CN102706319B - 一种基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统，预先通过标定获取摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系；拍摄目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像；从拍摄的过程图像中提取目标对象移动的起始帧和结束帧；获取起始帧和结束帧中目标对象的位置坐标，基于所述标定得到的对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离。本发明实现了基于视觉技术的距离的自动化测量，其操作简单，测量结果准确性高。

Description

一种基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机视觉识别领域，更具体地说，涉及一种基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统。

背景技术

目前，在需要进行距离测量的场合，例如跳远比赛和考核过程中，大多使用软尺测量所跳距离，此种方法操作起来费事费力。另一种方式是使用例如跳远测量垫进行测量，该设备体积较大，操作不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有距离测量方法不够简便的缺陷，提供一种基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于图像拍摄的距离标定方法，包括以下步骤：

将摄像头装置设置于真实待测区域一侧，拍摄标定物在所述真实待测区域的不同标定位置坐标的图像；

从所述拍摄的图像中分割出所述标定物的轮廓，记录下所述图像中所述标定物的位置坐标对应的所述真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离标定方法中，所述摄像头装置同时采用深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，在提取所述标定物的轮廓时首先在所述深度图像中初步确定所述标定物位置坐标，将其作为所述可见光图像中搜索所述标定物的轮廓的初始值，在所述可见光图像中分割出所述标定物的轮廓。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离标定方法中，所述的标定位置为所述真实待测区域被分成多个子区域的区域边界点；计算所述拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系为每个所述子区域的对应关系。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离标定方法中，所述的标定位置为将所述真实待测区域在长度方向上分成多个方形子区域则设每个所述方形子区域的左上边界点为（An-1，H），左下边界点为（Bn-1，0），右上边界点为（An，H），右下边界点为（Bn，0）；

计算每个所述子区域的对应关系的具体过程包括：记录下图像中所述标定物的位置坐标(X_an，Y_an)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(An，H)，图像中所述标定物的位置坐标(X_bn，Y_bn)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(Bn，0)，并设图像中所述标定物的位置坐标的齐次坐标为X＝(x₁，x₂，x₃)^T，所述真实待测区域的标定位置坐标的齐次坐标为Y＝(y₁，y₂，y₃)^T；

则射影公式为：

$\stackrel{\‾}{y_1}={m^{\′}}_{11}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{12}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{13};$

$\stackrel{\‾}{y_2}={m^{\′}}_{21}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{22}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{23};$

其中， ${m^{\′}}_{\mathrm{ij}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}}{m_{33}},$ i＝1，2，j＝1～3； $\stackrel{\‾}{y_k}=\frac{y_k}{y_3};$ $\stackrel{\‾}{x_k}=\frac{x_k}{x_3},$ k=1,2；

计算出图像中所述方形子区域映射到所述真实待测区域的映射矩阵

$P_n=\left[\begin{array}{ccc}{{m_n}^{\′}}_{11}& {{m_n}^{\′}}_{12}& {{m_n}^{\′}}_{13}\\ {{m_n}^{\′}}_{21}& {{m_n}^{\′}}_{22}& {{m_n}^{\′}}_{23}\end{array}\right].$

本发明还提供了一种基于图像拍摄的距离测量方法，包括以下步骤：

拍摄步骤，拍摄目标对象在真实待测区域移动的过程图像；

提取步骤，从拍摄的所述过程图像中提取所述目标对象移动的起始帧和结束帧；

测量步骤，在所述目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出所述目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中所述目标对象的位置坐标，基于预先通过标定获取的摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与所述真实待测区域的位置坐标的对应关系，分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量方法中，所述摄像头装置同时采用深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，在提取所述目标对象轮廓时首先在所述深度图像中初步确定所述目标对象位置坐标，将其作为所述可见光图像中搜索所述目标对象的轮廓的初始值，在所述可见光图像中分割出所述目标对象的轮廓。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量方法中，所述测量步骤中：设获取的所述起始帧中目标对象的位置坐标S＝(S_x，S_y)和所述结束帧中目标对象的位置坐标E＝(E_x，E_y)，首先计算出所述起始帧中目标对象的位置坐标所属的第a个方形子区域所述结束帧中目标对象的位置坐标所属的第b个方形子区域利用映射矩阵P_n分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标：R_s＝P_a*S，R_E＝P_b*E；基于R_s与R_E计算移动距离

