元件…………………………………………….. 03
　 2-2-1 CCD影像感測器…………………………………….. 03
　 2-2-2 CMOS影像感測器……………...……………..…….. 03
　 2-2-3 CCD與CMOS比較……………………………….... 08
2-3 角度量測系統架構……………………………………….... 09
2-4系統程式控制………………………………………………. 12
2-5亮點閥的設定…………………………………………..…... 15
2-6 亮點位置的計算…………………………………………… 16
2-7 背景光的影響……………………………………………… 18
2-8 量測精度估計……………………………………………… 19
2-9實驗與結果
2-9-1 穩定度實驗…………………………………………… 21
　 2-9-2 角位移實驗………………………………………….… 23
第三章、被動式光學三角測距…………………………………… 28
3-1基本原理………………………………………………… 28
3-2系統結構………………………………………………… 30
3-3系統程式控制…………………………………………... 31
3-4實驗與結果……………………………………………… 33
3-4-1 感測器感測的光強度與led驅動電流的關係…… 33
3-4-2 環境的影響………………………………………... 38
3-4-3 被動式測距實驗…………………………………... 40
3-5量測誤差………………………………………………... 47
3-6測距系統評估…………………………………………... 49
第四章、主動式光學三角測距………………………..……….. 52
4-1 基本原理………………………………………..…….. 52
4-2 系統結構…………………………………….………... 54
4-3實驗與結果……………………………………………... 57
4-4量測誤差………………………………………………... 61
4-5測距系統評估…………………………………………... 63
第五章、討論………………………………………...………….. 65
5-1與其它測距方法比較…………………………………... 65
5-2應用實例………………………………………………... 69
5-3 未來發展及結論…………………..…………………… 74
參考資料…………………..……………………………………… 76
附錄一、型號SFH484 LED 之規格書………………………… 77
附錄二、交通部公路路線設計規範明細表…………………… 81
圖表索引
圖2-1 亮點移動示意圖…………………………….………... 02
圖2-2 二維平面亮點移動示意圖………………….………... 03
圖2-3 MOS電容結構圖……………………….……………. 04
圖2-4 CCD電荷轉移示意圖……………………………….. 05
圖2-5 CCD 陣列架構…………………………………….… 06
圖2-6 光二極體照光示意圖………………………………... 07
圖2-7 被動式光二極體電路示意圖………………………... 08
圖2-8 主動式光二極體電示意圖…………………………... 08
圖2-9 角度量測系統架構…………………………………... 10
圖2-10 波長400~800 nm 窄帶濾光片……………………… 10
圖2-11 Bayer陣列圖………………………………………… 11
圖2-12 影像原始資料作插補運算圖………………………... 12
圖2-13 紅外線LED經濾光片濾光後的光強度分佈圖……. 13
圖2-14 角度量測系統程式控制流程圖……………………... 14
圖2-15 紅外線LED置於光軸上的強度分佈立體圖…..…... 15
圖2-16 紅外線LED置於光軸上的強度分佈等高線圖……. 16
圖2-17 鐘狀波形f(x) 及取樣函數 gk ……………………… 17
圖2-18 常態分佈曲線圖……………………………………... 21
圖2-19A LED驅動0.5mA，感測器上亮點中心位置的變化.. 22
圖2-19B LED驅動0.5mA，感測器上亮點中心位置的變化.. 22
圖2-20A LED驅動20mA ，感測器上亮點中心位置的變化.. 22
圖2-20B LED驅動20mA ，感測器上亮點中心位置的變化.. 22
圖2-21 紅外線LED像點與物點相對位移量的關係………. 23
圖2-22 不同的亮點閥設定值對量測結果的影響…………... 24
圖2-23 紅外線LED在光軸上的光強度灰階等高線圖……. 25
圖2-24 為紅外線LED在軸外的光強度灰階等高線圖……. 26
圖3-1 被動式測距原理示意圖(1)………………………….. 28
圖3-2 被動式測距原理示意圖(2)………………………….. 29
圖3-3 被動式測距系統架構圖……………………………... 30
圖3-4 被動式測距系統程式控制流程圖…………………... 32
圖3-5 LED驅動電流與光功率關係……………………….. 33
圖3-6 LED 距離感測器5m，電流10mA時的光點影像圖
及等高線圖…………………………………………... 34
圖3-7 LED 距離感測器45m，電流10mA時的光點影像
圖及等高線圖………………………………………... 35
圖3-8 LED 距離感測器45m，電流30mA時的光點影像
圖及等高線圖………………………………………... 36
圖3-9 感測器感測到亮點中最亮像素的灰階值…………... 37
圖3-10 計算感測器感測亮點單位面積的光強度平均灰階值 38
圖3-11 感測器面對窗戶感測到的強度分佈………………… 39
圖3-12 感測器再加濾光片面對窗戶感測到的強度分佈…… 39
圖3-13 在實驗室內感測器面對LED感測到的強度分佈….. 40
圖3-14 感測器再加濾光片面對LED感測到的強度分佈…... 40
圖3-15 在LED間距100cm，電流10mA時的測距結果…... 44
圖3-16 在LED間距100cm，電流30mA時的測距結果…... 44
圖3-17 在LED間距10cm，電流30mA時的測距結果….… 45
圖3-18 同時使三個LED，電流30mA時的測距結果……... 45
圖3-19 兩個標準差範圍的線跟curve fitting曲線………….. 46
圖3-20 兩個標準差範圍的線跟curve fitting曲線………….. 47
圖4-1 主動式測距原理示意圖(1)…………………………... 52
圖4-2 主動式測距原理示意圖(2) ………………………….. 53
圖4-3 主動式測距的系統架構圖…………………………... 55
圖4-4 波長670nm 窄通濾波片…………………………..… 55
圖4-5 exposure值重新設定為2時，感測LD 的強度
分佈圖………………………………………….…..… 56
圖4-6 exposure值重新設定為20時，感測LD的強度
分佈圖………………………………………….…..… 57
圖4-7 主動式測距實驗結果………………………………... 58
圖4-8 不同時間下，LD和led的光強度等高線分佈圖…. 58
圖4-9 不同時間下，LD和led的光強度等高線分佈圖…. 58
圖4-10A 屏幕在700cm兩個標準差範圍的線
跟curve fitting曲線…………………………………. 60
圖4-10B 屏幕在500cm兩個標準差範圍的線
跟curve fitting曲線…………………………………. 61
圖4-11 感測器傾斜某個角度……………………………….. 63
圖5-1 簡單型測距儀之概要圖……………………………... 65
圖5-2 飛時式雷射測距示意圖…………………………….. 67
圖5-3 相位量測雷射測距儀架構圖……………………….. 68
圖5-4 汽車防撞系統示意圖(1)……………………………… 70
圖5-5 汽車防撞系統示意圖(2)………………….. ………… 71
圖5-6 被動式測距示意圖………………………………….. 71
圖5-7 兩車分別在車道邊緣示意圖……………………….. 72
圖5-8 被測的車尾裝上四顆紅外光LED示意圖…….. ….. 74
表2-1 亮點中心位置標準差及95%信賴區間計算結果……. 21
表2-2 角位移實驗精度估計…………………………………. 27
表3-1 在LED之電流為10mA ，LED間距為100cm
的測距結果……………………………………………. 42
表3-2 在LED之電流為30mA，LED間距為100cm
的測距結果……………………………………………. 43
表3-3 在LED之電流為30mA，LED間距為10cm
的測距結果…………………………………………… 43
表3-4 在LED之電流為30mA，LED間距為100cm
的精度計算…………………………………………… 46
表3-5 在LED之電流為30mA，LED間距為10cm
的精度計算…………………………………………… 46
表3-6 線膨脹係數…………………………..……………….. 47
表3-7 溫度造成的量測誤差………………..……………….. 48
表3-8 振動造成的量測誤差………………..……………….. 48
表3-9 改變測量條件造成的量測誤差……..……………….. 49
表3-10 被動式測距系統解析度(2R=100cm) ……………….. 50
表3-11 被動式測距系統解析度(2R=10cm) …………….…... 51
表4-1 主動式測距實驗結果………………………………… 58
表4-2 主動式測距精度的計算……………………………… 60
表4-3 主動式測距溫度造成的誤差………………………… 61
表4-4 主動式測距振動造成的誤差………………………… 62
表4-5 主動式測距改變測量條件造成的誤差……………… 62
表4-6 主動式測距系統解析度……………………………… 63表5-1 兩車不同距離時測距誤差(1) ………………………… 72
表5-2 兩車不同距離時測距誤差(2) ………………………… 73

