CN101216937A - 港口运动集装箱定位系统的参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种港口运动集装箱定位系统的参数标定方法，应用在集装箱码头对运动中的集装箱卡车进行检测与定位；利用了集装箱的宽度和长度为已知标准尺寸的这一信息，用单目视觉系统实现了对对象的3维信息的感知，能够方便、快速、准确地标定出所有未知参数；它分为预先标定步骤和实时标定步骤，其中预先标定步骤设定在定位系统安装完成后实时测量前只需要执行一次，实时标定过程是在实际测量时每次测量前执行一次；下一次测量从实时标定开始；具有实施方便，不对集装箱和集装箱的运动附加任何额外要求，可以灵活、准确地计算任意高度的运动集装箱距离正确停车位的距离，可以应用在其它类似的视觉检测任务中等优点。

Description

港口运动集装箱定位系统的参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种单目视觉检测技术中的参数标定方法，特别涉及一种应用在港口运动集装箱定位系统中，利用集装箱的已知标准宽度和长度信息实现了三维空间尺寸与位置测量中需要的参数标定的港口运动集装箱定位系统的参数标定方法。

背景技术

所谓单目视觉是指只用一个摄像机从一个角度拍摄对象的单幅图像，由这单幅图像里包含的信息来实现对对象的感知。由于只用一个摄像机，所以这种视觉方式有其局限性，只能感知对象2维空间的信息，对视线深度方向的第3维的信息则不能正确感知。因此，单目视觉的标定也只是标定对象的2维空间到摄像机成像平面的2维空间之间的对应关系，也就是平面到平面的对应关系；单目视觉的这种本质上的局限性限制了它的应用范围。

但是，单目视觉又有其优点，它具有结构简单，模型简单，便于实现等特点，这些优点使它比双目视觉、多目视觉等更适合于工程上的使用和实现。

目前的运动集装箱的定位系统，由于实际条件的限制，仅仅应用现有的标定技术和方法无法满足定位系统的要求。如集装箱上不可能取到较多的点的信息，运动中的集装箱能取到的点数更受限制，集装箱的高度是不唯一的(必须现场标定这一参数)等等。这些限制条件使得未知参数的标定比较困难，如果采用近似的粗略的标定方法，则误差较大。

因此，特别需要一种应用在港口运动集装箱定位系统中，利用集装箱的已知标准宽度和长度信息实现了三维空间尺寸与位置测量中需要的参数标定的港口运动集装箱定位系统的参数标定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种港口运动集装箱定位系统的参数标定方法，应用在集装箱码头对运动中的集装箱卡车进行检测与定位；利用了集装箱的宽度和长度为已知标准尺寸的这一信息，用单目视觉系统实现了对对象的3维信息的感知，能够方便、快速、准确地标定出所有未知参数，实现本发明的目的。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种港口运动集装箱定位系统的参数标定方法，其特征在于，分为预先标定步骤和实时标定步骤，其中预先标定步骤设定在定位系统安装完成后实时测量前只需要执行一次，实时标定过程是在实际测量时每次测量前执行一次；下一次测量从实时标定开始。

所述预先标定步骤包括如下步骤：

1、制作一个平面靶标；该靶标平面上印刷有方便图像处理软件提取特征点的图案；

2、在定位系统安装固定以后，拍摄一组靶标的图像，该组靶标的图像中至少具有一幅靶标平铺在地面的图像；并同时标定出H矩阵及A矩阵及[r₁₃ r₂₃r₃₃]^T；

3、对步骤2中拍摄的靶标图像进行处理，得到每幅图像中靶标平面上特征点的图像坐标；

4、拍摄进入正确位置的集装箱上表面的图像一幅，并获取该集装箱上表面距离地面的准确高度z_w0。

5、对步骤4中拍摄的集装箱上表面的图像进行处理，提取集装箱的尾部宽度方向边缘信息，即得到该边缘上所有像素点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，...n；从而得到该边缘两个端点的图像坐标，即两个角点的图像坐标(u₁，v₁)，(u_n，v_n)；