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量方法中，当对立定跳远的进行测距时，所述目标对象为脚部，所述提取步骤中：从所述过程图像的每帧图像中分离出脚部信息，并基于每帧图像的脚部信息获取当前帧的脚部移动距离，判断脚部移动距离超过预设的起跳距离阈值则提取前一帧图像作为所述起始帧；判断脚部移动距离低于预设的落地距离阈值时且当前帧的移动距离大于跳跃阈值时则提取当前帧图像作为所述结束帧。

本发明还提供了一种基于图像拍摄的距离测量系统，包括：

标定单元，用于预先通过标定获取摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系；

测量单元，用于通过摄像头装置拍摄目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像；从所述摄像头装置拍摄的目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像中提取目标对象移动的起始帧和结束帧；并在所述目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出所述目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中所述目标对象的位置坐标，基于所述标定单元预先标定得到的所述对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，所述标定单元将摄像头装置设置于所述真实待测区域一侧，拍摄标定物在所述真实待测区域的不同标定位置坐标的图像；并从所述拍摄的图像中分割出所述标定物的轮廓，记录下所述图像中所述标定物的位置坐标对应的所述真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，所述摄像头装置采用深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，所述标定单元和测量单元在提取所述标定物或所述目标对象轮廓时首先在所述深度图像中确定所述标定物或所述目标对象位置坐标，将其作为所述可见光图像中搜索所述标定物或所述目标对象轮廓的初始值，在可见光图像中分隔出所述标定物或所述目标对象轮廓。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，所述的标定位置为所述真实待测区域被分成多个子区域的区域边界点；所述标定单元计算所述拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系为每个所述子区域的对应关系。

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，所述的标定位置为将所述真实待测区域在长度方向上分成多个方形子区域则设每个所述方形子区域的左上边界点为（An-1，H），左下边界点为（Bn-1，0），右上边界点为（An，H），右下边界点为（Bn，0）；

所述标定单元计算每个所述子区域的对应关系的具体过程包括：记录下图像中所述标定物的位置坐标(X_an，Y_an)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(An，H)，图像中所述标定物的位置坐标(X_bn，Y_bn)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(Bn，0)，并设图像中所述标定物的位置坐标的齐次坐标为X＝(x₁，X₂，x₃)^T，所述真实待测区域的标定位置坐标的齐次坐标为Y＝(y₁，y₂，y₃)^T；

则射影公式为：

$\stackrel{\‾}{y_1}={m^{\′}}_{11}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{12}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{13};$

$\stackrel{\‾}{y_2}={m^{\′}}_{21}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{22}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{23};$

其中， ${m^{\′}}_{\mathrm{ij}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}}{m_{33}},$ i＝1，2，j＝1～3； $\stackrel{\‾}{y_k}=\frac{y_k}{y_3};$ $\stackrel{\‾}{x_k}=\frac{x_k}{x_3},$ k=1,2；

计算出图像中所述方形子区域映射到所述真实待测区域的映射矩阵

$P_n=\left[\begin{array}{ccc}{{m_n}^{\′}}_{11}& {{m_n}^{\′}}_{12}& {{m_n}^{\′}}_{13}\\ {{m_n}^{\′}}_{21}& {{m_n}^{\′}}_{22}& {{m_n}^{\′}}_{23}\end{array}\right].$

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，所述测量单元获取的所述起始帧中目标对象的位置坐标为S＝(S_x，S_y)和所述结束帧中目标对象的位置坐标为E＝(E_x，E_y)，所述测量单元首先计算出所述起始帧中目标对象的位置坐标所属的第a个方形子区域所述结束帧中目标对象的位置坐标所属的第b个方形子区域利用映射矩阵P_n分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标：R_s＝P_a*S，R_E＝P_b*E；基于R_s与R_E计算移动距离

在根据本发明所述的基于图像拍摄的距离测量系统中，当对立定跳远的进行测距时，所述目标对象为脚部，所述测量单元从所述过程图像的每帧图像中分离出脚部信息，并基于每帧图像的脚部信息获取当前帧的脚部移动距离，判断脚部移动距离超过预设的起跳距离阈值则提取前一帧图像作为所述起始帧；判断脚部移动距离低于预设的落地距离阈值时且当前帧的移动距离大于跳跃阈值时则提取当前帧图像作为所述结束帧。

实施本发明的基于图像拍摄的距离标定和测量方法及系统，具有以下有益效果：本发明预先通过标定获取固定的摄像头拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系，随后在测量过程中拍摄目标对象在真实待测区域移动的过程图像；从拍摄的过程图像中获取起跳帧中目标对象坐标和落地帧中目标对象坐标，并基于得到的对应关系计算出真实待测区域的移动距离；本发明实现了基于视觉技术的距离的自动化测量，其操作简单，测量结果准确性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据本发明的基于图像拍摄的距离标定方法的标定区域示意图；

