CN101852812A - 平面运动速度矢量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种平面运动的速度测量方法及系统，该方法通过图像摄取单元所随机拍摄的运动参照面上的部分物体的图像，来实时解算图像摄取单元所在载体的速度矢量；该系统包括图像摄取单元、图像处理及解算单元，输出单元，摄像辅助单元。本发明揭示的速度测量方法，可以实时地解算平面运动的速度大小和速度方向。

Description

平面运动速度矢量测量方法及系统

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种速度测量方法及速度测量系统，尤其涉及一种平面运动(或近视平面运动)速度矢量测量方法及系统。

背景技术

速度测量方法中，通常测出的是速度的标量。例如常用的汽车速度测量是通过轮胎带动一个发动机，产生一定的电流，通过此电流，换算得出汽车的速度标量。同样，利用多普勒效应

测出的速度也是速度的标量。

对于汽车、火车等这类做近视平面运动的物体，在某些场合(比如汽车导航中需要描述汽车的运动轨迹等)，我们希望能够得到速度的完整信息，包括速度的大小和速度的方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种平面运动的速度矢量测量方法，可以用于汽车、火车等做近视平面运动的物体的速度矢量测量。

另外，本发明还提供上述实现上述测量方法的测量系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种平面运动的速度矢量测量方法，通过图像摄取单元连续对运动参照面上的物体取时间序列图像，载体的平面运动引起物体的像的位置在相片坐标系里发生变化，位于摄像机光轴和相片交点的像点，其在微小时间间隔内的位置变化和载体的平面运动速度矢量成正比，借助于图像匹配手段确定这些位置变化，最终求解载体的速度矢量。

作为本发明的一种优选方案，所述图像摄取单元为摄像机；选取运动参照平面和摄像机光轴Z轴的交点P点作为测量平面运动速度的瞬时测量基准。

作为本发明的一种优选方案，所述瞬时测量基准是摄像机光轴Z轴和运动参照平面的随机交点，其随着平面运动的进行而不断更新；一个瞬时测量基准的生命期是一个拍摄周期。

作为本发明的一种优选方案，该方法包括如下步骤；

(1)附着于载体上的图像摄取单元对平面运动参考平面拍摄第n帧图像；

(2)在所拍摄的第n帧图像中，取得一部分作为测量所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间运动速度的瞬时参考基准，并把其位置赋予参数A；

(3)所述图像摄取单元拍摄第n+1帧图像；

(4)在所拍摄的第n+1帧图像中，匹配寻找所述瞬时参考基准；

(5)更新瞬时测量基准；

(6)若匹配寻找成功，转步骤(7)，否则转步骤(3)；

(7)把最佳匹配位置赋予参数B；

(8)计算所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间的速度矢量V＝k*(B-A)+M，k为比例系数，M为修正量；

(9)若测量需要重复进行，根据测量要求控制时间延时后，则返回步骤(1)；

作为本发明的一种优选方案，所述图像摄取单元摄取n帧图像时，取图像摄取单元的坐标系为世界坐标系o₀，取该坐标系中取位于z轴上的点P([0 0 z]^T)作为瞬时测量基准，瞬时测量基准P的像位于像平面的中心p₀(0 0)。图像摄取单元发生运动(R t)后，形成新的坐标系o₁，此时摄取第n+1帧图像，瞬时测量基准P的像的位置移动到p₁(u v)。由摄像机线性成像模型可以得出空间运动(R t)和p点的像运动(u v)之间的关系：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[A\right]\left(\right[\mathrm{RX}+t\left]\right);$

$=\left[\begin{array}{ccc}f& 0& 0\\ 0& f& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right](\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right])$

即： $s\left[\begin{array}{c}\frac{u}{f}\\ \frac{v}{f}\\ 1\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{c}-\mathrm{\β}\\ \mathrm{\α}\\ 1\end{array}\right]z+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right]);$