6、利用步骤5中两个角点的数据(u₁，v₁)，(u_n，v_n)和步骤4中集装箱上表面距离地面的准确高度z_w0，同时又利用集装箱宽度的已知信息确定这两个角点在任意的集装箱上表面坐标系中的坐标(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)，并标定出此种情况下的r₁，r₂，t_x0，t_y0，s_i；然后r₁，r₂，t_x0，t_y0，s₁计算出(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)对应的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)，也就是集装箱在地面坐标系中对应的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)，其中集装箱上表面的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)垂直于地面投影到地面坐标系中的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)满足X₁＝X_w1，Y₁＝Y_w1，X_n＝X_wn，Y_n＝Y_wn；

7、利用步骤6中得到的(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)得到A₁，B₁，C₁的解，利用已知的集装箱的长度信息D₀，得到A，B，C的解；其中A，B和C是代表集装箱位置线的位置和方向的3个参数。

所述实时标定步骤包括如下步骤：

1、摄像机连续拍摄需测量的集装箱上表面的图像，取其中有完整的集装箱上表面的一幅图像，对该图像处理，得到其上四个角点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，2，3，4，并确定其在任意的集装箱上表面坐标系中的空间坐标(X_w0i，Y_w0i)，i＝1，2，3，4；

2、利用预先标定步骤2中的数据，解得6个参数r₁，r₂，t_x0，t_y0，z_w0，s₁；其中z_w0便是该集装箱上表面距离地面的实际高度值。

本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法的原理如下：

运动集装箱定位系统需要标定的参数包括(a)集装箱正确停放位置的位置参数，该位置线在实际空间中的数学表达式为：Ax+By+C＝0，其中A，B和C是代表位置线的位置和方向的3个参数；(b)任意集装箱上表面坐标系与地面坐标系之间的相对位置关系(包括集装箱上表面距地面的高度信息参数)；(c)标定集装箱上表面与摄像机成像平面之间的映射关系)。

(1)标定地面与摄像机成像平面之间的映射关系矩阵H。

地面(假设为平面)上的物点在摄像机成像平面上成像为像点，物点在地面坐标系_O-XY中的坐标记为(X，Y)，像点在像平面坐标系O_i-UV中的坐标记为(u，v)，如图2所示，根据透视成像原理，物点与其像点的坐标满足以下关系：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{h}_1& h_2& h_3\\ h_4& h_5& h_6\\ h_7& h_8& h_9\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，我们记 $H=\left[\begin{array}{ccc}{h}_1& h_2& h_3\\ h_4& h_5& h_6\\ h_7& h_8& h_9\end{array}\right],$ 称H为地面与摄像机成像平面之间的映射关系矩阵。

公式(1)是一个线性关系式，可以利用一组已知坐标的物点和其像点的坐标数据计算出矩阵H，也即计算出h_i(i＝1，...9)这9个参数。计算方法简述如下：

由公式(1)得到：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{su}=h_{1}X+h_{2}Y+h_3\\ \mathrm{sv}=h_{4}X+h_{5}Y+h_6\\ s=h_{7}X+h_{8}Y+h_9\end{array}\right.---\left(2\right)$

化简公式(2)，消去变量s，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{1}X+h_{2}Y+h_3=h_7\mathrm{uX}+h_8\mathrm{uY}+h_{9}u\\ h_{4}X+h_{5}Y+h_6=h_7\mathrm{vX}+h_8\mathrm{vY}+h_{9}v\end{array}\right.---\left(3\right)$

若有n个物点和其相应的n个像点的坐标(X_i，Y_i)，...(X_n，Y_n)，(u_i，v_i)，...(u_n，v_n)，则可以得到n组公式(3)，也即得到2n个关于未知参数h_i(i＝1，...9)的线性方程，简记为矩阵形式：

Ah＝0    (4)