图2为图1中标定位置在拍摄的图像中的位置坐标示意图；

图3为根据本发明的基于图像拍摄的距离测量方法的优选实施例的流程图；

图4为根据本发明的基于图像拍摄的距离测量方法的中提取步骤的流程图；

图5为根据本发明的基于图像拍摄的距离测量系统的优选实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明要解决距离的自动化测量问题，通过摄像头拍摄包含目标对象在真实待测区域移动过程的场景视频，进而计算出移动距离。

本发明主要包括标定操作和测量操作两大部分，下面分别对其进行详细介绍。

1、标定操作

本发明的标定操作是指预先通过标定获取摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系。在距离测量之前，首先要对待测区域进行标定，标定只需要完成一次即可。在一次标定后，只要不移动摄像头装置，就可以重复进行多次测量。

本发明提供的基于图像拍摄的距离标定方法包括以下步骤：

1）将摄像头装置设置于真实待测区域一侧，拍摄标定物站立在真实待测区域的不同标定位置坐标的图像。

下面以立定跳远为例进行说明，可以理解地是本发明并不限于立定跳远的距离测量，而可以应用在各种需要进行距离测量的场合。在立定跳远的场地上标示出真实待测区域。为立定跳远而标示出的真实待测区域可以为长方形，考虑到跳远的距离一般是1.5m到3m之间，因此整个真实待测区域的长度应不少于3m。如图1所示，在场地上至少标定平行的两条直线，两条直线长度相等，且不少于3m，两条直线之间保留一定间隔（如30cm），因而构成了一个长方形的真实待测区域。摄像头装置C1设于真实待测区域的一侧，能够拍摄到真实待测区域的图像。标定物侧对摄像头装置C1（与摄像头装置C1呈约90度角），从真实待测区域一端移动至另一端，每隔一定距离，进行拍摄和记录。记录下每个标定位置在真实待测区域的标定位置坐标。例如可以将人体作为标定对象，人体立正站立在真实待测区域的标定位置处，将人体的脚部作为标定物。

2）从拍摄的图像中分割出标定物的轮廓，记录下图像中标定物的位置坐标对应的真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系。例如上述标定过程中以脚部作为标定物则需要分割出脚部轮廓，并计算出脚部坐标的对应关系。

本发明采用的摄像头装置可以采用深度摄像头拍摄深度图像，再利用图像识别算法从图像中分割出标定物轮廓。但是，由于现有深度摄像头受到视角的制约，往往要求标定物与深度摄像头距离比较远，才能拍摄到标定物的整个移动过程。而深度摄像头的精度，会随着距离变远而下降，进而对测量结果产生不利影响，导致测量结果偏差大。因此，优选地，可以通过使用可见光摄像头进行配合，以弥补深度摄像头的上述缺陷，也可以提高标定物分割精度等。在提取所述标定物的轮廓时首先在深度图像中初步确定标定物位置坐标，将其作为可见光图像中搜索所述标定物的轮廓的初始值，在可见光图像中分割出标定物的轮廓。

以标定物为脚部为例。本发明首先可以从深度摄像头采集的包含人体躯干的深度图像中分割出人体躯干，分割方法可参考采用Jamie Shotton等人发表的论文《Jamie Shotton,Andrew Fitzgibbon,Mat Cook,et al.Real-Time HumanPose Recognition in Parts from a Single Depth Image.IEEE Computer Vision andPattern Recognition(CVPR)2011,June 21-23,2011.Colorado Springs,U.S.》中提供的方法。本发明并不限于上述分割方法，也可以采用本领域基础技术人员熟知的其它方式进行从深度图像中分割出人体躯干。在立定跳远中，可以认为当人体点云分割完成后，最靠近下端的一部分点，就是脚部的点云。

在此假设深度摄像头和可见光摄像头已经联合标定，即对同一个物体，它在深度摄像头中成像的像素位置，和在可见光摄像头中成像的像素位置基本匹配。这样，从深度图像上初步分割出脚部后，就可以获得在对应的可见光图像上脚的大概位置，作为可见光图像中，搜索脚部轮廓的初始值。然后通过使用例如GrabCut或Snake等算法，从初始值开始搜索，得到一个最优值，从而从可见光图像中，很好的分割出脚部轮廓。