$\frac{u}{f}=\frac{-\mathrm{\βz}+t_1}{z+t_3};$

$\frac{v}{f}=\frac{\mathrm{\αz}+t_2}{z+t_3}$

其中，

为摄像机内参数矩阵；

为摄像机旋转矩阵；

为摄像机平动矩阵；X为瞬时测量基准在坐标系o₀中的坐标；

为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

我们研究的对象仅仅是平面运动，并且运动发生的平面和参考平面的距离是固定的，故可取α＝0，β＝0，t₃＝0，z为常数，由此可以求出平面运动的速度矢量(t₁ t₂)和p点的像运动(u v)之间的关系：

作为本发明的一种优选方案，步骤(4)中，图像匹配寻找的方法为模板匹配方法；步骤(5)中，如果存在模板匹配的相关函数值大于预先设定的阈值，认为该点匹配成功；步骤(6)中，如果被匹配图像的相关函数值最大，则认为其位置为最佳匹配位置。

一种速度测量系统，其特征在于，其包括图像摄取单元、图像处理及解算单元、输出单元、摄像辅助单元。图像摄取单元，用以拍摄图像，并把拍摄的图像发送至一图像处理及解算单元；图像处理及解算单元，用以把所述图像摄取单元拍摄的图像解算成载体的速度矢量；输出单元，用以输出速度矢量数据；摄像辅助单元，用以辅助图像摄取单元取得图像数据。

作为本发明的一种优选方案，其包含如下步骤(1)附着于载体上的图像摄取单元对平面运动参考平面拍摄第n帧图像；(2)在所拍摄的第n帧图像中，取得一部分作为测量所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间运动速度的瞬时参考基准，并把其位置赋予参数A；(3)所述图像摄取单元拍摄第n+1帧图像；(4)在第n+1帧图像中，匹配寻找所述瞬时参考基准；(5)更新瞬时测量基准；(6)若匹配寻找成功，转步骤(7)，否则转步骤(3)；(7)把最佳匹配位置赋予参数B；(8)计算所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间的速度矢量V＝k*(B-A)+M，k为比例系数，M为修正量。(9)若测量需要重复进行，根据测量要求控制时间延时后，则返回步骤(1)；

本发明的有益效果在于：本发明揭示的平面运动速度测量方法及系统，测量的是速度矢量而不是速度标量，并且直接测量运动物体本身和运动参考平面的相对运动，避免了测速齿轮磨损等带来的误差。

附图说明

图1速度测量系统的实施示意图。

图2速度测量系统的系统组成框图。

图3工作原理示意图。

图4流程图。

图5瞬时测量基准的生命期和其更新示意图。

附图标记说明：

10：图像摄取单元	11：图像处理及解算单元
		12：输出单元	13：摄像辅助单元
20：载体	21：速度测量系统
		22：运动参照平面	30：第n-1帧图像
31：第n帧图像	32：一个瞬时测量基准的像
		33：第n+1帧图像	34：另一个瞬时测量基准的像

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一个实施例。

如图1，速度测量系统21装在载体20上，速度测量系统的摄像机摄取载体运动参照平面22上刚好位于其视野中的物体的图像，通过所拍摄的时间序列图像，求解载体20的平面运动速度矢量。

图2中的摄像辅助单元可以是照明设备或是采取其它手段(例如平面镜组、透镜组等)使摄像机21获得的像符合不同条件下的速度测量要求的设备。

【工作原理】

本发明通过摄像机所拍摄的图像，解算物体运动的速度矢量。以下部分说明测量的原理。

这里首先从摄影成像理论开始，探讨空间运动与由空间运动引起的物体的像运动之间的关系，进一步简化为平面运动和由平面运动引起的物体的像运动之间的关系。

1、空间运动。

依据摄影成像理论，摄像机的运动和其所拍摄的物体的像的运动之间有某种关系。如果只考虑位于摄像机光轴上的物体，则可以发现其像的运动和摄像机的运动之间的关系大大简化了。