其中：

$A=\left[\begin{array}{ccccccccc}{X}_1& Y_1& 1& 0& 0& 0& -u_1{X}_1& -u_1{Y}_1& -u_1\\ 0& 0& 0& X_1& Y_1& 1& -v_1{X}_1& -v_1{Y}_1& -v_1\\ X_2& Y_2& 1& 0& 0& 0& -u_2{X}_2& -u_2{Y}_2& -u_2\\ 0& 0& 0& X_2& Y_2& 1& -v_2{X}_2& -v_2{Y}_2& -v_2\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ X_n& Y_n& 1& 0& 0& 0& -u_n{X}_n& -u_n{Y}_n& -u_n\\ 0& 0& 0& X_n& Y_n& 1& -v_n{X}_n& -v_n{Y}_n& -v_n\end{array}\right],h={[h_1,h_2,h_3,h_4,h_5,h_6,h_7,h_8,h_9]}^T$

求解公式(4)，即可解出h_i(i＝1，...9)，也即标定出了矩阵H。

(2)标定特定集装箱上表面与摄像机成像平面之间的映射关系。

假设集装箱上表面坐标系与地面坐标系是完全平行的，只有高度上的差z_w0，也即地面坐标系的X轴、Y轴分别平行于集装箱上表面坐标系的X_w轴、Y_w轴，地面坐标系的原点O与集装箱上表面坐标系的原点O_w沿垂直于地面的方向距离z_w0，二者位置关系如附图3所示。由于这种情况下的集装箱位置是一个很理想化的位置，我们称之为特定集装箱上表面坐标系。特定集装箱上表面坐标系的特点是：集装箱上表面的任意点在该坐标系中的坐标(X_w，Y_w)与在地面坐标系中的投影点的坐标(X，Y)完全相等，即X_w＝X，Y_w＝Y。

特定集装箱上表面坐标系O_w-X_wY_w与摄像机成像平面之间的映射关系如下：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}{h}_1& h_2& h_3\\ h_4& h_5& h_6\\ h_7& h_8& h_9\end{array}\right]\end{array}\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ 1\end{array}\right]+A\·\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{r}_{13}\\ r_{23}\\ r_{33}\\ 0\end{array}\right]\·Z_{w0}\end{array}---\left(5\right)$

其中：

$H=\left[\begin{array}{ccc}{h}_1& h_2& h_3\\ h_4& h_5& h_6\\ h_7& h_8& h_9\end{array}\right],$ 即为上一步骤中定义的地面与摄像机成像平面之间的映射关系矩阵。

$A=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dX}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dY}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cccc}\frac{f}{\mathrm{dX}}& 0& u_0& 0\\ 0& \frac{f}{\mathrm{dY}}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\end{array},\end{array}$ 是摄像机内部参数组成的矩阵，f表示镜头的焦距，dX，dY分别表示成像平面坐标系中每个像素在U轴、V轴方向的的尺度因子，(u₀，v₀)表示摄像机透视成像的光轴与成像平面的交点在O_i-UV坐标系中的坐标。

[r₁₃ r₂₃ r₃₃]^T为地面坐标系到摄像机像平面坐标系之间的旋转变换关系矩阵R中的第三列元素，即 $R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right].$

根据公式(5)，若已知集装箱上表面的某点的图像坐标(u，v)和高度z_w0，则可以确定该点在O_w-X_wY_w坐标系中的坐标(X_w，Y_w)。所以本步骤部分要标定的参数是H矩阵，A矩阵和[r₁₃ r₂₃ r₃₃]^T。

公式(5)中H矩阵的标定即用上一步骤中的方法。

公式(5)中A矩阵的标定方法如下：

记：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}\frac{f}{\mathrm{dX}}& 0& u_0\\ 0& \frac{f}{\mathrm{dY}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

