CN100491900C - 人员空间方位的自动测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种人员空间方位的自动测量方法及系统，其首先通过测量出一参照物的实际空间坐标及像点空间坐标建立实际空间方位坐标与像点空间坐标的数学模型，然后摄取目标人员的图像，并对目标人员图像中目标点进行检测定位后测定所述目标点的像点空间坐标，再根据所述数学模型计算出目标点的实际空间坐标，本发明尤其可实现对人员左右双眼的空间方位的自动化测量，实现测量精度高、测量速度快及测量实时进行的功能，同时通过进一步利用左右眼的空间方位坐标可获得人脸的姿态朝向，甚至是视线指向，进而为人员的控制、再测量及再处理提供前提条件。

Description

人员空间方位的自动测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种人员空间方位的自动测量方法及系统。

背景技术

现实中常会需要对人眼的空间方位进行测量，例如监控系统需要获取人脸的位置信息，或者某控制系统需要测量出人的位置而进行相应动作，或者有系统需要根据人眼的方位对其视线进行跟踪等等。

因此，如何对人员的空间方位进行快速、自动的测量，并能确保测量的精度成为业界亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人员空间方位的自动测量方法，以实现人员立体方位的自动化测量，实现测量精度高、测量速度快及测量实时进行的功能。

本发明的目的在于提供一种人员空间方位的自动测量系统，以实现进一步利用左右眼的空间方位坐标获得人脸的姿态朝向，甚至是视线指向的功能，进而以实现为人员的控制、再测量及再处理提供前提条件的功能。

为了达到上述目的，本发明提供一种人员空间方位的自动测量方法，其主要包括以下步骤：1)根据参照物的实际空间方位坐标与至少两摄像机同时拍摄的所述参照物图像的像点空间坐标建立像点坐标与实际空间方位坐标之间的数学模型；2)所述至少两摄像机同时拍摄目标人员的图像；3)分别检测每一摄像机摄取的所述目标人员图像以识别出各幅图像中的目标人员的目标点；4)定位所识别出的目标点并测定所述目标点的像点空间坐标；5)根据所述目标点的像点空间坐标及所述数学模型计算相应目标点的实际空间方位坐标，以确定目标人员空间方位。

其中，在所述步骤1)之前包括步骤：(1)测量参照物的实际空间方位坐标；(2)采用至少两摄像机同时拍摄所述参照物的图像；(3)测定所述参照物的参照点的像点空间坐标，所述步骤1)采用摄影测量共线方程建立所述数学模型，所述步骤3)中所述目标点为左右双眼，所述步骤3)采用眼眶中心定位法定位所述双眼，所述步骤3)采用瞳孔中心定位法定位所述双眼，所述步骤3)采用眼角连线中心定位所述双眼。

本发明还提供一种人员空间方位的自动测量系统，其主要包括：用于拍摄参照物及目标人员的图像的至少两摄像机、用于采集所拍摄的参照物及目标人员的图像，并检测每一摄像机所拍摄的目标人员的图像以识别图像中的目标点的图像检测模块、用于测定所采集的图像中的参照物的参照点的像点空间坐标，并根据所述参照点的像点空间坐标及其实际空间方位坐标建立像点与实际空间方位的数学模型，以及用于测定已被识别出的目标点的像点空间坐标并根据所述数学模型及目标点的像点空间坐标计算所述目标点的实际空间方位坐标的图像测量模块。

其中，所述至少两摄像装置保持光轴平行且间隔预定的距离。

综上所述，本发明的人员空间方位的自动测量方法及系统通过预先建立实际空间方位坐标与像点空间坐标的数学模型，然后拍摄目标人员的图像并测定目标人员的目标点的像点空间坐标，并根据所建立的数学模型计算出相应目标人员的空间方位坐标，实现了人员立体方位的自动化测量，测量精度高、测量速度快及测量实时进行的功能，进一步利用左右眼的空间方位坐标可获得人脸的姿态朝向，甚至是视线指向，进而可为人员的控制、再测量及再处理提供前提条件。