參考文獻

參考資料
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2. Warren J. Smith, “Modern Optical Engineering”, 1784, p227~p230.
3. Jean Pierre Fillard, “Subpixel Accuracy Location Estimation from Digital Signals” Optical Engineering, November 1992, Vol. 31, No.11/2465.
4. Brian F. Alexander, “Elimination of Systematic Error in Subpixel Accuracy Centroid Estimation”, Optical Engineering, September 1991, Vol.30 No.9.
5. Eric R. Fossum, “CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip”, IEEE 1997.
6. “Road vehicles - Forward Vehicle Collision Warning System - Performance requirements and tests procedures”, ISO Basic template Version 3.0 , 1997
7. Leo Levi, “Applied Optics”,1983
8. 台大電機所, 蔡政育碩士論文, “數位化位置偵測攝影機之研製”, 85.
9. 清大電機所, 鐘承霖碩士論文, “各式光二極體互補式金氧半影像感測元件之研究”, 88.
10. 中央光電所, 陳建翰碩士論文, “脈衝半導體雷射測距技術”, 88
11. 賴鐵軍, 郭祝武著, “應用統計學”, 全華科技
12. 孫文信, 羅美俐, “一項基於三角測距原理的距離量測系統設計”,光電資訊第12期80年12月
13. 陳玲玲等, “雷射量測系統”,光訊第83期, 2000年4月
14. 張智星, “Matlab 程式設計與應用”,清蔚科技股份有限公司,2002
15. 北京工業學院光學測量小組, “光學測量與像質鑒定”,1980
16. 陳精微, “高速公路設計”,科技圖書股份有限公司,85

指導教授

梁忠義(Thomas C. Y. Leung)

審核日期

2002-7-16

推文