CN103033132A - 基于单目视觉的平面测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单目视觉的平面测量方法，包括：在被测量平面上放置平面靶标，并在平面靶标上选取标定点进行摄像机标定，得到从世界坐标系到图像坐标系转换的必要参数。通过世界坐标系与图像坐标系的转换关系求出物体特征点在世界坐标系的位置坐标，进而求出物体在世界坐标系中的长度值。

Description

基于单目视觉的平面测量方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机视觉及图像处理领域，尤其涉及一种基于单目视觉的平面测量方法。

背景技术

常见的视觉测量方法主要有单目视觉测量、双目视觉测量、结构光视觉测量等。双目视觉通过对多台摄像机进行信息融合可以达到较高的精度，但是较单目视觉测量具有结构复杂、测量时间长的缺点。结构光视觉测量的主要原理是采用结构光形成特征，根据三角测量原理求取特征点的三维坐标信息，结构光抗干扰能力强、实时性好，但测量系统标定比较困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的问题，本发明提供了基于单目视觉的平面测量方法，以得到物体在固定平面上的位置及长度信息。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于单目视觉的平面测量方法，包括：

步骤S1，根据平面上放置的平面靶标建立世界坐标系；

步骤S2，获取所述平面靶标上的标定点在图像坐标系中的图像坐标；

步骤S3，获取所述标定点在所建立的世界坐标系中的世界坐标；

步骤S4，根据所述标定点的图像坐标和世界坐标计算世界坐标系和图像坐标系之间的转换参数m′；

步骤S5，根据所述转换参数m′计算被测物体在世界坐标系中的位置和长度。

本发明还提出了一种基于单目视觉的平面测量装置，其包括

根据平面上放置的平面靶标建立世界坐标系的装置；

获取所述平面靶标上的标定点在图像坐标系中图像坐标的装置；

获取所述标定点在所建立的的世界坐标系中的世界坐标；

根据所述标定点的图像坐标和世界坐标计算世界坐标系和图像坐标系之间的转换参数m′；

根据所述转换参数m′计算被测物体在世界坐标系中的位置和长度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于单目视觉的平面测量方法具有以下有益效果：

(1)被测量平面上放置平面靶标，并在平面靶标上选取标定点进行摄像机标定，得到从世界坐标系到图像坐标系转换的必要参数，方法简单可行；

(2)过世界坐标系与图像坐标系的转换关系求出物体特征点在世界坐标系的位置坐标，进而求出物体世界坐标系中的长度值，测量结果准确，精度高。

附图说明

图1为本发明基于单目视觉的平面测量方法的流程图；

图2为本发明实施例基于单目视觉的平面测量方法中坐标系的建立示意图；

图3为本发明中基于单目视觉的平面测量方法中摄像机拍摄的图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为了测量位于固定平面内物体的位置及长度，本发明提出一种基于单目视觉的平面测量方法。该方法在被测量平面上放置平面靶标，并在平面靶标上选取标定点进行摄像机标定，得到从世界坐标系到图像坐标系转换的必要参数。通过世界坐标系与图像坐标系的转换关系求出物体特征点在世界坐标系的位置坐标，进而求出物体世界坐标系中的长度值。

图1为根据本发明实施例基于单目视觉的平面测量方法的流程图。如图1所示，本实施例基于单目视觉的平面测量方法包括下述步骤：

步骤S1，固定相机的位置，将平面靶标放置在地面上，建立相应的坐标系。

步骤S2，用相机拍摄图像，并获取标定点在图像坐标系中的坐标(u_i，v_i)。

步骤S3，统计所获取的标定点对应的世界坐标值。

步骤S4，计算世界坐标系和图像坐标系之间的转换参数m′，实现摄像机的标定。

步骤S5，计算被测物体在世界坐标系中的位置和长度。

其中，如图2所示，坐标系的建立包括：

1)世界坐标系O_wx_wy_wz_w：选取被测物体所在平面为平面O_wx_wy_w，z_w轴为垂直O_wx_wy_w平面竖直向上，其中所述世界坐标系上的原点O_w可以为所述平面靶标上的某一点，如平面靶标可以为由边长已知的黑白相间的方格构成的方形结构，那么原点坐标可以为所述平面靶标上的方格的角点坐标。

2)图像坐标系Cuv：取图像左下角的点为该坐标系的原点C，u轴方向取图像坐标沿水平增加的方向，v轴方向取图像坐标沿竖直增加的方向。

其中，标定点在图像坐标系中的坐标的获取方法可以通过OpenCV中的函数cvFindChessboardCorners (const void*image，CvSize pattern_size，CvPoint2D32f*corners，int*corner_count，int flages)来检测平面靶标上的方格的角点坐标。