A₁矩阵内的4个非零未知元素是摄像机的内部参数，所以可以用现在通常使用的标定摄像机内部参数的方法标出这4个元素。A₁得到后，则A矩阵得到。

公式(5)中[r₁₃ r₂₃ r₃₃]^T的标定方法如下。

(3)标定集装箱上表面坐标系与地面坐标系之间的相对位置关系

由于集装箱的高度有几种不同尺寸，而且运输集装箱的卡车底盘高度也不固定，所以集装箱上表面距离地面的高度差Z_w0其实是不唯一的，所以在原理内容(2)中的参数z_w0如果假定为某一固定值，则测量是不准确的，准确的方法应该是实时地标定z_w0的值。于是，需要利用运动中的集装箱上表面的已知点的信息来标定z_w0。另外，当集装箱卡车开过来时，认为集装箱上表面已知点的空间坐标是不可能恰好与前面定义的O_w-X_wY_w坐标系吻合的，所以，又需要建立一个任意的集装箱上表面坐标系O_w0-X_w0Y_w0，已知点的空间坐标是在O_w0-X_w0Y_w0坐标系内的坐标，O_w0-X_w0Y_w0坐标平面平行于地面，与O_w-X_wY_w坐标系在同一平面内，但是与地面坐标系之间有相对的旋转和原点平移，如附图4所示。于是，需要实时标定的参数还包括O_w0-X_w0Y_w0与O-XY之间的相对旋转参数和平移参数，也就是O_w0-X_w0Y_w0与O_w-X_wY_w之间的相对旋转和平移。定义如下：

$\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ 1\end{array}\right]=s_1\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& -r_2& t_{x0}\\ r_2& r_1& t_{y0}\\ 0& 0& \frac{1}{s_1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{w0}\\ Y_{w0}\\ 1\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中 $\left[\begin{array}{cc}{r}_1& -r_2\\ r_2& r_1\end{array}\right]$ 为旋转矩阵，r₁＝cosθ，r₂＝sinθ，θ为O_w0-X_w0Y_w0相对O-XY的旋转角度，[t_x0，t_y0]^T为O_w0-X_w0Y_w0相对O-XY的原点平移向量。所以，总共有6个参数需要实时地标定：r₁，r₂，t_x0，t_y0，z_w0，s₁。

标定方法是取运动中的集装箱上表面的至少3个点的空间坐标(X_w01，Y_w01)，(X_w02，Y_w02)，(X_w03，Y_w03)和图像坐标(u₁，v₁)，(u₂，v₂)，(u₃，v₃)，然后利用这些坐标数据和上两步标定出的H矩阵、A矩阵以及[r₁₃ r₂₃ r₃₃]^T的数据构成方程组的系数，求解关于这6个参数的方程组。具体方法如下：

将公式(6)代入公式(5)得到：

$\left[\begin{array}{ccccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}& c_{14}& c_{15}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}& c_{24}& c_{25}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1{r}_1\\ s_1{r}_2\\ s_t{t}_{x0}\\ s_1{t}_{y0}\\ Z_{w0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中的系数c_ij，d_i分别如下：

c₁₁＝(uh₇-h₁)X_w0+(uh₈-h₂)Y_w0

c₁₂＝(uh₈-h₂)X_w0-(uh₇-h₁)Y_w0

c₁₃＝uh₇-h₁

c₁₄＝uh₈-h₂

c₁₅＝(ua₃₁-a₁₁)r₁₃+(ua₃₂-a₁₂)r₂₃+(ua₃₃-a₁₃)r₃₃

c₂₁＝(vh₇-h₄)X_w0+(vh₈-h₅)Y_w0

c₂₂＝(vh₈-h₅)X_w0-(vh₇-h₄)Y_w0

c₂₃＝vh₇-h₄

c₂₄＝vh₈-h₅

c₂₅＝(va₃₁-a₂₁)r₁₃+(va₃₂-a₂₂)r₂₃+(va₃₃-a₂₃)r₃₃

d₁＝h₃-uh₉

d₂＝h₆-vh₉

按照公式(7)一个点的数据可以建立2个方程，3个点的数据可以建立6个方程，故可以解出6个未知参数。

特别情况下，如果有其中一个参数是确切已知的，如Z_w0，则只有5个参数需要标定，则仅需要集装箱上表面2个点的空间坐标和图像坐标就可以标出这5个参数。这种情况下公式(7)变为：

