电赛每日一题 · 第 3 期 ｜ 今日拆解：2025 年 C 题 基于单目视觉的目标物测量装置（仪器仪表类 · 本科组 · 总分 120）
📌 一、赛题速览与难点剖析
一、原题再现
任务：设计制作一个基于单目视觉的目标物测量装置，仅用一个固定摄像头 + 自制电路，由外部 5V 直流稳压电源供电，测量并显示两个量：
▸ 距离 D：目标物面标记点在基准面上的垂直投影点，与基准线之间的距离（100 cm ~ 200 cm）
▸ 几何尺寸 x：目标物面上几何图形的边长或直径
系统组成：如图 1 所示，目标物立于基准面轴线上，单目摄像头固定于 O 点，俯视拍摄；图 2 是测量装置内部框图——5V 直流稳压电源 → 自制供电电流测量电路 → 测量装置 → 单目摄像头 + 微处理器 + 6~8 寸液晶显示屏 + 按键。
官方原理图（图 1 / 图 2）：
图 1 看清"系统长什么样"——目标物 + 轴线 + 摄像头几何关系；图 2 看清"装置内部怎么连"——5V 进来先过电流采样电路，再给微处理器和摄像头供电；按键一键触发、液晶屏实时显示。
关键要求（按层次拆）：
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D ≤ 5 cm，x ≤ 1 cm |
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D ≤ 2 cm，x ≤ 0.5 cm |
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评分结构：
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| 总分 | 120 |
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判分关键解读：本题"软硬比"极高——硬件层面只有摄像头 + 电流采样电路 + 液晶屏 + 按键的"四件套"，看似简单；但 100 分里有 70 分要靠图像算法拿到。基本要求（1）~（3）一共 36 分全是图像识别 + 测距，基本（4）14 分是电流采样精度，基本部分 50 分里只有 14 分偏硬件、36 分偏算法。发挥部分更甚——倾斜 10 分、重叠识别 16 分、OCR 9 分、低功耗 10 分，全是软件+算法+硬件协同。这意味着：选手必须按"算法先打通、硬件兜底精度"的顺序备战——先把 OpenCV/PnP 跑通，再优化硬件细节；反过来先焊板子后写算法的队伍，几乎必败。
限制规定（踩雷红牌）：
▸ 只能用一个摄像头（类型性能不限），不得用视觉测距类商品改装（即买来的"激光测距+相机一体模组"禁止）；
▸ 不得用超声、激光、毫米波雷达等非视觉方式测距——本题强制纯视觉方案；
▸ 不得使用 PC 机（含笔记本电脑、平板）；
▸ 自制供电电流测量电路不得使用商品模块（如 INA219 模块板），必须自研 PCB；
▸ 测试期间不得联网，不得改变摄像头位置和高度。
题目工程背景
单目视觉测距，是机器视觉在工业测量里最古老也最经济的方案——不需要昂贵的双目相机或结构光，只需要一颗标定好的摄像头和被测物的"已知参考尺寸"。在工程现场，它的应用场景极其广泛：
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而本题的"目标物面标记点 + 基准线 + 轴线"几何约束，几乎就是工业视觉测量最简化的"沙盘模型"——把工业现场复杂的标定、识别、测量，浓缩成 100 cm ~ 200 cm 距离内的厘米级精度挑战。
为什么电赛要出这道题？我理解有两个目的：
1. 测"软硬协同的工程能力"——单目测距的误差来源有 5 个：相机内参、相机外参（位置姿态）、镜头畸变、图像处理误差、参考物尺寸误差。要把这五个误差都压到 1% 以下，必须软硬件一起优化；
2. 测"嵌入式平台选型与权衡能力"——是选树莓派 + STM32 双核？还是 K230 / OpenMV 一颗搞定？是选 INA180 + 分流电阻，还是自己搭运放？每种选择都反映选手对"性能-成本-功耗"三角的取舍。
一句话点题：这道题看似"一颗摄像头搞定一切"，实则考察的是选手对针孔成像模型、相似三角形测距、PnP 位姿解算、图像处理流水线这四个电赛外延最广的核心技能的融会贯通。
二、大白话版解读
把题目翻译成"人话"：
你要做一个"用摄像头当尺子"的智能装置。把一张印着黑色图形的 A4 纸立在远处（100~200 cm），按下按钮，装置就能告诉你"这张纸离你 1 米 5 厘米，纸上的圆直径 12.3 厘米"，误差不能超过 2 厘米。题目还要求你同时显示这台装置自己用了多少电（发挥部分要求），以便评委评估你的低功耗设计水平。
