CN101865679B - 一种基于数字图像技术的平面面积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于数字图像技术的平面面积测量方法，包括如下步骤：(1)对测量系统的摄像装置进行参数标定，得到摄像装置内部参数；(2)利用摄像装置得到背景的原始图像，并对图像进行成像矫正和/或畸变矫正、灰度化处理，获得背景的灰度图像；(3)将面积已知的平面基准物置于背景中，用摄像装置对平面基准物成像，对图像进行成像矫正和/或畸变矫正、灰度化处理、差分运算、二值化处理，获取平面基准物的二值图像的非零像素数，得到测量系统的像素当量；(4)将被测量物置于背景中，按与步骤(3)相同的方法获取被测量物的二值图像的非零像素数；(5)根据测量系统的像素当量和被测量物的二值图像的非零像素数得到被测量物面积。

Description

一种基于数字图像技术的平面面积测量方法

技术领域

本发明涉及数字图像处理领域，尤其涉及一种用数字图像处理技术测量不规则平面面积的方法。

背景技术

在工业生产和野外勘测领域，需要测量不规则平面物体的面积，例如皮革或者树叶面积。这些不规则面积很难用传统的几何测量方法迅速，精确的测量。目前广泛使用的不规则面积测量仪(量皮机或者活叶仪)都是由光电转换系统和集成运算系统组成的。其测量原理是将目标面积微分，然后累计求和。这类系统的精度受单位面积大小决定，单位面积分的越细则测量精度越高，因此要达到合适的测量精度，该类仪器的成本就比较高。

近年来在数字摄像(录像)技术发展的基础上，出现了一种用数字图像处理技术测量面积的方法。这类方法相比传统技术有设备投入小，测量精度高等优势。但有以下缺点：(1)无法矫正由数码摄像头自身缺陷带来的误差(2)对拍摄背景要求较高，且要求颜色单一(3)被测量物体的边缘提取困难，运算量大，抗干扰能力弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字图像技术的平面面积测量方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该基于数字图像技术的平面面积测量方法主要包括如下步骤：

(1)对测量系统的摄像装置进行参数标定，得到所述摄像装置的内部参数，所述内部参数包括成像参数和/或畸变参数；所述测量系统包括所述摄像装置、计算机、显示器和输出设备，所述摄像装置的后端与计算机相连，显示器和输出设备分别与计算机相连。

(2)利用摄像装置对背景进行成像，得到背景的原始图像，利用步骤(1)所得到的摄像装置的内部参数相应地对所述背景的原始图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到背景的矫正图像；再对背景的矫正图像进行灰度化处理，获得背景的灰度图像；

(3)将面积已知的平面基准物置于步骤(2)所述的背景中，利用所述摄像装置对所述平面基准物进行成像，得到平面基准物的原始前景图像；利用步骤(1)所得到的所述摄像装置的内部参数对所述平面基准物的原始前景图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到平面基准物的矫正前景图像；再对平面基准物的矫正前景图像进行灰度化处理，获得平面基准物的灰度前景图像；对平面基准物的灰度前景图像和背景的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的平面基准物的灰度图像；对去除背景后的平面基准物的灰度图像进行二值化处理，得到平面基准物的二值图像；再获取所述平面基准物的二值图像的非零像素数，然后利用以下公式(1)得到所述测量系统的像素当量，

ε＝S/M    (1)

公式(1)中，S为平面基准物的面积，M为平面基准物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量；

(4)将被测量物置于步骤(2)所述的背景中，利用所述摄像装置对所述被测量物进行成像，得到被测量物的原始前景图像；利用步骤(1)所得到的所述摄像装置的内部参数对所述被测量物的原始前景图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到被测量物的矫正前景图像；再对被测量物的矫正前景图像进行灰度化处理，获得被测量物的灰度前景图像；对被测量物的灰度前景图像和背景的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的被测量物的灰度图像；对去除背景后的被测量物的灰度图像进行二值化处理，得到被测量物的二值图像；再获取所述被测量物的二值图像的非零像素数；