在分割出脚部轮廓后，可以根据位置坐标计算的需要，求得脚尖或脚跟的位置。譬如在标定过程中，可以让人体将脚尖的位置对准标定位置，因而在记录下图像中脚部的位置坐标时只需要确定图像中脚尖的位置并记录下来，与真实待测区域的标定位置坐标对应即可。或者使人体将脚跟的位置对准标定位置，在分割图像时提取出脚跟的位置即可。如果人体从摄像头左侧走到右侧，即在可见光图像中，脚部轮廓的最左端点是脚跟，而最右端点就是脚尖。在后续测量过程中，当检测到跳跃过程后，根据跳跃方向，也可以确定出脚尖和脚跟的方位，譬如当检测到从左向右跳跃时，可以判定，可见光图像中，脚部轮廓的最左端点是脚跟，而最右端点就是脚尖。

在本发明的一些实施例中，可以让标定物在真实待测区域在长度方向上的两个端点位置，如图1中（A0，H）和（A7，H），随后采集标定物在这2个位置的图像，随后提取出标定物轮廓，确定图像中标定物位置坐标，记录下图像中标定物位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系，在后续测量中即可根据目标对象在图像中的位置坐标确定真实待测区域的位置坐标，得到移动距离。以立定跳远为例，可以让人体站在跳跃区域在长度方向上的两个端点位置，如图1中（A0，H）和（A7，H），随后采集人体站立在这2个位置的图像，随后提取出脚部轮廓，确定图像中脚部位置坐标，记录下图像中脚部位置坐标与真实跳跃区域的位置坐标的对应关系，在后续测量中即可根据目标对象在图像中的位置坐标确定真实跳跃区域的位置坐标，得到跳跃距离。

在本发明的优选实施例中，还考虑到摄像头图像畸变的问题，提供了一种更加准确的标定方法。让标定物侧对摄像头10，从真实待测区域一端移动至另一端，每隔一定距离(譬如30cm)，进行拍摄和记录。设待测区域的第一行上标定点的位置坐标为（A0，H）、（A1，H）、（A2，H）……至（An，H），其中n为自然数，第二行上标定点的位置坐标为（B0，0）、（B1，0）、（B2，0）……至（Bn，0）。这样待测区域在长度方向上便被分成n个方形子区域 每个方形子区域的左上顶点为（An-1，H），左下顶点为（Bn-1，0），右上顶点为（An，H），右下顶点为（Bn，0）。本发明划分了7个方形子区域其中（A0，H）、（A1，H）、（B1，0）和（B0，0）构成了第一个方形子区域（A1，H）、（A2，H）、（B2，0）和（B1，0）构成了第二个方形子区域……依次类推，（A6，H）、（A7，H）、（B7，0）和（B6，0）构成了第n个方形子区域

标定过程中记录下可见光图像中标定物例如脚部（以脚尖或者脚跟为标准）的位置坐标(X_an，Y_an)对应的真实待测区域的标定位置坐标(An，H)，如图2所示，即标定点放在图1的坐标(A0，H)位置，记录下摄像头对应的成像坐标(X_a0，Y_a0)，记录映射对(An，H)～(X_an，Y_an)，其中n=0,1,2……7。同时，记录下图像中目标物如脚部的位置坐标(X_bn，Y_bn)对应的真实待测区域的标定位置坐标(Bn，0)，即映射对(Bn，0)～(X_bn，Y_bn)其中n=0,1,2……7。

设图像中目标物如脚部的位置坐标的齐次坐标为X＝(x₁，x₂，x₃)^T，真实待测区域的标定位置坐标的齐次坐标为Y＝(y₁，y₂，y₃)^T。

则有射影公式为：

$\stackrel{\‾}{y_1}={m^{\′}}_{11}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{12}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{13};$

$\stackrel{\‾}{y_2}={m^{\′}}_{21}\stackrel{\‾}{x_1}+{m^{\′}}_{22}\stackrel{\‾}{x_2}+{m^{\′}}_{23};$

其中，i＝1，2，j＝1～3；k=1,2；

计算出图像中第n个方形子区域映射到真实待测区域的映射矩阵

$P_n=\left[\begin{array}{ccc}{{m_n}^{\′}}_{11}& {{m_n}^{\′}}_{12}& {{m_n}^{\′}}_{13}\\ {{m_n}^{\′}}_{21}& {{m_n}^{\′}}_{22}& {{m_n}^{\′}}_{23}\end{array}\right].$

2、测量操作

在标定之后，就可以对距离进行测距了。被测者可以在标定的跳远区域内，从一端（如图1中Pt1）跳跃到另外一端（如图1中Pt2），即可完成一次测量。在此过程中，深度摄像头和可见光摄像头分别拍摄下被测者跳跃全过程的深度图像和可见光图像。随后在深度图像中初步分割出目标对象信息，然后判断起跳和落地的时刻，亦即判断出起跳帧和落地帧，接着在可见光图像上进一步提高目标对象分割精度。最后通过标定数据，可以计算出实际的跳跃距离。

