基于單目攝像機的3d空間測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及視頻監(jiān)控領域，尤其涉及一種基于單目攝像機的3D空間測量方法。
【背景技術】
[0002] 單目攝像機通過單次拍攝無法形成3D視覺。在沒有預知尺寸的參考物體進行輔 助測量，也不知道攝像機架設高度和鏡頭中軸線與地面的夾角時，無法測量被拍攝物體與 攝像機安裝點之間的相對坐標。
[0003] 現(xiàn)有技術中，單目攝像機單次拍攝時，通過拍攝預知尺寸的參考物體，根據(jù)圖像中 被拍攝的參考物體所占的像素、實際物體尺寸、攝像機與地面的夾角，計算出物體尺寸與攝 像機拍攝圖像的像素之間的比例關系。然后，在后續(xù)的拍攝中，不改變攝像機的安裝參數(shù)， 只需要按照被拍攝物所占的像素個數(shù)計算出物體的實際尺寸。通過攝像機與地面的夾角和 架設桿的高度，可以計算出被拍攝物體與攝像機之間的相對坐標。
[0004] 通過上述過程可以看出，單目攝像機單次拍攝需要具備很多外在條件，需要攝像 機安裝數(shù)據(jù)，如架設桿高度、攝像機與地面的夾角；需要使用標定物，人工進行輔助標定計 算得到換算參數(shù)；后續(xù)使用中不能改變攝像機安裝參數(shù)，否則必須重新標定，適應性不好。
[0005] 或者現(xiàn)有技術通過雙眼攝像機拍攝同一物體，或單目攝像機在兩個不同的位置與 角度拍攝同一物體，通過在圖像中的不同位置，實現(xiàn)3D視覺感知。但是必須使用兩個攝像 機，或是為單個攝像機提供移動的導軌及驅(qū)動裝置，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于單目攝像機的3D空間測量方法，該方法包括：
[0007] 分別對地面上的待測點和輔助測試點對焦，獲取對應成像參數(shù)，其中，所述輔助 測試點位于攝像機光軸在地面的投影線上，所述待測點與所述輔助測試點物距不同，且兩 次成像的攝像機安裝參數(shù)不變；
[0008] 根據(jù)所述待測點和所述輔助測試點的成像參數(shù)，對兩次成像進行關聯(lián)計算，獲得 所述待測點的相對坐標，所述相對坐標的參考坐標系為，以攝像機安裝支點在地面的投影 為原點，以該支點與地面的垂線為Y軸，以攝像機光軸沿地面的投影為X軸，以與X軸和Y 軸垂直的方向為Z軸。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于單目攝像機的3D空間測量裝置，該裝置包括：
[0010] 成像參數(shù)獲取單元，用于分別對地面上的待測點和輔助測試點對焦，獲取對應成 像參數(shù)，其中，所述輔助測試點位于攝像機光軸在地面的投影線上，所述待測點與所述輔 助測試點物距不同，且兩次成像的攝像機安裝參數(shù)不變；
[0011] 相對坐標計算單元，用于根據(jù)所述待測點和所述輔助測試點的成像參數(shù)，對兩次 成像進行關聯(lián)計算，獲得所述待測點的相對坐標，所述相對坐標的參考坐標系為，以攝像機 安裝支點在地面的投影為原點，以該支點與地面的垂線為Y軸，以攝像機光軸沿地面的投 影為X軸，以與X軸和Y軸垂直的方向為Z軸。
[0012] 本發(fā)明利用單目攝像機的內(nèi)部參數(shù)計算待測點的空間相對坐標，而無需測量攝像 機的安裝參數(shù)以及對標定物進行標定，節(jié)省了人力、物力以及時間成本，簡化的操作過程。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明一種實施方式中基于單目攝像機的3D空間測量的邏輯結(jié)構(gòu)及其基 礎硬件環(huán)境的示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明一種實施方式中基于單目攝像機的3D空間測量方法的流程圖。
[0015] 圖3是單目攝像機安裝示意圖。