(5)根据所述测量系统的像素当量和被测量物的二值图像的非零像素数，利用公式(2)得到被测量物的面积

D＝ε×N    (2)

式(2)中，D为被测量物的面积，N为被测量物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量。

进一步地，本发明所述成像参数为水平方向焦距、垂直方向焦距、成像芯片相对光轴水平偏移量和成像芯片相对光轴垂直偏移量，所述畸变参数为径向畸变参数和/或切向畸变参数。

本发明的有益效果是：能够矫正由摄像装置自身缺陷所带来的误差，降低了对测量背景的要求；读取被测量物体的边缘算法简单快捷，抗干扰能力强，运算量小。

附图说明

图1是本发明测量方法的工作示意图。

图2是本发明对测量系统的摄像装置进行参数标定时所使用的标定物的正面示意图；

图3是本发明所用的背景的示意图；

图4是平面基准物的原始前景图像；

图5是平面基准物的二值图像；

图6是被测量物的原始前景图像；

图7是被测量物的二值图像；

图中，1.摄像装置，2.计算机，3.显示屏，4.输出设备，5被测量物，6.背景，7.平面基准物。

具体实施方式

如图1所示，用于实施本发明方法的测量系统一般包括摄像装置1、计算机2、显示器3和输出设备4。通常，摄像装置1可为数码摄像头；输出设备4可为打印机等用于输出测量结果的装置。其中，摄像装置1的后端与计算机2相连，显示器3和输出设备4分别与计算机2相连。如图1所示，本发明进行测量时，背景6置于摄像装置1的视角范围内。

以下举例说明本发明基于数字图像技术的平面面积测量方法，具体步骤如下：

(1)对测量系统的摄像装置1进行参数标定，得到摄像装置1的内部参数。内部参数包括成像参数和/或畸变参数。

如图2中所示，本实施例中，标定物是一个边长为18厘米的正方形平面物体，由16个边长为4.5厘米、黑白相间的小正方形组成。使用摄像装置1对标定物进行5至10次不同角度的取像，通过读取和分析每一幅图像中的黑白小正方形相交点的相对位置和方向，并与标定物上已知的黑白小正方形相交点的相对位置和方向进行对比，得到数码摄像头的内部参数如下：

水平方向焦距f_x＝775.0，

垂直方向焦距f_y＝773.0，

成像芯片相对光轴水平偏移量c_x＝310.0，

成像芯片相对光轴垂直偏移量c_y＝257.0；

数码摄像头的径向畸变参数：k1＝-0.0878，k2＝-0.3，，k3＝0.0；

数码摄像头的切向畸变参数p1＝0.0012，p2＝0.0035。

其中，水平方向焦距、垂直方向焦距、成像芯片相对光轴水平偏移量和成像芯片相对光轴垂直偏移量为成像参数，径向畸变参数、切向畸变参数为畸变参数。

在以上步骤(1)中，如果所获取的内部参数仅为成像参数，则可以用于矫正摄像装置1中成像芯片的位置偏移所引起的图像误差。

如果所获取内部参数仅为畸变参数，则可以用于矫正摄像装置1中透镜畸变所引起的图像失真。

如果所获取的畸变参数仅为径向畸变参数，则可以用于矫正摄像装置1中透镜径向畸变所引起的图像失真。

如果所获取的畸变参数仅为切向畸变参数，则可以用于矫正摄像装置1中透镜切向畸变所引起的图像失真。

如果所获取的畸变参数同时包括径向畸变参数和切向畸变参数，则可以用于同时矫正摄像装置1中透镜径向畸变和切向畸变所引起的图像失真。

如果所获取内部参数同时包括成像参数和畸变参数，则可以用于同时矫正摄像装置1中成像芯片的位置偏移所引起的图像误差，透镜径向畸变和切向畸变所引起的图像失真。

(2)利用摄像装置1对背景6进行成像，得到背景6的原始图像。背景6的示意图如图3所示，通常，背景6为一块浅色或者白色的平板。

利用步骤(1)所得到的摄像装置1的内部参数对背景6的原始图像进行相应的矫正，得到背景6的矫正图像。矫正方法一般包括：(a)投影变换矫正，(b)透镜径向畸变矫正，(c)透镜切向畸变矫正。具体地说：