附图说明

图1为本发明的人员空间方位的自动测量系统的基本架构示意图。

图2为本发明的人员空间方位的自动测量系统的实际结构示意图。

图3为本发明的人员空间方位的自动测量方法的操作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明的人员空间方位的自动测量系统主要包括：至少两摄像装置11、12、图像检测模块13以及图像测量模块14，以下将对前述各模块进行详细描述。

所述至少两摄像装置11、12用于同时拍摄参照物及目标人员的图像，在本实施方式中，采用2台适合工业测量的摄像机，将其固定安装于尺寸伸展性稳定(膨胀性小)的金属支架上，两台摄像机之间拉开一定距离(比如1米)，且使两光轴平行并与金属支架保持垂直，其中，光轴间的距离称为基线长度，当拍摄时，两台摄像机是同时进行的，需注意的是，两台摄像机之间的距离可根据实际情况予以确定，而非以本实施方式为限，所述参照物也可根据实际情况予以选取，例如，选择建筑物上的某特定标志。

所述图像检测模块13用于采集所拍摄的参照物及目标人员的图像，并检测每一摄像装置所拍摄的目标人员的图像以识别图像中的目标点，其可采用高速高分辨率的图像采集卡完成同步采集两台摄像机的高分辨率图像，并由中央处理单元(CPU)实时检测所拍摄的图像，也可采用数字信号处理器(DSP)完成图像采集及检测工作，以从两台摄像装置11、12所拍摄的两幅图像识别出相同的点，例如，识别出目标人物的目标点，在本实施方式中，参照物的多个参照点由人工进行识别，当然也可采用所述图像检测模块13自动识别。

所述图像测量模块14用于测定所采集的图像中的参照物的参照点的像点空间坐标，并根据所述参照点的像点空间坐标及其实际空间方位坐标建立像点与实际空间方位的数学模型，以及用于测定已被识别出的目标点的像点空间坐标并根据所述数学模型及目标点的像点空间坐标计算所述目标点的实际空间方位坐标，在本实施方式中，所述图像测量模块14测定了多个参照点的像点坐标以供精确建立所述数学模型，降低所述数学模型的误差，其可采用中央处理单元(CPU)测定目标点的像点空间坐标并快速计算出三维坐标，也可采用DSP计算目标点的实际空间坐标。

再请参见图3，其为本发明的人员空间方位的自动测量方法的操作流程示意图，在所述人员空间方位的自动测量方法中，首先执行步骤S10，测量参照物的实际空间方位坐标，例如采用光学测量方法精确测量所述参照物的实际空间方位坐标，因光学测量方法为现有技术，且为本领域技术人员所知悉，在此不再予以赘述，接着执行步骤S11。

在步骤S11中，采用至少两摄像装置同时拍摄所述参照物的图像，在本实施方式中，采用固定在金属支架上的两台摄像机拍摄参照物的图像，接着执行步骤S12。

在步骤S12中，测定所述参照物的参照点的像点空间坐标，通常是通过测定所述参照点相对于像点空间的原点的距离即为其像点空间坐标，所述原点一般选择整幅图像的左上角的一固定点作为坐标起点，此外，也可采用框标理论测定所述参照点的像点空间坐标，在此不再详述，在本实施方式中，可借助CPU测定所述参照物的像点空间坐标，此外，需注意的是，对所拍摄的图像中的参照点的识别可采用人工方式也可采用自动识别方式，接着执行步骤S13。

在步骤S13中，根据参照物的实际空间方位坐标与至少两摄像机同时拍摄的所述参照物图像的像点空间坐标建立像点与实际空间方位的数学模型，在本实施方式中，采用摄影测量共线方程建立所述数学模型，相应的，根据参照物的实际空间方位坐标及相应的像点空间坐标即可计算出内方位元素及外方位元素，据此即可建立相应的共线方程数学模型，共线方程为现有摄影测量学所揭示，在此不再予以赘述，此外，为降低所建立的数学模型的误差，可选定多个参照点的各像点空间坐标及实际空间坐标作为参考，以不断校正所建立的数学模型，提高所述数学模型的精度，接着执行步骤S14。