请参阅图3，为根据本发明的基于图像拍摄的距离测量方法的优选实施例的流程图。如图3所示，该实施例提供的基于图像拍摄的距离测量方法包括以下步骤：

首先，在步骤S1中，执行拍摄步骤，拍摄目标对象在真实待测区域移动的过程图像。

随后，在步骤S2中，执行提取步骤，从拍摄的过程图像中提取目标对象移动的起始帧和结束帧。本发明中所指的起始帧和结束帧并不是所拍摄的过程图像的第一帧和最后一帧，而是指目标对象开始移动的一帧图像以及停止移动的一帧图像。以立定跳跃为例，起始帧和结束帧分别为立定跳跃的起跳帧和落地帧。

最后，在步骤S3中，执行测量步骤，在目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中目标对象的位置坐标，基于预先通过标定获取的摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与所述真实待测区域的位置坐标的对应关系，分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离。

以立定跳跃为例，目标对象为被测者的脚部。因此，判断起始帧和落地帧的过程如下。在整个测量过程中，在每一帧中提出目标对象即脚部信息，记录下脚部在深度图像上的重心为Pi,其中i为对应的帧序号。

在距离的测量过程中，起跳前，都会停下来做好起跳准备，测试脚部会有短暂的停留；在跳跃过程中，脚部的运动速度很快，则表现在跳跃瞬间的那一帧，和之前帧相比，脚部会有一个比较大的距离差距；而在落地的瞬间，脚部速度又会下降下来。因此我们通过设定一个脚部运动的起跳距离阈值Dsh，落地距离阈值Dse，通过判断每帧图像的脚部运动距离就可以判断起跳和落地，该脚部运动距离为当前帧图像的脚部与前一帧图像中脚部相比在图像中移动的距离。

请参阅图4，为根据本发明的基于图像拍摄的距离测量方法的中提取步骤的流程图。图3的实施例所示的基于图像拍摄的距离测量方法的提取步骤S2可以具体采用图4的流程实现，该提取步骤开始于步骤S201：

随后，在步骤S202中，将起跳标记初始化为未起跳。

随后，在步骤S203中，按时间顺序依次扫描每帧深度图像中脚部重心的脚部运动距离。

随后，在步骤S204中，根据起跳标记判断当前帧是否已经起跳，未起跳则需要转步骤S205进行起跳帧的判断；已经起跳则需要转步骤S307进行结束帧即落地帧的判断。

在步骤S205中，已经确定当前帧之前被测者未起跳，因此判断当前帧的脚部运动距离是否超过起跳距离阈值Dsh，是则代表当前帧刚好为起跳之后的第一帧，转步骤S206；否则未判断当前帧仍然未起跳，转步骤S203，继续扫描下一帧图像的脚部运动距离。

在步骤S206中，将起跳标记修改为已经起跳，并记录当其帧的前一帧图像为起始帧即起跳帧，转步骤S303，继续扫描下一帧图像的脚部运动距离。

在步骤S207中，判断脚部运动距离是否低于落地距离阈值Dse，是则转步骤S208；否则转步骤S303，继续扫描下一帧图像的脚部运动距离。

在步骤S208中，根据深度图像初步计算出跳跃距离，转步骤S209。

在步骤S209中，判断当前帧的跳跃距离是否超过跳跃阈值Dm，是则转步骤S210；否则转步骤S203，继续扫描下一帧图像的脚部运动距离。在脚部运动距离低于落地距离阈值Dse后，可以初步判断脚部可能已经落地，但是为了防止检测到误动作，需要判断初步计算出跳跃距离，并判断当前帧的跳跃距离是否超过跳跃阈值Dm，以进一步确定当前帧为结束帧即落地帧。在此只需要利用深度图像初步计算出跳跃距离即可，而不需要结合可见光图像进行精确计算。