(a)如果步骤(1)得到的是摄像装置1的成像参数，则可对背景6的原始图像进行投影变换矫正(即成像矫正)。

根据投影变换公式(3)，将背景6的原始图像中的每一个坐标为(X，Y，Z)的物理点Q映射到投影平面上的点q，q的坐标为(x，y)。

q＝MQ         (3)

其中： $q=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ w\end{array}\right],$ 为投影后的平面坐标，w设为0；

$M=\left[\begin{array}{ccc}{f}_x& 0& c_x\\ 0& f_y& c_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 为摄像头的内参数矩阵；

$Q=\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right],$ 为需要成像的点坐标。

(b)如果步骤(1)得到的是摄像装置1的径向畸变参数，则可对背景6的原始图像进行径向畸变矫正：

根据公式(4)，对背景6的原始图像中的每个点的径向位置进行矫正：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{corrected}}=x(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\\ y_{\mathrm{corrected}}=y({1+k}_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：x为原始图像中，被矫正点的横坐标；

y为原始图像中，被矫正点的纵坐标；

r为原始图像中，被矫正点与原始图像中心点的距离；

x_corrected为矫正图像中，与被矫正点相对应的点的横坐标；

y_corrected为矫正图像中，与被矫正点相对应的点的纵坐标；

k₁，k₂，k₃为径向畸变参数。

(c)如果步骤(1)得到的是摄像装置1的切向畸变参数，则可对背景6的原始图像进行切向畸变矫正：

根据公式(5)，将原始图像中每个点的切向位置进行矫正：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{corrected}}=x+[{2p}_{1}y+p_2(r^2+{2x}^2)]\\ y_{\mathrm{corrected}}=y+[{2p}_{2}x+p_2(r^2+{2y}^2)]\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中：x为原始图像中，被矫正点的横坐标；

y为原始图像中，被矫正点的纵坐标；

r为原始图像中，被矫正点与原始图像中心点的距离；

x_corrected为矫正图像中，与被矫正点相对应的点的横坐标；

y_corrected为矫正图像中，与被矫正点相对应的点的纵坐标；

p₁，p₂为切向畸变参数。

之后，对以上矫正后的背景6的矫正图像进行灰度化处理，获得背景6的灰度图像。

(3)将面积S＝682cm²的平面基准物7置于步骤(2)所述的背景6中，利用摄像装置1对平面基准物7进行成像，得到平面基准物7的原始前景图像，如图4所示。平面基准物7一般为深色或黑色。

利用步骤(1)所得到的摄像装置1的内部参数对平面基准物7的原始前景图像进行相应的矫正，即成像矫正和/或畸变矫正，得到平面基准物7的矫正前景图像。具体矫正方法与步骤(2)中对背景6的原始前景图像的矫正方法相同。

再对平面基准物7的矫正前景图像进行灰度化处理，获得平面基准物7的灰度前景图像；对平面基准物7的灰度前景图像和背景6的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的平面基准物7的灰度图像；对去除背景后的平面基准物7的灰度图像进行二值化处理，得到平面基准物7的二值图像，如图5所示，平面基准物7为白色，其他空白区域为黑色；由于二值图像中只有两种类型的象素点，值为零或非零，其中零表示黑色，非零表示白色，然后本发明中通过值为零的象素来表示空白区域，值为非零的象素来表示被测物体；通过统计平面基准物7的二值图像中非零象素的个数，获取平面基准物7的二值图像的非零像素数M，本实施例中，M＝7186，然后利用公式(1)得到测量系统的像素当量ε＝0.0949068cm2/像素：

ε＝S/M    (1)

