博碩士論文 89226026 詳細資訊




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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
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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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7. Leo Levi, “Applied Optics”,1983
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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
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