在步骤S210中，标记当前帧为结束帧即落地帧。

在确定起始帧和结束帧后，分别采用如标定方法中所述的图像分割方法获得起始帧中目标对象位置坐标S＝(S_x，S_y)和结束帧中目标对象位置坐标E＝(E_x，E_y)。以立定跳远为例，可以根据需要确定目标对象的具体位置，例如当需要计算起跳前脚尖到落地后脚跟的距离的话，可以分别获得起始帧中脚尖位置坐标S＝(S_x，S_y)和结束帧中脚跟位置坐标E＝(E_x，E_y)。随后，计算出脚尖位置坐标所属的第a个方形子区域脚跟位置坐标所属的第b个方形子区域则可以利用映射矩阵P_n分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标：R_s＝P_a*S，R_E＝P_b*E；其中R_s与R_E分别代表真实待测区域的起跳时的脚尖位置坐标和落地时的脚跟位置坐标。计算R_s与R_E的距离，便是跳跃距离。在本发明的另一些实施例中，也可以定义跳跃距离为起始帧的脚尖至结束帧的脚尖之间的距离，或者定义跳跃距离为起始帧的脚跟至结束帧的脚跟之间的距离，只需要在计算移动距离或跳跃距离时根据相应的目标对象进行计算即可。

请参阅图5，本发明还相应提供了一种基于图像拍摄的距离测量系统。该系统采用上述基于图像拍摄的距离标定方法和距离测量方法实现。如图5所示，该系统主要包括标定单元10和测量单元20。

其中，标定单元10用于预先通过标定获取摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系。标定单元10将摄像头装置设置于所述真实待测区域一侧，拍摄标定物在所述真实待测区域的不同标定位置坐标的图像；并从所述拍摄的图像中分割出所述标定物的轮廓，记录下所述图像中所述标定物的位置坐标对应的所述真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系。

测量单元20用于通过摄像头装置拍摄目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像；从所述摄像头装置拍摄的目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像中提取目标对象移动的起始帧和结束帧；并在所述目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出所述目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中所述目标对象的位置坐标，基于所述标定单元预先标定得到的所述对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离。

标定单元10和测量单元20使用同一摄像头装置。测量单元20在进行测量前标定单元10需要执行标定操作。标定单元10执行的标定操作如前述方法中的所述的标定操作的过程及原理一致，在此不再赘述。标定单元10从标定操作中摄像头装置拍摄的图像中分割出标定物如脚部轮廓，记录下图像中脚部的位置坐标对应的真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系之后存储，以后只要不移动摄像头装置，测量单元20就可以利用标定单元10获得的该对应关系重复进行多次测量。

测量单元20在进行测量时的操作与前述方法中的所述的测量操作的过程及原理一致，即从拍摄的过程图像中提取起始帧和结束帧；获取起始帧中目标对象位置坐标和结束帧中目标对象位置坐标，基于预先标定得到的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出目标对象的移动距离。

本发明的摄像头装置可以采用深度摄像头，在标定和测量过程中通过深度摄像头拍摄深度图像，再利用图像识别算法从图像中分割出标定物或目标对象轮廓。以立定跳远为例该标定物和目标对象为人体脚部。但是，由于现有深度摄像头受到视角的制约，往往要求标定者或被测者与深度摄像头距离比较远，才能拍摄到标定物或目标对象的整个移动过程。而深度摄像头的精度，会随着距离变远而下降，进而对测量结果产生不利影响，导致测量结果偏差大。因此，优选地，摄像头装置可以通过使用可见光摄像头进行配合，以弥补深度摄像头的上述缺陷，也可以提高标定物或目标对象例如脚部的分割精度等。摄像头装置可以采用深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像。标定单元10和测量单元20则在提取标定物或目标对象的轮廓时首先在深度图像中确定标定物或目标对象的位置坐标，将其作为可见光图像中搜索标定物或目标对象的轮廓的初始值，在可见光图像中分隔出标定物或目标对象的轮廓。

本发明的测量单元20识别起始帧和结束帧的方法与前述的方法一致，都是先从过程图像的每帧图像中分离出目标对象如脚部的信息，并基于每帧图像的脚部信息获取当前帧的脚部运动距离，判断脚部运动距离超过预设的起跳距离阈值则提取前一帧图像作为起始帧；判断脚部运动距离低于预设的落地距离阈值时且当前帧的跳跃距离大于跳跃阈值时则提取当前帧图像作为结束帧。且测量单元20随后如前述方法的描述一样获取起始帧中目标对象位置坐标和结束帧中目标对象位置坐标，基于所述标定单元10中得到的对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并根据起始帧和结束帧中目标对象对应的真实待测区域的位置坐标计算出跳跃距离。以立定跳远为例，测量单元20获取起始帧中脚尖位置坐标和结束帧中脚跟位置坐标，基于所述标定操作中得到的对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并根据起始帧中脚尖和结束帧中脚跟对应的真实待测区域的位置坐标计算出跳跃距离。