$\left[\begin{array}{cccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}& c_{14}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}& c_{24}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1{r}_1\\ s_1{r}_2\\ s_1{t}_{x0}\\ s_1{t}_{y0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{d}_1-c_{15}{Z}_{w0}\\ d_2-c_{25}{Z}_{w0}\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中的参数c_ij，d_i同公式(7)。

(4)标定集装箱正确停放位置在地面坐标系中的位置参数。

设集装箱正确停放位置在地面坐标系中表示为一条直线：

L：Ax+By+C＝0，其中参数A，B，C确定了该直线的位置和方向。

但是由于摄像机的安装角度，这一直线L不一定保证在摄像机的视野范围内，故标定时无法直接标定该直线的参数A，B，C。但是，总能找到一条与L平行并且位于摄像机视野范围内的直线：L₁：A₁x+B₁y+C₁＝0，L₁与L的距离设为D₀。那么，可以先标定出L₁的参数A₁，B₁，C₁，然后再利用L₁与L平行的性质计算出L的参数A，B，C。直线L与L₁在地面坐标系中的位置如附图5所示。具体标定方法如下：

①摄像机拍摄得到了平行于地面并且距地面高度为z_w0的L₁的图像，得到位于L₁上的n个点的像坐标(u_i，v_i)，i＝1，...n，则可以利用前面三步标出的参数信息计算出其在地面坐标系中的空间坐标(X_i，Y_i)，i＝1，...n，利用这n个空间点坐标的数据可以拟合出直线L₁的参数A₁，B₁，C₁：

设C₁＝1

则有：

$\left[\begin{array}{cc}{X}_1& Y_1\\ X_1& Y_2\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ X_n& Y_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ B_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-C_1\\ -C_1\\ .\\ .\\ .\\ -C_1\end{array}\right]---\left(9\right)$

记

$\left[\begin{array}{cc}{X}_1& X_1\\ X_2& X_2\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ X_n& Y_n\end{array}\right]=M,$

$\left[\begin{array}{c}{-C}_1\\ -C_1\\ .\\ .\\ .\\ {-C}_1\end{array}\right]=b$

用最小二乘法可以解出 $\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ B_1\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^{T}b,$ 于是得到了A₁，B₁，C₁的解。

②由A₁，B₁，C₁的解求A，B，C的解。

根据L₁与L平行的性质，可以得到关系式：

$\frac{A_1}{B_1}=\frac{A}{B}---\left(10\right)$

根据L₁与L距离为D₀，可以得到关系式：

$D_0=(-\frac{C}{A}+\frac{C_1}{A_1})\·\sin \left(\arctan \left(\frac{A_1}{B_1}\right)\right)---\left(11\right)$

假设C＝1，代入公式(11)，解公式(10)、(11)组成的方程组得到：

$A=\frac{1}{-\frac{D_0}{\sin \left(\arctan \left(\frac{A_1}{B_1}\right)\right)}+\frac{1}{A_1}},---\left(12\right)$

$B\frac{B_1}{A_1}A---\left(13\right)$

于是，得到了A，B，C的解。

本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法具有如下优点：

1、实施方便；

2、不对集装箱和集装箱的运动附加任何额外要求；

3、可以灵活、准确地计算任意高度的运动集装箱距离正确停车位的距离；

4、可以应用在其它类似的视觉检测任务中。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

图1为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中标定过程流程图。

图2为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中地面与摄像机成像平面的映射关系图。

图3为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中特定集装箱上表面坐标系与地面坐标系之间的位置关系图。

图4为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中任意集装箱上表面坐标系与地面坐标系的位置关系图。