其中，标定点对应的世界坐标值可以在平面靶标上的方格边长均已知的条件下，通过数方格的个数确定标定点的世界坐标值。

其中，转换参数m′是通过取n个坐标已知的点，构成矩阵A、B，利用最小二乘法，求解m′＝(A^TA)^-1A^TB获得的。其中

$A={\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_{w1}& y_{w1}& 1& 0& 0& 0& -u_1{x}_{w1}& -u_1{y}_{w1}\\ 0& 0& 0& x_{w1}& y_{w1}& 1& -v_1{x}_{w1}& -v_1{y}_{w1}\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& 1& 0& 0& 0& -u_n{x}_{\mathrm{wn}}& -u_n{y}_{\mathrm{wn}}\\ 0& 0& 0& x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& 1& -v_n{x}_{\mathrm{wn}}& -v_n{y}_{\mathrm{wn}}\end{array}\right]}_{2n\×8},$ $B={\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ .\\ .\\ .\\ u_n\\ v_n\end{array}\right]}_{2n\×1},$ $m^{\′}=\left[\begin{array}{c}{m}_{11}^{\′}\\ m_{12}^{\′}\\ m_{14}^{\′}\\ m_{21}^{\′}\\ m_{22}^{\′}\\ m_{24}^{\′}\\ m_{31}^{\′}\\ m_{32}^{\′}\end{array}\right].$

其中，在(u，v)和m′＝[m′₁₁ m′₁₂ m′₁₄ m′₂₁ m′₂₂ m′₂₄ m′₃₁ m′₃₂]^T已知的情况下，通过 $\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}^{\′}-{\mathrm{um}}_{31}^{\′}& m_{12}^{\′}-{\mathrm{um}}_{32}^{\′}\\ m_{21}^{\′}-v{m}_{31}^{\′}& m_{22}^{\′}-v{m}_{32}^{\′}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}u-m_{14}^{\′}\\ v-m_{24}^{\′}\end{array}\right]$ 求出目标物体的世界坐标(x_w，y_w，0)。

其中，通过式

计算被测物体在世界坐标系中的长度，其中P₁(x_w1，y_w1，0)、P_w(x_w2，y_w2，0)为通过标定参数计算出的物体两端点的世界坐标。

基于本发明所提供的方法，通过测量地面上地板砖的边长来验证该算法的准确性。

下面说明一下实施步骤：

第一步：将平面靶标放置在地面上，固定相机位置，并拍摄视频.从拍摄的视频中读取其中一帧图像，如图3所示，图像尺寸为1920像素×1080像素.

第二步：建立图像坐标系Cuv，取图像左下角的点为该坐标系的原点C，u轴方向取图像坐标沿水平增加的方向，v轴方向取图像坐标沿竖直增加的方向。通过OpenCV中的函数cvFindChessboardCorners(const void*image，CvSize pattern_size，CvPoint2D32f*corners，int*corner_count，intflages)获取图像坐标系中平面靶标方格角点的位置坐标。

第二步：建立世界坐标系O_wx_wy_wz_w，其中原点O_w选为靶标左上角第一个黑方格的右下角，x_w轴选为点O_w到靶标左下角第一个黑方格的右上角的方向、y_w轴选为点O_w到靶标右上角第一个白方格的左下角的方向，z_w轴垂直地面竖直向上。选取平面靶标上角点作为标定点。平面靶标的长为400mm，每行有24个黑白相间的方格，由此可以算出每个方格的长度为16.667mm。由此可以得到选取的标定点在世界坐标系中的坐标。

平面靶标上选取的角点的图像坐标(u，v)及世界坐标(x_w，y_w，0)如表1所示。

表1

第四步：计算世界坐标系与图像坐标系的转换参数为

$m^{\′}=\left[\begin{array}{c}1.5817474934144284\\ -3.4917867760567195\\ 548.11289572255396\\ 0.050438674623138356\\ -1.3703065480824401\\ 575.49775708658683\\ 2.2740943452591830e-005\\ -0.00043866621496217782\end{array}\right].$

