CN104236462A - 一种提取视频图像中物体高度和距离的方法 - Google Patents

Abstract

针对视频监控图像中物体的高度和距离量测问题，发明了一种提取视频图像中物体高度和距离的方法，涉及视频图像处理技术。利用标定的摄像头安装高度和视场最近端的距离计算视频图像对地面的两个角度值，然后量测视频图像中物体的顶部和底部到图像最底部边缘的距离值，以及该物体中心到图像最左侧边缘的距离，由此计算出物体对应的两个纵向视角和一个横向视角，最后通过计算得到物体的高度值及其距离摄像头根据的平面距离。本发明主要应用了固定摄像头拍摄图像对应地面的角度和摄像机中心投影的透视几何关系，将物体的高度和距离转化为图像的对地视角，从而可以根据标定的两个已知值有效地确定物体的高度和距离，本发明具有简单和实用特点。

Description

一种提取视频图像中物体高度和距离的方法

技术领域

本发明涉及视频图像处理的技术领域，是一种有效提取视频图像中物体高度和距离的方法，以准确量测所感兴趣物体(例如行人)的高度参数和在场景中距离摄像头根部的距离参数。

背景技术

随着视频监控系统的快速发展和应用系统的大量投入，人们借助视频图像就可以实现对各种场景的有效监视和事后数据分析。而通过对摄像机拍录的图像序列进行分析是视频图像应用的关键之一，通过分析可以实现对动态场景中物体的定位、识别和跟踪，从而分析和判断物体的行为，做到既能完成日常管理又能在异常情况发生时及时做出有效反应。近年来随着高清视频系统的不断投入，视频图像的分辨率得到了较大改善，这为视频图像分析和物体参数提取提供了很好的数据源。在视频图像分析和应用中，如何提取视频图像中感兴趣物体的高度也是经常遇到的问题之一。

目前有一些方法可以从图像中提取物体的高度，主要有基于两幅图像(双目立体或两个视角)的提取方法、单幅图像的高度提取方法。基于两幅图像的提取方法主要根据两台设备同时获取的两幅图像，应用立体视觉的方法提取物体的三维信息，从而就能给出物体的高度，这种方法技术十分成熟，应用也很广泛，但缺点是需要同时获取两幅图像。如果能从单幅图像中获得场景的高度信息，那么将大大简化提取工作。基于单幅图像提取的高度方法只需要一幅图像就能提取物体的高度，难度大，因此方法很少。例如赵冬斌(2000)(赵冬斌、陈善本、吴林，由单目图像获得表面高度算法的分析和实现，计算机学报，23(2)：147～152)根据图像上物理的(太阳光或额外光源)光照强度或阴影来提取物体高度的方法，主要依据物体不同高度上的光照强度或阴影和高度的相关性来提取物体高度，但是这种方法精度较差，而且需要太阳光或光源配合，较难实用化。而孔晓东(2004)(孔晓东，丁大伟，梁栋，基于图像的高度测量方法，微机发展，14(2)：35～37)提出了一种基于单幅图像的高度测量方法。首先根据单幅图像提供的一些几何信息如地平面(或者是与地平面平行的平面)上两对不同方向的平行线和竖直方向的一对平行线，并在图像上求得地平面的消影线和竖直方向的消影点；然后用一个已知的参考高度来确定高度测量方程中的比例因子；最后根据输人待测高度的端点坐标获得其高度值。该方法需要确定多对平行线并通过外在的参考高度来确定比例因子，实用性和精度(尤其在室外场景)都受到影响。

综上所述，现有从单幅视频图像中提取物体高度方法的适用性有限，较难达到满意的效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的问题，本发明提供了一种提取视频图像中物体高度和距离的方法，以提供所感兴趣物体(例如行人)的高度和距离等参数。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种提取高清视频图像中物体高度和距离的方法，包括：利用标定的固定安装摄像头的高度和视场最近端的距离计算视频图像对地面的两个角度值，然后量测视频图像中物体的顶部和底部到图像最底部边缘的距离值以及该物体中心到图像左侧边缘的距离，由此计算出物体所对应的两个纵向视角和一个横向视角，最后计算得到物体的高度及其距离摄像头根部的距离，从而提取视频图像中物体高度和距离。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提取视频图像中物体高度和距离的方法，具有以下的有益效果：

(1)只应用了单台摄像机获取的单幅视频图像就可以提取所感兴趣物体的高度和距离摄像头根部的距离。

(2)在监控视频的场景中不需要额外的光源或其它参考物体，而是根据安装的摄像头所拍摄图像对应地面的角度和透视投影几何关系，而将物体的高度和距离转化为图像的对地视角，就可以提取物体的高度和距离等参数。

附图说明

图1为本发明实施例视频摄像头的安装示意图。

图2为本发明实施例量测视频图像中物体距离的示意图。

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。在附图中以简化或是方便标示，且附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提取视频图像中物体高度和距离的方法，首先利用标定的固定安装摄像头的高度和视场最近端的距离计算视频图像对地面的两个角度值，然后量测视频图像中物体的顶部和底部到图像最底部边缘的距离值以及物体中心到图像最左侧边缘的距离，由此计算出物体对应的两个纵向视角和一个横向视角，最后计算得到物体的高度及其距离摄像头根部的距离，从而提取视频图像中物体高度和距离。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种提取视频图像中物体高度和距离方法。图1为本发明实施例视频摄像头的安装示意图，图2为本发明实施例量测视频图像中物体距离的示意图。本实施例包括以下步骤：