线性摄像机成像模型：

其中

为摄像机内参数矩阵；为摄像机旋转矩阵；

为摄像机平动矩阵；X为瞬时测量基准在坐标系o₀中的坐标；

为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

如图3所示，假定相机摄取n帧图像时的相机坐标系为世界坐标系o₀，取该坐标系中取位于z轴上的点P([0 0 z]^T)作为考察的目标点，此时目标点p的像位于像平面的中心p₀(0 0)。相机发生运动(R t)后，形成新的相机坐标系o₁，此时摄取第n+1帧图像，p的像的位置移动到p₁(u v)：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[A\right]\left(\right[\mathrm{RX}+t\left]\right)$

$=\left[\begin{array}{ccc}f& 0& 0\\ 0& f& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right](\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right])$

即： $s\left[\begin{array}{c}\frac{u}{f}\\ \frac{v}{f}\\ 1\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{c}-\mathrm{\β}\\ \mathrm{\α}\\ 1\end{array}\right]z+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right]);$

$\frac{u}{f}=\frac{-\mathrm{\βz}+t_1}{z+t_3}.$

$\frac{v}{f}=\frac{\mathrm{\αz}+t_2}{z+t_3}$

上式表明，摄像机从拍n帧到n+1帧时，产生了运动(R t)，并由此引起了p(0 0 z)点的像的运动[u v]。p(0 0 z)点的像的运动[u v]和摄像机的运动(R t)以及p(0 0 z)的z坐标值有关系。

2、平面运动。

考察汽车、火车等运动物体，如图1所示，可以发现其运动存在以下一些特征：

●同运动参照平面(地面)距离固定；

●不发生侧滚和仰俯运动；

转换一下，用数学关系来描述，则容易知道：

●z是常量，t₃＝0；

●α＝β＝0；

因此可以由式

得出：

容易看出平面运动的速度矢量

和像运动

成正比关系。

【系统组成】

如图2所示，本发明揭示了一种速度测量系统，包括图像摄取单元10、图像处理及解算单元11、输出单元12、摄像辅助单元13。

图像摄取单元10用以拍摄图像，并把拍摄的各帧图像发送至一图像处理及解算单元11。

图像处理及解算单元11用于把获得的图像解算成载体运动的速度。

输出单元12用于显示速度矢量给用户，或是发送到用户指定的设备。

摄像辅助单元13用于辅助图像摄取单元10取得图像数据。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (8)

1.一种速度测量方法，可以实时测量以固定的距离在某一参照平面(或近视平面)上做平面运动(或近视平面运动)的物体的速度矢量；其特征在于：通过图像摄取单元连续对运动参照面上的物体取时间序列图像，载体的平面运动引起物体的像的位置在相片坐标系里发生变化，位于摄像机光轴和相片交点的像点，其在微小时间间隔内的位置变化和载体的平面运动速度矢量成正比，借助于图像匹配手段确定这些位置变化，最终求解载体的速度矢量；

2.根据权利要求1所述的速度测量方法，其特征在于：

所述图像摄取单元为摄像机；

选取运动参照平面和摄像机光轴Z轴的交点P点作为测量平面运动速度的瞬时测量基准；

3.根据权利要求1所述的速度测量方法，其特征在于：

所述瞬时测量基准是摄像机光轴Z轴和运动参照平面的随机交点，其随着平面运动的进行而不断更新；

4.根据权利要求1所述的速度测量方法，其特征在于：

该方法包括如下步骤；

(1)附着于载体上的图像摄取单元对平面运动参考平面拍摄第n帧图像；

(2)在所拍摄的第n帧图像中，取得一部分作为测量所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间运动速度的瞬时参考基准，并把其位置赋予参数A；