图5为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中直线L与L₁在地面坐标系中的位置图。

图6A为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中一种靶标平面的示意图。

图6B为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中一种靶标平面的示意图。

图6C为本发明港口运动集装箱定位系统的参数标定方法中一种靶标平面的示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种港口运动集装箱定位系统的参数标定方法，分为预先标定步骤和实时标定步骤，其中预先标定步骤设定在定位系统安装完成后实时测量前只需要执行一次，实时标定过程是在实际测量时每次测量前执行一次；下一次测量从实时标定开始。

预先标定包括如下的步骤：

1]选定平面标定参照物；设计制作一个平面标定参照物，也称为靶标。该靶标平面上印刷有方便图像处理软件提取特征点的图案，例如，黑白方格的图案，或者规则的圆点的图案等，如附图6A、6B、6C中给出了3种图案的例子。要求特征点在靶标平面上的位置是准确知道的，也即知道它们在这个平面坐标系中的坐标。

2]拍摄一组不同姿态的平面标定参照物的图像；在定位系统安装固定以后，拍摄一组靶标的图像，总共4~6幅图像即可，要求其中一幅图像必须是靶标平铺在地面的图像。操作方法是：将靶标平铺在摄像机视野范围内的地面上，拍摄一幅图像，记为图片1；将靶标平面以其他不同姿态相对于摄像机分别拍摄一幅图像，记为图片2~6，例如，靶标左上角抬高或者右上角抬高等姿态。

3]标定摄像机内部参数和部分外部参数及映射矩阵；对步骤2]中拍摄的图像进行处理，得到每幅图像中靶标平面上特征点的图像坐标。用图片1的数据按照前述的原理内容(1)的方法可以标定出H矩阵。用图片1~6的数据按照前述的原理内容(2)的方法可以标定出A矩阵及[r₁₃ r₂₃ r₃₃]^T。

4]拍摄一幅停在正确位置的集装箱上表面图像；一辆载有集装箱的卡车开到定位系统检测范围内，停在正确位置，拍摄集装箱上表面的图像一幅，并且要求知道该集装箱上表面距离地面的准确高度z_w0。

5]提取集装箱尾部两个角点坐标；对步骤4]中拍摄的图像进行处理，提取集装箱的尾部(远离卡车头的一端，因为在定位系统中摄像机的视野范围内看不到集装箱靠近卡车头一端的边缘)宽度方向边缘信息，也即得到该边缘上所有像素点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，...n。于是也就得到了该边缘两个端点的图像坐标，即两个角点的图像坐标(u₁，v₁)，(u_n，v_n)。

6]计算集装箱尾部两个角点在地面投影的坐标；利用步骤5]中两个角点的数据(u₁，v₁)，(u_n，v_n)和步骤4]中已知的z_w0，，同时又可以利用集装箱宽度的已知信息确定这两个角点在任意的集装箱上表面坐标系中的坐标(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)，用原理内容(3)部分的公式(8)可以标定出此种情况下的r₁，r₂，t_x0，t_y0，s₁。然后带入公式(6)可以计算出(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)对应的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)，也就是其在地面坐标系中对应的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)，因为地面坐标系与特定集装箱上表面坐标系是完全平行的，如附图2所示，所以特定集装箱上表面的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)垂直于地面投影到地面坐标系中的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)满足X₁＝X_w1，Y₁＝Y_w1，X_n＝X_wn，Y_n＝Y_wn。

7]标定集装箱正确停止位的位置参数。利用步骤6]中得到的(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)，带入公式(9)，得到A₁，B₁，C₁的解，然后利用已知的集装箱的长度信息D₀，带入公式(12、13)，得到A，B，C的解。

实时标定包括如下步骤：

1]拍摄运动集装箱并提取4个角点的坐标；实际测量时，每当有一辆载有集装箱的卡车开来时，摄像机连续拍摄集装箱上表面的图像，取其中有完整的集装箱上表面的一幅图像，对该图像处理，得到其上四个角点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，2，3，4，又可以确定其在任意的集装箱上表面坐标系中的空间坐标(X_w0i，Y_w0i)，i＝1，2，3，4。