步骤A：标定固定摄像头安装位置的相关高度和距离。如图1所示，准确量测固定安装摄像头距离地面的垂直高度H和图像近地端边缘离开摄像头根部位置的平面距离L，并计算得到两个视角数值，用公式表示是：

${\mathrm{\θ}}_1=t{g}^{-1}\left(\frac{L}{H}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=t{g}^{-1}\left(\frac{l_{\mathrm{ccd}}}{2f}\right)$

其中，H表示摄像头距离地面的垂直高度值，L表示图像近地端位置距离摄像头根部位置的距离水平L，f表示摄像头的焦距，l_H表示摄像头CCD焦平面的纵向高度值，且f和l_H都是摄像头出厂的已知固定值，tg^-1表示反正切三角函数。

步骤B：获取一幅包含待测物体的视频图像，量测该物体的顶部和底部在图像中的距离值以及该物体在图像中的横向距离。如图2所示，需要量测物体底部离开图像最底部边缘的像素距离l₁，物体顶部离开图像最底部边缘的像素距离l₂，物体中心离开图像最左侧边缘的像素距离l₃

计算物体对应的两个纵向视角值采用公式表示是：

${\mathrm{\θ}}_3=t{g}^{-1}\left(\frac{2k{l}_1-l_H}{2f}\right)$

${\mathrm{\θ}}_4=t{g}^{-1}\left(\frac{2k{l}_2-l_H}{2f}\right)$

而计算物体对应的横向视角值采用公式表示是：

${\mathrm{\θ}}_5=t{g}^{-1}\left(\frac{l_W-2k{l}_3}{2f}\right)$

其中，l₁表示物体底部离开图像最底部边缘的像素距离，l₂表示物体顶部离开图像最底部边缘的像素距离，l₃表示物体中心离开图像最左侧边缘的像素距离，k表示摄像头CCD器件的像素间隔大小，摄像头出厂时给出的已知固定值，l_H表示摄像头CCD焦平面的纵向高度值，l_W表示摄像头CCD焦平面的横向宽度值，f、l_H和l_W都是摄像头出厂时给出的已知固定值。

步骤C：根据前两步获取的角度值，计算物体的高度及其距离摄像头根部的平面距离，用公式表示是：

物体的高度：

$h=\frac{H\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_3)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_5\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_4)}$

物体到摄像机的根部水平距离为：

$d=\frac{\mathrm{Htg}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_5\right)}$

其中：H表示摄像头距离地面的高度值，θ₁和θ₂是计算的摄像头安装的两个固定视角，θ₃和θ₄是物体对应的两个纵向视角，θ₅表示物体对应的横向视角，sin表示正弦三角函数，cos表示余弦三角函数，tg表示正切三角函数。

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 (4)

1.一种提取视频图像中物体高度和距离的方法，其特征在于，包括以下3个步骤： 

步骤1：根据事先标定量测的摄像头安装位置计算两个固定的视角； 

步骤2：量测物体的顶部和底部在图像中的距离值以及物体在图像中的横向距离值，并计算该物体对应的三个视角。 

步骤3：根据公式计算物体的高度及其距离摄像头根部的平面距离。 

2.如权利要求1所述的提高方法，其特征在于，所述步骤1中标定量测的摄像头安装位置是指摄像头的安装点距离地面的垂直高度H和视频图像近地端距离摄像头根部位置的水平距离L，计算的两个视角，用公式表示是： 

其中，H表示摄像头距离地面的垂直高度值，L表示图像近地端位置距离摄像头根部位置的距离水平L，f表示摄像头的焦距，l_H表示摄像头CCD焦平面的纵向高度值，且f和l_H都是摄像头出厂的已知固定值，tg^-1表示反正切三角函数。 

3.如权利要求1所述的调整方法，其特征在于，所述步骤2的量测物体的顶部和底部在图像中的距离值以及物体在图像中的横向距离，是量测物体底部离开图像底部边缘的像素距离l₁，物体顶部离开图像底部边缘的像素距离l₂，以及物体中心离开图像左侧边缘的像素距离l₃

计算物体对应的两个纵向视角值采用公式表示是： 

而计算物体对应的横向视角值采用公式表示是： 

其中，l₁表示物体底部离开图像底部边缘的像素距离，l₂表示物体顶部离开图像底部边缘的像素距离，l₃表示物体中心离开图像左侧边缘的像素距离，k表示摄像头CCD器件的像素间隔大小，摄像头出厂时给出的已知固定值，l_H表示摄像头CCD焦平面的纵向高度值，l_W表示摄像头CCD焦平面的横向宽度值，f、l_H和l_W都是摄像头出厂时给出的已知固定值。 

4.如权利要求1所述的调整方法，其特征在于，所述步骤3的计算得到物体的高度及其距离摄像头根部的距离，用公式表示是： 

物体的高度：

物体到摄像机的根部水平距离为：

其中：H表示摄像头距离地面的高度值，θ₁和θ₂是计算的摄像头安装的两个固定视角，θ₃和θ₄是物体对应的两个纵向视角，θ₅表示物体对应的横向视角，sin表示正弦三角函数，cos表示余弦三角函数，tg表示正切三角函数。