一種基于單目攝像頭三維測(cè)距模型的測(cè)高測(cè)面積方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種依據(jù)單目攝像頭所拍攝的圖像進(jìn)行物體測(cè)高和側(cè)面積的方法，尤 其設(shè)計(jì)一種基于單目三維測(cè)距模型的物體測(cè)高測(cè)面積的方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 視覺測(cè)距作為機(jī)器視覺領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)技術(shù)之一而受到廣泛的關(guān)注，其在機(jī)器人領(lǐng)域 內(nèi)占有重要的地位，廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺定位、目標(biāo)跟蹤、視覺避障等，尤其是作為視覺導(dǎo) 航和伺服控制中不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)。機(jī)器視覺測(cè)量主要分為：?jiǎn)文恳曈X測(cè)量、雙目視覺測(cè) 量、結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量等。結(jié)構(gòu)光由于光源的限制，應(yīng)用的場(chǎng)合比較固定；雙目視覺難點(diǎn)在于 特征點(diǎn)的匹配，影響了測(cè)量的精度和效率，其理論研究的重點(diǎn)集中于特征的匹配上；而單目 視覺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快而具有廣闊的應(yīng)用前景。單目視覺測(cè)距是利用一個(gè)攝像機(jī)獲得 的圖片得出深度信息，按照測(cè)量的原理主要分為基于已知運(yùn)動(dòng)和已知物體的測(cè)量方法?；?于已知運(yùn)動(dòng)的測(cè)量方法是指利用攝像機(jī)的移動(dòng)信息和攝像機(jī)得到的圖片測(cè)得深度距離。
[0005] 現(xiàn)有的單目測(cè)距方法主要有以下幾種，1利用物體的已知運(yùn)動(dòng)和采集到的前后兩 幅圖像比例的變化得出鏡頭與目標(biāo)的距離；2利用多幅圖像建立的模型對(duì)深度信息進(jìn)行了 預(yù)測(cè)；3對(duì)不同紋理下的目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)有的目標(biāo)面積測(cè)量的方法主要是基于像素當(dāng) 量。目前測(cè)量面積的方法主要有以下幾種1、先將圖像分割成目標(biāo)區(qū)域和背景，提取圖像 目標(biāo)區(qū)域輪廓并標(biāo)注，計(jì)算邊界及邊界內(nèi)像素總數(shù)，利用像素當(dāng)量求得面積的方法；2、利用 freeman鏈碼矢量法得到目標(biāo)的邊緣，再對(duì)邊緣進(jìn)行標(biāo)定，然后由聯(lián)通區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)和像 素當(dāng)量計(jì)算面積；3、利用網(wǎng)格法，根據(jù)二值化后圖像中目標(biāo)區(qū)域的像素?cái)?shù)與參照物相應(yīng)面 積的比例關(guān)系計(jì)算目標(biāo)的面積。以上幾種方法的主要區(qū)別僅僅是目標(biāo)在圖像中所占的像素 量的計(jì)算方法不同。并沒有改變像素當(dāng)量這一誤差的主要來源。因此在應(yīng)用場(chǎng)景中依然存 在相當(dāng)?shù)木窒扌浴?br>[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就在于為解決上述問題而提供一種計(jì)算精確度較高的基于單目三 維測(cè)距模型的物體測(cè)高測(cè)面積方法。
[0008] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的： 一種基于單目攝像頭三維測(cè)距模型的物體測(cè)高測(cè)面積方法，包括以下步驟： (1)通過單目攝像頭標(biāo)定獲取攝像頭的焦距。得到的焦距的單位是單位距離上的像素 點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與CCD板上的成像的尺寸成比例。
[0009] (2)對(duì)單目攝像頭測(cè)距模型建模，并依據(jù)所建模型計(jì)算物體到攝像頭的距離。設(shè)定 模型計(jì)算需要的先驗(yàn)條件，這里假設(shè)已知三個(gè)數(shù)值：攝像機(jī)的鏡頭光軸與水平線的夾角a， 攝像機(jī)鏡頭的高度h和攝像機(jī)的焦距f。
[0010] (3)依據(jù)上述模型及測(cè)量的距離進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物體的測(cè)高和測(cè)面積。
[0011]
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明基于單目攝像頭三維測(cè)距模型的測(cè)高測(cè)面積方法的流程圖 圖2是本發(fā)明單目測(cè)距三維模型圖 圖3是本發(fā)明測(cè)距原理示意圖一 圖4測(cè)距原理示意圖二 圖5成像面示意圖 圖6地面投影示意圖 圖7物體測(cè)高示意圖 圖8單目測(cè)面積三維模型圖 圖9測(cè)面積模型示意圖1 圖10測(cè)面積模型示意圖2