在步骤S14中，所述至少两摄像机同时摄取目标人员的图像，例如摄取被监视的人员的图像，接着执行步骤S15。

在步骤S15中，分别检测每一摄像机摄取的所述目标人员图像以识别出各幅图像中的目标人物的的目标点，所述目标点为左右双眼，因人眼的位置关系确定，即左眼总是靠左，右眼总是靠右，因此在两台摄像机所拍摄的图像中，通过图像检测技术可识别两幅图像中的人眼，并将两幅图像中位于左侧的眼睛图像认为是同名点，将两幅图像中位于右侧的眼睛图像认为是另一同名点，此外，所述目标点并非以双眼为限，例如，也可选用鼻尖，接着执行步骤S16。

在步骤S16中，定位所述目标人员的图像中目标点并测定所述目标点的像点空间坐标，在本实施方式中，可采用眼眶中心定位法定位所述双眼，也可采用瞳孔中心定位法定位所述双眼，眼眶中心定位法及瞳孔中心定位法为现有技术，在此不再详述，由此可以得到左眼和右眼两同名点二维像点坐标数据，接着执行步骤S17。

在所述步骤S17中，根据所述目标点的像点空间坐标及所述数学模型计算相应目标点的实际空间方位坐标，计算过程为前述建立数学模型的逆过程，因此不再重述。

综上所述，本发明的人员空间方位的自动测量方法及系统的实际测量精度直接受限于摄像机质量、摄像机位置的精确程度、测量参数标定以及人眼二维定位精度等因素的影响，由于本发明的摄像机固定在金属支架上，位置较为精确，因此，根据有关的系统实际经验，图像中人眼定位精度可达1个像素，最终空间测量精度最高可达像方0.1像素，在处理速度上，影响因素包括图像采集、人脸检测与人眼定位处理所需要的时间，通常在P4 3.0G的CPU上对352x288尺寸的图像可在40毫秒内完成对人眼定位，如果在CPU上实现本发明，则有可能做到每秒25帧的实时人眼空间坐标测量。

再有，根据眼眶中心点位法可以进一步地计算出面部的朝向，再加上瞳孔中心定位法则可以更精确地反映出实际视线的指向。

Claims (9)

1.一种人员空间方位的自动测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据参照物的实际空间方位坐标与至少两摄像机同时拍摄的所述参照物图像的像点空间坐标建立像点坐标与实际空间方位坐标之间的数学模型；

2)所述至少两摄像机同时摄取目标人员的图像；

3)分别检测每一摄像机摄取的所述目标人员图像以识别出各幅图像中的目标人员的目标点；

4)定位所识别出的目标点并测定所述目标点的像点空间坐标；

5)根据所述目标点的像点空间坐标及所述数学模型计算相应目标点的实际空间方位坐标。

2.如权利要求1所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤1)之前包括步骤：

(1)测量参照物的实际空间方位坐标；

(2)采用至少两摄像机同时拍摄所述参照物的图像；

(3)测定所述参照物的参照点的像点空间坐标。

3.如权利要求1所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤1)采用摄影测量共线方程建立所述数学模型。

4.如权利要求1所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤2)中所述目标点为人脸的左右双眼。

5.如权利要求4所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤3)采用眼眶中心定位法定位所述双眼。

6.如权利要求4所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤3)采用瞳孔中心定位法定位所述双眼。

7.如权利要求4所述的人员空间方位的自动测量方法，其特征在于：所述步骤3)采用眼角连线中心定位所述双眼。

8.一种人员空间方位的自动测量系统，其特征在于包括：

至少两摄像机，用于拍摄参照物及目标人员的图像；

图像检测模块，用于采集所拍摄的参照物及目标人员的图像，并检测每一摄像机所拍摄的目标人员的图像以识别图像中的目标点；

图像测量模块，用于测定所采集的图像中的参照物的参照点的像点空间坐标，并根据所述参照点的像点空间坐标及其实际空间方位坐标建立像点坐标与实际空间方位坐标之间的数学模型，以及用于测定已被识别出的目标点的像点空间坐标并根据所述数学模型及目标点的像点空间坐标计算所述目标点的实际空间方位坐标。

9.如权利要求8所述的人员空间方位的自动测量系统，其特征在于：所述至少两摄像机保持光轴平行且间隔预定的距离。

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