2]标定任意集装箱上表面坐标系相对地面坐标系的位置参数。利用步骤1]中的数据，采用原理内容(3)部分的公式(7)，解得6个参数r₁，r₂，t_x0，t_y0，z_w0，s₁。其中z_w0便是该集装箱上表面距离地面的实际高度值。

至此，本发明中的标定方法全部实现。其中的预先标定过程在定位系统安装完成后实时测量前只需要执行一次，实时标定过程是在实际测量时每次测量前执行一次；下一次测量从实时标定开始。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种港口运动集装箱定位系统的参数标定方法，其特征在于，分为预先标定步骤和实时标定步骤，其中预先标定步骤设定在定位系统安装完成后实时测量前只需要执行一次，实时标定过程是在实际测量时每次测量前执行一次；下一次测量从实时标定开始。

2.根据权利要求1所述的参数标定方法，其特征在于，所述预先标定步骤包括如下步骤：

(1)、制作一个平面靶标；该靶标平面上印刷有方便图像处理软件提取特征点的图案；

(2)、在定位系统安装固定以后，拍摄一组靶标的图像，该组靶标的图像中至少具有一幅靶标平铺在地面的图像；并同时标定出H矩阵及A矩阵及[r₁₃ r₂₃r₃₃]^T；

(3)、对步骤(2)中拍摄的靶标图像进行处理，得到每幅图像中靶标平面上特征点的图像坐标；

(4)、拍摄进入正确位置的集装箱上表面的图像一幅，并获取该集装箱上表面距离地面的准确高度z_w0。

(5)、对步骤(4)中拍摄的集装箱上表面的图像进行处理，提取集装箱的尾部宽度方向边缘信息，即得到该边缘上所有像素点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，...n；从而得到该边缘两个端点的图像坐标，即两个角点的图像坐标(u₁，v₁)，(u_n，v_n)；

(6)、利用步骤(5)中两个角点的数据(u₁，v₁)，(u_n，v_n)和步骤4中集装箱上表面距离地面的准确高度z_w0，同时又利用集装箱宽度的已知信息确定这两个角点在任意的集装箱上表面坐标系中的坐标(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)，并标定出此种情况下的r₁，r₂，t_x0，t_y0，s₁；然后r₁，r₂，t_x0，t_y0，s₁计算出(X_w01，Y_w01)，(X_w0n，Y_w0n)对应的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)，也就是集装箱在地面坐标系中对应的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)，其中集装箱上表面的坐标(X_w1，Y_w1)，(X_wn，Y_wn)垂直于地面投影到地面坐标系中的坐标(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)满足X₁＝X_w1，Y₁＝Y_w1，X_n＝X_wn，Y_n＝Y_wn；

(7)、利用步骤(6)中得到的(X₁，Y₁)，(X_n，Y_n)得到A₁，B₁，C₁的解，利用已知的集装箱的长度信息D₀，得到A，B，C的解；其中A，B和C是代表集装箱位置线的位置和方向的3个参数。

3.根据权利要求1所述的参数标定方法，其特征在于，所述实时标定步骤包括如下步骤：

(1)、摄像机连续拍摄需测量的集装箱上表面的图像，取其中有完整的集装箱上表面的一幅图像，对该图像处理，得到其上四个角点的图像坐标(u_i，v_i)，i＝1，2，3，4，并确定其在任意的集装箱上表面坐标系中的空间坐标(X_w0i，Y_w0i)，i＝1，2，3，4；

(2)、利用步骤(2)中的数据，解得6个参数r₁，r₂，t_x0，t_y0，z_w0，s₁；其中z_w0便是该集装箱上表面距离地面的实际高度值。

4.根据权利要求1所述的参数标定方法，其特征在于，所述平面靶标包含但不限于黑白方格的图案，或者规则的圆点的图案。

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