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 圖1中，一種基于單目攝像頭三維測(cè)距模型的物體測(cè)高測(cè)面積方法，包括以下步驟： (1)通過單目攝像頭標(biāo)定獲取攝像頭的焦距。得到的焦距的單位是單位距離上的像素 點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與CCD板上的成像的尺寸成比例。
[0014] (2)對(duì)單目攝像頭測(cè)距模型建模，并依據(jù)所建模型計(jì)算物體到攝像頭的距離。設(shè)定 模型計(jì)算需要的先驗(yàn)條件，這里假設(shè)已知三個(gè)數(shù)值：攝像機(jī)的鏡頭光軸與水平線的夾角a， 攝像機(jī)鏡頭的高度h和攝像機(jī)的焦距f。
[0015] (3)依據(jù)上述模型及測(cè)量的距離進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物體的測(cè)高和測(cè)面積。
[0016] 具體地，所述步驟（1)中，我們首先利用待測(cè)攝像頭對(duì)8*8的黑白棋盤格標(biāo)定板采 集20幀空間位置不同的圖像，然后用攝像機(jī)標(biāo)定程序?qū)z像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，并且采用多次測(cè) 量求取平均值的方法得到較為精確的攝像頭內(nèi)部參數(shù)。
[0017] 所述步驟（2)中，我們首先得到三維測(cè)距模型圖2。為了更加方便計(jì)算，我們對(duì)三 維測(cè)距模型進(jìn)行二維的分解。在這之前我們需要設(shè)定一些變量： 世界坐標(biāo)系中的目標(biāo)物體與水平地面的交線的中心點(diǎn)的位置為P;世界坐標(biāo)系中目標(biāo) 物體與攝像機(jī)鏡頭到水平地面的垂直投影點(diǎn)的實(shí)際距離為D(求解時(shí)分解為了Dx和Dy兩 個(gè)分量）；CCD板上的圖像坐標(biāo)系為二維空間坐標(biāo)系，其橫軸設(shè)為U軸，縱軸設(shè)為V軸；攝像 機(jī)光軸與地面的交點(diǎn)為Q;攝像機(jī)光軸與CCD板的交點(diǎn)為（U。，V。)，可以通過圖像的最大點(diǎn) 陣數(shù)換算得到中心點(diǎn)的坐標(biāo)；世界坐標(biāo)系中目標(biāo)物體在圖像坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)位置P'為（Up V^o
[0018] 我們對(duì)三維測(cè)距模型進(jìn)行如下二維分解： 如圖3測(cè)距原理示意圖一所示，該圖為本章的三維測(cè)距模型在攝像機(jī)光軸和圖像坐標(biāo) 系U=U。軸組成的平面上的示意圖。在該平面上，點(diǎn)V。代表光軸在成像面上的實(shí)際位置，點(diǎn) Vi代表目標(biāo)物體在成像面上的實(shí)際位置的投影點(diǎn)，夾角e i代表目標(biāo)物體投影點(diǎn)Py與光軸Q 的夾角，目標(biāo)物體投影點(diǎn)己與鏡頭在水平地面上的投影點(diǎn)〇 :的距離為D y。則有下式成立：
如圖4測(cè)距原理示意圖二所示，該圖為本章的三維測(cè)距模型在L所在直線和圖像坐標(biāo) 系V，軸組成的平面上的示意圖。在該平面上，點(diǎn)U。代表目標(biāo)物體在成像面上的實(shí)際位置 的投影點(diǎn)，點(diǎn)仏代表目標(biāo)物體在成像面上的實(shí)際位置，夾角0 2代表目標(biāo)物體投影點(diǎn)Py與目 標(biāo)物體真實(shí)位置P的夾角，目標(biāo)物體P與目標(biāo)物體投影點(diǎn)P y的距離為D x。則有下式成立：
如圖5成像面示意圖所示，在成像面上，目標(biāo)物體所成的像為（Upl)，該點(diǎn)在V=V。上的 投影點(diǎn)為（Up V。)，在U=U。上的投影點(diǎn)為（U。，V0。
[0019] 如圖6整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)對(duì)地面的投影示意圖所示，在該投影平面中，物體到圖2所示 投影平面的距離為D y，物體到圖3所示投影平面的距離為Dx。
[0020] 通過上述模型推理得到，世界坐標(biāo)系中目標(biāo)物體與攝像頭在地面上的垂直投影點(diǎn) 的實(shí)際距離如下：
結(jié)合攝像頭的高H，我們可以得到物體到
攝像頭的距離如下： 所述步驟（3)中，由物體測(cè)高示意圖7 :對(duì)于待測(cè)物體的底端，即在地面上的某點(diǎn)，我們 利用上述步驟（2)中的測(cè)距模型可以得到物體到攝像頭在地面投影點(diǎn)的距離D。然后對(duì)物 體的上端的也利用上述模型計(jì)算得到的距離實(shí)際是該點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)到攝像頭的距離， 也就是說圖6中的R點(diǎn)到攝像頭在地面的投影點(diǎn)的距離％同樣可以用步驟（2)中的模型計(jì) 算得到。那么對(duì)于R點(diǎn)和物體組成的直角三角形和攝像頭，攝像頭在地面投影點(diǎn)，R組成的 直角三角形，這兩個(gè)三角形相似，由下式可求的物體的高h(yuǎn) 屬 上述步驟我們已經(jīng)求得物體的高，要求物體的面積，我們只需求得地面上兩點(diǎn)之間的 距離即可。圖8為測(cè)面積模型的三維效果圖。與之前的思想類似，我們同樣可以將其分解 到兩個(gè)二維平面. 從圖9可以得出：