公式(1)中，S为平面基准物的面积，M为平面基准物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量。

(4)将被测量物5置于背景6中，利用摄像装置1对被测量物5进行成像，得到被测量物5的原始前景图像，如图6所示；利用步骤(1)所得到的摄像装置1的内部参数对被测量物5的原始前景图像进行相应的矫正，即成像矫正和/或畸变矫正，得到被测量物5的矫正前景图像。具体矫正方法与步骤(2)中对背景6的原始前景图像的矫正方法相同。

再对被测量物5的矫正前景图像进行灰度化处理，获得被测量物5的灰度前景图像；对被测量物5的灰度前景图像和背景6的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的被测量物5的灰度图像；在差分法中，前景图像和背景图像中对应的象素点值相同时，差分结果为零；前景图像和背景图像中对应的象素点值不同时，差分结果为非零；再对去除背景后的被测量物5的灰度图像进行二值化处理，得到被测量物5的二值图像，如图7所示，被测物体为白色，其他空白区域为黑色。通过统计被测量物5的二值图像中的非零像素点的数量，获得被测量物5的二值图像的非零像素数N＝13951。

(5)根据测量系统的像素当量和被测量物5的二值图像的非零像素数，利用公式(2)得到被测量物的面积D＝1324.04cm²

D＝ε×N            (2)

式(2)中，D为被测量物的面积，N为被测量物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量。

Claims (2)

1.一种基于数字图像技术的平面面积测量方法，其特征是包括如下步骤：

(1)对测量系统的摄像装置进行参数标定，得到所述摄像装置的内部参数，所述内部参数包括成像参数和/或畸变参数；所述测量系统包括所述摄像装置、计算机、显示器和输出设备，所述摄像装置的后端与计算机相连，显示器和输出设备分别与计算机相连；

(2)利用摄像装置对背景进行成像，得到背景的原始图像，利用步骤(1)所得到的摄像装置的内部参数相应地对所述背景的原始图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到背景的矫正图像；再对背景的矫正图像进行灰度化处理，获得背景的灰度图像；

(3)将面积已知的平面基准物置于步骤(2)所述的背景中，利用所述摄像装置对所述平面基准物进行成像，得到平面基准物的原始前景图像；利用步骤(1)所得到的所述摄像装置的内部参数对所述平面基准物的原始前景图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到平面基准物的矫正前景图像；再对平面基准物的矫正前景图像进行灰度化处理，获得平面基准物的灰度前景图像；对平面基准物的灰度前景图像和背景的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的平面基准物的灰度图像；对去除背景后的平面基准物的灰度图像进行二值化处理，得到平面基准物的二值图像；再获取所述平面基准物的二值图像的非零像素数，然后利用以下公式(1)得到所述测量系统的像素当量，

ε＝S/M    (1)

公式(1)中，S为平面基准物的面积，M为平面基准物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量；

(4)将被测量物置于步骤(2)所述的背景中，利用所述摄像装置对所述被测量物进行成像，得到被测量物的原始前景图像；利用步骤(1)所得到的所述摄像装置的内部参数对所述被测量物的原始前景图像进行成像矫正和/或畸变矫正，得到被测量物的矫正前景图像；再对被测量物的矫正前景图像进行灰度化处理，获得被测量物的灰度前景图像；对被测量物的灰度前景图像和背景的灰度图像进行差分运算，得到去除背景后的被测量物的灰度图像；对去除背景后的被测量物的灰度图像进行二值化处理，得到被测量物的二值图像；再获取所述被测量物的二值图像的非零像素数；

(5)根据所述测量系统的像素当量和被测量物的二值图像的非零像素数，利用公式(2)得到被测量物的面积

D＝ε×N    (2)

式(2)中，D为被测量物的面积，N为被测量物的非零像素数，ε为测量系统的像素当量。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像技术的平面面积测量方法，其特征是：所述成像参数为水平方向焦距、垂直方向焦距、成像芯片相对光轴水平偏移量和成像芯片相对光轴垂直偏移量，所述畸变参数为径向畸变参数和/或切向畸变参数。

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