第五步：取地板砖的四个角点：A、B、C、D。其在图像坐标系中的坐标，如表2所示。计算A、B、C、D点在世界坐标中的位置坐标，如表2所示。

表2

第六步：计算地板砖的边长，并与地板砖的实际边长比较。结果如表3所示。

表3

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

步骤S1，根据平面上放置的平面靶标建立世界坐标系；

步骤S2，获取所述平面靶标上的标定点在图像坐标系中的图像坐标；

步骤S3，获取所述标定点在所建立的世界坐标系中的世界坐标；

步骤S4，根据所述标定点的图像坐标和世界坐标计算世界坐标系和图像坐标系之间的转换参数m′；

步骤S5，根据所述转换参数m′计算被测物体在世界坐标系中的位置和长度。

2.如权利要求1所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，转换参数m′是通过取n个标定点，构成矩阵A、B，并利用最小二乘法求解m′＝(A^TA)^-1A^TB获得，其中所述n个标定点在世界坐标系和图像坐标系中的坐标均已知；

所述矩阵A、B和转换参数m′如下表示：

$A={\left[\begin{array}{cccccccc}{x}_{w1}& y_{w1}& 1& 0& 0& 0& -u_1{x}_{w1}& -u_1{y}_{w1}\\ 0& 0& 0& x_{w1}& y_{w1}& 1& -v_1{x}_{w1}& -v_1{y}_{w1}\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& 1& 0& 0& 0& -u_n{x}_{\mathrm{wn}}& -u_n{y}_{\mathrm{wn}}\\ 0& 0& 0& x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& 1& -v_n{x}_{\mathrm{wn}}& -v_n{y}_{\mathrm{wn}}\end{array}\right]}_{2n\×8},$ $B={\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ .\\ .\\ .\\ u_n\\ v_n\end{array}\right]}_{2n\×1},$ $m^{\′}=\left[\begin{array}{c}{m}_{11}^{\′}\\ m_{12}^{\′}\\ m_{14}^{\′}\\ m_{21}^{\′}\\ m_{22}^{\′}\\ m_{24}^{\′}\\ m_{31}^{\′}\\ m_{32}^{\′}\end{array}\right].$

其中，(u_i，v_i)为第i个标定点的图像坐标，(x_wi，y_wi，0)为第i个标定点的世界坐标。

3.如权利要求2所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，

通过 $\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}^{\′}-{\mathrm{um}}_{31}^{\′}& m_{12}^{\′}-{\mathrm{um}}_{32}^{\′}\\ m_{21}^{\′}-v{m}_{31}^{\′}& m_{22}^{\′}-v{m}_{32}^{\′}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}u-m_{14}^{\′}\\ v-m_{24}^{\′}\end{array}\right]$ 求出被测物体的世界坐标(x_w，y_w，0)，其中(u，v)为被测物体的图像坐标。

4.如权利要求1所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，通过下式获得被测物体在世界坐标中的长度：

$L=\sqrt{{(x_{w2}-x_{w1})}^2+{(y_{w2}-y_{w1})}^2}$

其中P₁(x_w1，y_w1，0)、P₂(x_w2，y_w2，0)为通过所述标定参数计算出的被测物体两端点的世界坐标。

5.如权利要求1所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，所述图像坐标系Cuv为取拍摄的包含平面标靶的图片的左下角为原点C，取图像坐标沿水平增加的方向为u轴方向，取图像坐标沿竖直增加的方向为v轴方向而建立的。

6.如权利要求1所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，所建立的世界坐标以平面靶标上的某一标定点为原点。

7.如权利要求1所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，平面靶标为由边长已知的多个黑白相间的方格构成的平面结构。

8.如权利要求7所述的基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，步骤S1中建立世界坐标系O_wx_wy_wz_w，其中原点O_w选为靶标左上角第一个黑方格的右下角，x_w轴选为点O_w到靶标左下角第一个黑方格的右上角的方向，y_w轴选为原点O_w到靶标右上角第一个白方格的左下角的方向，z_w轴垂直地面竖直向上，选取平面靶标上角点作为标定点。

9.如权利要求7所述基于单目视觉的平面测量方法，其特征在于，所述标定点的图像坐标通过0penCV检测平面靶标上的方格的角点坐标来获得；所述标定点在世界坐标系中的坐标，通过数方格的个数来确定。

10.一种基于单目视觉的平面测量装置，其包括

固定相机的位置，并根据平面上放置的平面靶标建立世界坐标系的装置；

获取所述平面靶标上的标定点在图像坐标系中图像坐标的装置；

获取所述标定点在所建立的的世界坐标系中的世界坐标；

根据所述标定点的图像坐标和世界坐标计算世界坐标系和图像坐标系之间的转换参数m′；

根据所述转换参数m′计算被测物体在世界坐标系中的位置和长度。

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