传统测距 vs 本题对比：
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本题禁用 |
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系统模块人话版：
硬骨头分级：
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三、核心指标速查表
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≤ 1.0 cm |
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≤ 0.4 cm |
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≤ 3% |
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< 5 s |
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平均 6.59 W，最大 7.01 W |
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四、最大卡脖子难点
难点 1：100~200 cm 内 D 误差 ≤ 2 cm——像素精度极限挑战
200 cm 处 1 cm 对应像素数 ≈ 1 × 焦距 / 200（焦距若等效 1000 px）= 5 px。也就是说摄像头至少要在 200 cm 处把"1 cm 物理长度"映射为 ≥ 5 个像素才能勉强分辨 2 cm 误差。这要求摄像头分辨率 ≥ 500 万像素 + 镜头畸变校正到位 + 标定重投影误差 < 0.5 像素。大部分队伍的失败原因：摄像头分辨率不够（30 万像素 OV7670 直接拍死在 200 cm），或镜头畸变校正没做（边缘畸变 5% 直接吃掉所有精度）。
难点 2：重叠正方形分割——从"局部遮挡"还原完整轮廓
发挥（1）（2）要求识别多个面积不等的正方形组合（彼此分离或局部重叠）中最小面积正方形。当两个正方形局部重叠时，轮廓检测只能看到一个"凹多边形"，直接用 OpenCV findContours 会把所有正方形误识别为 1 个。这是 2025 C 题最大的算法分水岭——能否用"直角识别 + 几何假设验证"（候选角点 → 拟合正方形 → 验证中点距离）从凹多边形里拆出多个正方形。
难点 3：1 位白色阿拉伯数字 OCR——嵌入式实时性挑战
发挥（3）要求识别正方形里的白色编号（黑底白字）。传统 Tesseract OCR 在嵌入式平台跑不动，必须用轻量化 YOLO 模型（如 YOLOv5-Lite、YOLOv8n）。但模型推理对算力要求高——树莓派 4B 跑 ONNX 模型推理时间要控制在 1 s 以内才有 5 s 总响应余量。
难点 4：倾斜物面测量——透视变换 + 重新标定
发挥（4）要求物面与轴线成 30°~60° 夹角时仍能测出 x。此时摄像头看到的是"梯形"而非"矩形"，直接用 D = kW/w 公式会算错。必须先做透视变换（IPM，逆透视变换）把梯形还原为正矩形，再做尺寸计算。这个步骤很多队伍没做对——他们忘了透视变换需要 4 个对应点，而倾斜时正方形的 4 个顶点像素坐标都被畸变拉伸。
难点 5：电流采样自研 PCB 难度——共模电压 + 温漂 + 噪声
题目明确"自制供电电流测量电路不得使用商品模块"。这意味着选手必须从运放/专用 IC 选型开始自研 PCB。常见踩雷：① 用普通运放（如 LM358）做差分放大，共模电压不够（INA180 是专用电流检测放大器，内置差分输入）；② 采样电阻选 1 Ω 太大，压降 0.5 V 烧掉负载；选 0.01 Ω 太小，信号微弱被噪声淹没；③ PCB 走线不注意开尔文连接（4 线制），温度漂移大。
难点 6：低功耗 + 实时性的矛盾
发挥（5）要求实时显示 P 和 P_max——这意味着功耗测量电路不能直接给"系统瞬时功率"，必须对功率曲线积分求平均 + 跟踪峰值。树莓派 4B 满载功耗 7.5 W，整个装置功耗很难压到 5 W 以下。但题目给的发挥分有 10 分，想拿满分需要做到 6 W 左右——这意味着必须关闭树莓派图形界面、用 STM32 分担电流采样、选低功耗显示屏等。
🛠️ 二、官方推荐/主流硬件方案
系统整体框图（文字描述）
能量流 vs 信号流：能量流只有一条——5V 进来，分成两路给摄像头（需 5V 或 12V）和 MCU（3.3V）。信号流有两条——摄像头图像流（USB 进树莓派）、STM32 串口数据流（树莓派 → STM32 → LCD）。