利用智能手機進行測距的探究

張賢達

摘 要：上課或購物的時候，我們經常遇到需要測量距離或者物體長度的情況，身邊通常不隨身攜帶卷尺等工具。因為長度或者地形限制，卷尺在很多情況下不適用。而在這些情況下，測距的精度要求往往又不高。因此我總結了如下的問題并思考解決：在精度要求不高的情況下，使用手機上的各種傳感器以最簡便的方法來實現測距。

關鍵詞：智能手機；測距

1 背景介紹

在我們的游玩的過程中，常常會好奇各個建筑的高度，也會想知道到下一個感興趣的地方需要多遠。在我們日常生活當中，也需要簡單的測量工作，比如測量桌子的大小，杯子的高度。在這些測距工作中，我們會遇到形形色色的問題，可能是未帶尺子，可能尺子的長度太短，也可能因為地形限制不適用普通的尺子。而這些測距工作雖然各不相同，但總體而言精度上的要求都不是特別高。

智能手機已經是我們日常生活中必不可少的物品。智能手機上帶有很多傳感器，如攝像頭，GPS、陀螺儀，加速度傳感器等。這些傳感器可以幫我們完成拍照、測步、定位等工作。同時智能手機的易用性與其他傳統工具相比具有很大的優勢。我們可以利用智能手機的特性來完成這些測距工作。

我對智能手機測距的軟件進行了前期的調研工作。這些軟件主要分為以下幾類：

第一類：利用參照物測距。畫面中出現該軟件可以識別的硬幣或者其他常見物體時，根據預存的數據以及畫面的比例可以計算出畫面中物體的長度。

第二類：利用紅外線測距。早期的智能手機會利用紅外線測距輔助對焦，但目前的智能手機幾乎都不支持此功能了。

第三類：利用兩臺固定的照相機拍攝多張照片構建出3D圖像，使用3D圖像來獲取景深數據。但經過調研發現該3D圖像的建立過程需要大量運算，通常是在計算機上實現，手機上實現會引起耗電量過大的問題。

現有的方法并不能很地解決該測距問題，因此我認為提出一種簡單易行的測距方法是非常有意義的。

2 分析問題

目前我們隨身攜帶的工具中，智能手機能提供最多、最靈活的功能。因此我們選用智能手機作為測繪工具。但利用GPS，加速度儀等傳感器需要我們攜帶手機進行移動，而在很多情況下，需要大量移動的測距是得不償失的。

紅外線發射器以及攝像頭符合遠距離獲取數據的要求，而目前主流的手機基本都不支持紅外線發射功能，但攝像頭是普遍具有的功能。因此使用攝像頭進行測距是相對較好的選擇。

同時我們需要測量的距離常常是自身到遠處某一點的距離，所以將全局的畫面3D重構得到景深數據是沒有必要的，可以通過標明不同照片上對應點來大幅度減少計算量。

同時查閱資料可得，攝像頭成像的原理就是光線從外部進入攝像頭，而進入的光線又與視角有關。因此照片上前后物體和手機是具有一定的三角函數關系。通過分析決定采取拍攝一張照片，移動一段距離再拍攝一張照片，并在兩張照片中標明對應點的方式來解決問題。

3 解決問題

在具體解決問題的過程中，不必尋找過于艱深的方法，而是通過簡化問題使用目前掌握的數學知識來解決該問題。

首先測距者在A處拍攝一張照片，目標物體D與A的連線DA與拍照中軸線夾角可以由物體D在照片上的位置計算得出，即∠DAO可以計算得出：

然后該測距者往前伸手一段距離至A2處，再拍攝一張照片，同樣可以得出∠DA2O的角度：

然后根據三角形的外角等于不相鄰的兩個內角之和得出：

根據正弦定理可知：

最后可得A2O：

∠DAO總公式為：

公式中 A2A為手伸出的距離，可以伸出一只手或者一只手臂的距離（已知）；其中DO，BO，B2O可以從照片中標注計算得出；而∠BAO，∠B2A2O為手機攝像頭視角的一半。因此總公式中各項未知量都可以得到，最后的距離A2O就可以按照總公式求得。

4 實驗驗證

考慮到安卓系統具有更大的開放性，采用安卓系統的手機來實現測距功能。

在android studio上，我編寫了一個簡單的實驗性安卓應用。該應用包含兩個頁面，一個頁面控制拍照，一個頁面在照片上表明要測量的物體。

操作流程：

（1）在拍照界面上對需要測距的物體進行拍照。

（2）進入標注及計算界面，表明要測距的物體。

（3）點擊confirm按鈕，計算得到該點與攝像頭以及圖像中點所成的角度，即∠DAO。

（4）點擊return按鈕，移動手機再進行拍照。

（5）再表明測距物體（與2中相應物體保持一致）。

（6）填寫移動的距離并點擊Calcu按鈕得出結果。

實驗結果：

進行了三次實驗，實驗結果誤差都控制在百分之十以內，實驗結果表明該方法具有一定精度，滿足該問題的要求。

同時在實驗中，發現操作流程第4步中移動手機一段距離需要有參照物，且移動時需要非常小心，在實際操作中會帶來很大的不便。這一點是本次實驗中最大的不足，需要在之后進行改進。

5 結論

利用智能手機進行測距探究過程中，搜集了解決該問題現有的方案，發現各個方案都具有自身的不足之處，我認為在這個問題上有探究的空間。首先將測距的問題總結為如下特點：精度要求不是很高，受地形等限制較小，操作簡便。考慮到普遍性以及豐富的傳感器功能，使用智能手機是較好的選擇。

在使用智能手機測距的過程中，不但簡化了操作流程，而且與其他景深方案相比，計算量上有了大幅度的減小，并且只用現有的數學知識就實現了距離的計算。這種測距方式在短距離內具有較好的精度，長距離精度偏低，但也基本滿足了該問題的精度要求。該方法具有簡潔易用的特點。

同時該方法也具有一些缺點：兩次攝像移動的距離要已知，即需要參照物；兩次拍照后需要分別指出對應的物品，精度要求也較高；最后，該方法影響測距精度的因素過多，比較容易造成較大的偏差。

之后，我會進一步優化該方法，在精度，操作簡便性上進一步提升，同時控制好計算量，防止給智能手機帶來過大的負荷。

參考文獻

[1]賈秀維，黃翠榮.一種具備測距功能的手機：CN，CN 201509234 U[P].2010.