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研究生： 彭政忠
Cheng-Chung Peng
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
指導教授： 梁忠義
Thomas C. Y. Leung
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 81
中文關鍵詞： 汽車防撞系統 、光學三角測距 、影像感測器 、次像素
外文關鍵詞： sub-pixel, optical measurement, range finder, CMOS image sensor
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    • 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。

    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

    參考資料
    1. B. Journet, G. Bazin, and F. Bras. “Conception of an Adaptative Laser Range Finder Based on Phase Shift Measurement”, Proceedings of IEEE/IECON’96, Vol.1, PP.784-789, August 1996, Taipei Taiwan.
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    3. Jean Pierre Fillard, “Subpixel Accuracy Location Estimation from Digital Signals” Optical Engineering, November 1992, Vol. 31, No.11/2465.
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    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
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    11. 賴鐵軍, 郭祝武著, “應用統計學”, 全華科技
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    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
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    16. 陳精微, “高速公路設計”,科技圖書股份有限公司,85

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