由上面一組式子我們可以求得兩點(diǎn)距離的一個(gè)分量化，同理由圖10,我們可以求得兩 點(diǎn)距離的另一個(gè)分量Dx:
由此可以求得兩點(diǎn)之間的距離d，進(jìn)而求出物體表面面積s:
說明：圖1和圖9的流程圖中的表述語言為簡(jiǎn)潔表達(dá)，與上述內(nèi)容不是完全一一對(duì)應(yīng)， 但意思是相互對(duì)應(yīng)的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單目攝像頭=維測(cè)距模型的測(cè)高與測(cè)面積方法，其特征在于包括W下步 驟： 步驟一：通過單目攝像頭標(biāo)定獲取攝像頭的焦距：得到的焦距的單位是單位距離上的 像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與CCD板上的成像的尺寸成比例；對(duì)單目攝像頭測(cè)距模型建模，將物體到攝 像頭的問題轉(zhuǎn)化為物體到攝像頭地面投影點(diǎn)的距離，進(jìn)而，物體到攝像頭地面投影點(diǎn)的距 離又可W通過其在W攝像頭光軸與像平面形成的兩個(gè)垂直面上的距離求得； 步驟二：依據(jù)上述模型及測(cè)量的距離實(shí)現(xiàn)物體的測(cè)高； 步驟=:依據(jù)步驟=與步驟二的結(jié)果實(shí)現(xiàn)物體面積的測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單目攝像頭=維測(cè)距模型的測(cè)高方法，對(duì)于待測(cè)物體的 底端，即在地面上的某點(diǎn)，我們利用測(cè)距模型可W得到物體到攝像頭在地面投影點(diǎn)的距離， 然后對(duì)物體的上端的也利用上述模型計(jì)算得到的距離實(shí)際是該點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)到攝像 頭的距離，可W得到：該投影點(diǎn)與物體組成的直角=角形和攝像頭，攝像頭在地面投影點(diǎn)與 該點(diǎn)組成的直角=角形，運(yùn)兩個(gè)=角形相似，由下式可求的物體的高h(yuǎn): 變裝品愛綠油漏中費(fèi)山:;礙;:。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單目攝像頭=維測(cè)距模型測(cè)面積方法，由上述步驟可W 求得物體的高，因此只要求得地面上兩點(diǎn)之間的距離就可W求出物體的面積，為了求取兩 點(diǎn)之間的距離，與測(cè)距原理相似，我們同樣可W將其分解到兩個(gè)二維平面，然后分別求得該 距離在兩個(gè)切面的距離，再運(yùn)用勾股定理便可W求得兩點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而可W求得目標(biāo) 的面積。
【專利摘要】<b />一種基于單目攝像頭三維測(cè)距模型的測(cè)高測(cè)面積方法。本發(fā)明公開了一種基于單目三維測(cè)距模型的測(cè)高測(cè)面積方法。包括以下步驟：通過單目攝像頭標(biāo)定獲取攝像頭的焦距。得到的焦距的單位是單位距離上的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與CCD板上的成像的尺寸成比例；對(duì)單目攝像頭測(cè)距模型建模，并依據(jù)所建模型計(jì)算物體到攝像頭的距離；依據(jù)上述模型計(jì)算的距離進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物體的測(cè)高和測(cè)面積。本發(fā)明所述的基于單目三維測(cè)距模型的測(cè)高測(cè)面積方法所需要的先驗(yàn)知識(shí)較少，更不需要雙目測(cè)距那樣需要特征點(diǎn)匹配這一麻煩的過程。另一方面，本發(fā)明的實(shí)時(shí)性很好。當(dāng)使用300萬像素的攝像頭且測(cè)距范圍50米以內(nèi)時(shí)的誤差率基本可以控制在百分之五以內(nèi)。在攝像頭俯角和焦距等先驗(yàn)知識(shí)準(zhǔn)確獲取之后，該方法完全可以應(yīng)用在公路前方障礙物檢測(cè)與基礎(chǔ)識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域。
【IPC分類】G01B11/28, G01B11/02
【公開號(hào)】CN105203034
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510711116
【發(fā)明人】何小海, 楊謙, 吳小強(qiáng), 蘭麗, 滕奇志
【申請(qǐng)人】四川大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年10月28日