(3)所述图像摄取单元拍摄第n+1帧图像；

(4)在所拍摄的第n+1帧图像中，匹配寻找所述瞬时参考基准；

(5)更新瞬时测量基准；

(6)若匹配寻找成功，转步骤(7)，否则转步骤(3)；

(7)把最佳匹配位置赋予参数B；

(8)计算所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间的速度矢量V＝k*(B-A)+M，k为比例系数，M为修正量；

(9)若测量需要重复进行，根据测量要求控制时间延时后，则返回步骤(1)；

5.根据权利要求1所述的速度测量方法，其特征在于：

所述图像摄取单元摄取n帧图像时，取图像摄取单元的坐标系为世界坐标系o₀，取该坐标系中取位于z轴上的点P([0 0 z]^T)作为瞬时测量基准，瞬时测量基准P的像位于像平面的中心p₀(0 0)；

图像摄取单元发生运动(R t)后，形成新的坐标系o₁，此时摄取第n+1帧图像，瞬时测量基准P的像的位置移动到p₁(u v)。由摄像机线性成像模型可

以得出空间运动(R t)和p点的像运动(u v)之间的关系：

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[A\right]\left(\right[\mathrm{RX}+t\left]\right);$

$=\left[\begin{array}{ccc}f& 0& 0\\ 0& f& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right](\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right])$

即： $s\left[\begin{array}{c}\frac{u}{f}\\ \frac{v}{f}\\ 1\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{c}-\mathrm{\β}\\ \mathrm{\α}\\ 1\end{array}\right]z+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right]);$

$\frac{u}{f}=\frac{-\mathrm{\βz}+t_1}{z+t_3};$

$\frac{v}{f}=\frac{\mathrm{\αz}+t_2}{z+t_3}$

其中，

为摄像机内参数矩阵；

为摄像机旋转矩阵；

为摄像机平动矩阵；X为瞬时测量基准在坐标系o₀中的坐标；

为瞬时测量基准的像点在像坐标系中的坐标；s为比例常数。

我们研究的对象仅仅是平面运动，并且运动发生的平面和参考平面的距离是固定的，故可取α＝0，β＝0，t₃＝0，z为常数，由此可以求出平面运动的速度矢量(t₁ t₂)和p点的像运动(u v)之间的关系：

$t_1=\frac{z}{f}u;$

$t_2=\frac{z}{f}v$

6.根据权利要求4所述的速度测量方法，其特征在于：

步骤(4)中，图像匹配寻找的方法为模板匹配方法；

步骤(5)中，如果存在模板匹配的相关函数值大于预先设定的阈值，认为该点匹配成功；

步骤(6)中，如果被匹配图像的相关函数值最大，则认为其位置为最佳匹配位置。

7.一种速度测量系统，其特征在于，其包括图像摄取单元、图像处理及解算单元、输出单元、摄像辅助单元：

图像摄取单元，用以拍摄图像，并把拍摄的图像发送至一图像处理及解算单元；

图像处理及解算单元，用以把所述图像摄取单元拍摄的图像解算成载体的速度矢量；

输出单元，用以输出速度矢量数据；

摄像辅助单元，用以辅助图像摄取单元取得图像数据。

8.根据权利要求7所述的速度测量系统，其特征在于：

(1)附着于载体上的图像摄取单元对平面运动参考平面拍摄第n帧图像；

(2)在所拍摄的第n帧图像中，取得一部分作为测量所述平面运动在拍

摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间运动速度的瞬时参考基准，并把其位置赋予参数A；

(3)所述图像摄取单元拍摄第n+1帧图像；

(4)在第n+1帧图像中，匹配寻找所述瞬时参考基准；

(5)更新瞬时测量基准；

(6)若匹配寻找成功，转步骤(7)，否则转步骤(3)；

(7)把最佳匹配位置赋予参数B；

(8)计算所述平面运动在拍摄第n帧图像和拍摄第n+1帧图像之间的速度矢量V＝k*(B-A)+M，k为比例系数，M为修正量。

(9)若测量需要重复进行，根据测量要求控制时间延时后，则返回步骤(1)

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