本发明也可以应用于其他需要测量距离的场合，例如测量标枪、铁饼等体育项目的投掷距离，或者其它工业生活中的应用，例如测量飞机的滑行距离等等。此外，本发明所提及的距离不限于水平距离的测量，也可以为高度距离的测量，例如跳高运动时，对运动员跳跃的高度进行测量，只需要在标定的过程中将真实待测区域由水平面调整为垂直面即可。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (12)

1.一种基于图像拍摄的距离标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将摄像头装置设置于真实待测区域一侧，拍摄标定物在所述真实待测区域的不同标定位置坐标的图像；

从所述拍摄的图像中分割出所述标定物的轮廓，记录下所述图像中所述标定物的位置坐标对应的所述真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系；

其中，所述摄像头装置同时采用已经联合标定的深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，在提取所述标定物的轮廓时首先在所述深度图像中初步确定所述标定物位置坐标，并获得所述标定物在对应的可见光图像上的大概位置，将所述大概位置作为所述可见光图像中搜索所述标定物的轮廓的初始值，再在所述可见光图像的初始值范围内精确分割出所述标定物的轮廓。

2.根据权利要求1所述的基于图像拍摄的距离标定方法，其特征在于，所述的标定位置为所述真实待测区域被分成多个子区域的区域边界点；计算所述拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系为每个所述子区域的对应关系。

3.根据权利要求2所述的基于图像拍摄的距离标定方法，其特征在于，所述的标定位置为将所述真实待测区域在长度方向上分成多个方形子区域 则设每个所述方形子区域的左上边界点为(An-1，H)，左下边界点为(Bn-1，0)，右上边界点为(An，H)，右下边界点为(Bn，0)；

计算每个所述子区域的对应关系的具体过程包括：记录下图像中所述标定物的位置坐标(X_an，Y_an)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(An，H)，图像中所述标定物的位置坐标(X_bn，Y_bn)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(Bn，0)，并设图像中所述标定物的位置坐标的齐次坐标为X＝(x₁，x₂，x₃)^T，所述真实待测区域的标定位置坐标的齐次坐标为Y＝(y₁，y₂，y₃)^T；

则射影公式为：

其中， ${m^{\′}}_{\mathrm{ij}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}}{m_{33}},$ i＝1，2，j＝1～3； $\stackrel{\‾}{y_k}=\frac{y_k}{y_3};\stackrel{\‾}{x_k}=\frac{x_k}{x_3},k=\mathrm{1,2};$

计算出图像中所述方形子区域映射到所述真实待测区域的映射矩阵 $P_n=\left[\begin{array}{ccc}{{m_n}^{\′}}_{11}& {{m_n}^{\′}}_{12}& {{m_n}^{\′}}_{13}\\ {{m_n}^{\′}}_{21}& {{m_n}^{\′}}_{22}& {{m_n}^{\′}}_{23}\end{array}\right].$

4.一种基于图像拍摄的距离测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

拍摄步骤，拍摄目标对象在真实待测区域移动的过程图像；

提取步骤，从拍摄的所述过程图像中提取所述目标对象移动的起始帧和结束帧；

测量步骤，在所述目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出所述目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中所述目标对象的位置坐标，基于预先通过标定获取的摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与所述真实待测区域的位置坐标的对应关系，分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离；

其中，所述摄像头装置同时采用已经联合标定的深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，在提取所述目标对象的轮廓时首先在所述深度图像中初步确定所述目标对象位置坐标，并获得所述目标对象在对应的可见光图像上的大概位置，将所述大概位置作为所述可见光图像中搜索所述目标对象的轮廓的初始值，再在所述可见光图像的初始值范围内精确分割出所述目标对象的轮廓。

5.根据权利要求4所述的基于图像拍摄的距离测量方法，其特征在于，所述测量步骤中：

设获取的所述起始帧中目标对象的位置坐标S＝(S_x，S_y)和所述结束帧中目标对象的位置坐标E＝(E_x，E_y)，首先计算出所述起始帧中目标对象的位置坐标所属的第a个方形子区域所述结束帧中目标对象的位置坐标所属的第b个方形子区域利用映射矩阵P_n分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标：R_s＝P_a*S，R_E＝P_b*E；

基于R_s与R_E计算移动距离

6.根据权利要求4所述的基于图像拍摄的距离测量方法，其特征在于，当对立定跳远进行测距时，所述目标对象为脚部，所述提取步骤中：

从所述过程图像的每帧图像中分离出脚部信息，并基于每帧图像的脚部信息获取当前帧的脚部移动距离，判断脚部移动距离超过预设的起跳距离阈值则提取前一帧图像作为所述起始帧；判断脚部移动距离低于预设的落地距离阈值时且当前帧的移动距离大于跳跃阈值时则提取当前帧图像作为所述结束帧。