[0016] 圖4是本發(fā)明一種實施方式中光學成像示意圖。
[0017] 圖5是本發(fā)明一種實施方式中成像點在圖像采集傳感器的Y軸方向的像高示意 圖。
[0018] 圖6是透鏡成像原理示意圖。
[0019] 圖7是本發(fā)明一種實施方式中成像點在圖像采集傳感器的Z軸方向的像高示意 圖。
【具體實施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0021] 本發(fā)明提供一種基于單目攝像機的3D空間測量裝置，以下以軟件實現(xiàn)為例進行 說明，但是本發(fā)明并不排除諸如硬件或者邏輯器件等其他實現(xiàn)方式。如圖1所示，該裝置運 行的硬件環(huán)境包括CPU、內(nèi)存、非易失性存儲器以及其他硬件。該裝置作為一個邏輯層面的 虛擬裝置，其通過CPU來運行。該裝置包括成像參數(shù)獲取單元和相對坐標計算單元。請參 考圖2,該裝置的使用和運行過程包括以下步驟：
[0022] 步驟101，成像參數(shù)獲取單元分別對地面上的待測點和輔助測試點對焦，獲取對應 成像參數(shù)，其中，所述輔助測試點位于攝像機光軸在地面的投影線上，所述待測點與所述 輔助測試點物距不同，且兩次成像的攝像機安裝參數(shù)不變；
[0023] 步驟102,相對坐標計算單元根據(jù)所述待測點和所述輔助測試點的成像參數(shù)，對兩 次成像進行關聯(lián)計算，獲得所述待測點的相對坐標，所述相對坐標的參考坐標系為，以攝像 機安裝支點在地面的投影為原點，以該支點與地面的垂線為Y軸，以攝像機光軸沿地面的 投影為X軸，以與X軸和Y軸垂直的方向為Z軸。
[0024]本發(fā)明在不改變單目攝像機安裝參數(shù)（位置、高度、云臺角度等）的情況下，對待 測點及輔助測試點進行成像，并根據(jù)成像參數(shù)對兩次成像進行關聯(lián)計算，獲得待測點的空 間坐標。具體處理過程如下。
[0025] 如圖3所示，單目攝像機通過立桿垂直安裝于E點。以E點為原點建立參考坐標 系，計算待測點相對于該坐標系的位置坐標。該坐標系的X軸為攝像機光軸方向在地面的 投影，Y軸為立桿方向，Z軸垂直于XY平面。圖中物體AD與地面的交點A為待測點，地面上 的B點為輔助測試點，在攝像機光軸沿地面的投影上。
[0026] 如圖4所示，圖中給出了攝像機的簡易結(jié)構(gòu)，其中，鏡頭光學中心為攝像機鏡頭多 鏡片所形成的虛擬光學中心，鏡頭光學中心與攝像機安裝支點的距離（沿攝像機光軸方 向）為r，前后兩次成像可能有所變動。為攝像機光軸與地面的夾角。
[0027] 在不改變攝像機安裝參數(shù)（高度、光軸角度、方向）的情況下，利用單目攝像機分 別對A點和B點對焦，獲取對應成像參數(shù)。A點在圖像傳感器上的成像點為a點，B點在圖 像傳感器上的成像點為b點，像與物均投射到與光軸垂直的平面上，以便于計算推導。Pi為 一次成像物平面，即A點所在物平面；P2為二次成像物平面，即B點所在物平面。由此得到， 一次成像的像距Vi、焦距Fi以及鏡頭光學中心與安裝支點的距離η;二次成像的像距￥2、焦 距F2以及鏡頭光學中心與安裝支點的距離r2。
[0028] 根據(jù)成像點在圖像傳感器中的位置計算像高，如圖5所示。圖中上方的成像點為 b點，下方成像點為a點。根據(jù)物理尺寸與沿物理尺寸方向?qū)袼攸c數(shù)量成正比關系，計 算成像點沿XY平面的物理尺寸（像高）。圖中S為圖像傳感器沿XY平面有效像素范圍的 物理尺寸；Si為a點距離圖像傳感器中心水平線的垂直距離，即A點的成像高度；S2為b點 距離圖像傳感器中心水平線的垂直距離，即B點的成像高度。
[0029] 通過上述過程，獲得A點對應的像距I、焦距匕、像高Si以及鏡頭光學中心與安裝 支點的距離^ ;獲得B點對應的像距V2、焦距F2、像高S2以及鏡頭光學中心與安裝支點的距 離^。根據(jù)上述成像參數(shù)對兩次成像進行關聯(lián)計算，獲得