7.一种基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，包括：

标定单元，用于预先通过标定获取摄像头装置拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系；所述标定单元将摄像头装置设置于所述真实待测区域一侧，拍摄标定物在所述真实待测区域的不同标定位置坐标的图像；

测量单元，用于通过摄像头装置拍摄目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像；从所述摄像头装置拍摄的目标对象在所述真实待测区域移动的过程图像中提取目标对象移动的起始帧和结束帧；并在所述目标对象移动的起始帧和结束帧中分割出所述目标对象的轮廓，并获取所述起始帧和结束帧中所述目标对象的位置坐标，基于所述标定单元预先标定得到的所述对应关系分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标，并基于两者真实待测区域的位置坐标计算出移动距离；

其中，所述摄像头装置同时采用已经联合标定的深度摄像头和可见光摄像头，分别拍摄深度图像和可见光图像，在提取所述目标对象的轮廓时首先在所述深度图像中初步确定所述目标对象位置坐标，并获得所述目标对象在对应的可见光图像上的大概位置，将所述大概位置作为所述可见光图像中搜索所述目标对象的轮廓的初始值，再在所述可见光图像的初始值范围内精确分割出所述目标对象的轮廓。

8.根据权利要求7所述的基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，所述标定单元从所述拍摄的图像中分割出所述标定物的轮廓，记录下所述图像中所述标定物的位置坐标对应的所述真实待测区域的标定位置坐标，并计算出对应关系。

9.根据权利要求8所述的基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，所述的标定位置为所述真实待测区域被分成多个子区域的区域边界点；所述标定单元计算所述拍摄的图像中位置坐标与真实待测区域的位置坐标的对应关系为每个所述子区域的对应关系。

10.根据权利要求9所述的基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，所述的标定位置为将所述真实待测区域在长度方向上分成多个方形子区域则设每个所述方形子区域的左上边界点为(An-1，H)，左下边界点为(Bn-1，0)，右上边界点为(An，H)，右下边界点为(Bn，0)；

所述标定单元计算每个所述子区域的对应关系的具体过程包括：记录下图像中所述标定物的位置坐标(X_an，Y_an)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(An，H)，图像中所述标定物的位置坐标(X_bn，Y_bn)对应的所述真实待测区域的标定位置坐标(Bn，0)，并设图像中所述标定物的位置坐标的齐次坐标为X＝(x₁，x₂，x₃)^T，所述真实待测区域的标定位置坐标的齐次坐标为Y＝(y₁，y₂，y₃)^T；

则射影公式为：

其中， ${m^{\′}}_{\mathrm{ij}}=\frac{m_{\mathrm{ij}}}{m_{33}},$ i＝1，2，j＝1～3； $\stackrel{\‾}{y_k}=\frac{y_k}{y_3};\stackrel{\‾}{x_k}=\frac{x_k}{x_3},k=\mathrm{1,2};$

计算出图像中所述方形子区域映射到所述真实待测区域的映射矩阵

$P_n=\left[\begin{array}{ccc}{{m_n}^{\′}}_{11}& {{m_n}^{\′}}_{12}& {{m_n}^{\′}}_{13}\\ {{m_n}^{\′}}_{21}& {{m_n}^{\′}}_{22}& {{m_n}^{\′}}_{23}\end{array}\right].$

11.根据权利要求10所述的基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，所述测量单元获取的所述起始帧中目标对象的位置坐标为S＝(S_x，S_y)和所述结束帧中目标对象的位置坐标为E＝(E_x，E_y)，所述测量单元首先计算出所述起始帧中目标对象的位置坐标所属的第a个方形子区域所述结束帧中目标对象的位置坐标所属的第b个方形子区域利用映射矩阵P_n分别计算出相应的真实待测区域的位置坐标：R_s＝P_a*S，R_E＝P_b*E；

基于R_s与R_E计算移动距离

12.根据权利要求8所述的基于图像拍摄的距离测量系统，其特征在于，当对立定跳远进行测距时，所述目标对象为脚部，所述测量单元从所述过程图像的每帧图像中分离出脚部信息，并基于每帧图像的脚部信息获取当前帧的脚部移动距离，判断脚部移动距离超过预设的起跳距离阈值则提取前一帧图像作为所述起始帧；判断脚部移动距离低于预设的落地距离阈值时且当前帧的移动距离大于跳跃阈值时则提取当前帧图像作为所述结束帧。