CN104537661A - 一种单目摄像头测量面积的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单目摄像头测量面积的方法及系统，该系统包含带有CCD摄像头的便携式设备（触屏手机或者平板电脑）和内嵌的软件，通过摄像头获取一张带有需要测量的目标面积图像，并且通过触屏选取目标面积轮廓上的点，便可以恢复点的空间坐标并利用几何原理，实现面积的快速计算。根据本发明，可以解决交警在处理交通事故中繁琐的手动测量和复杂的计算问题，投资费用少，检测方便、计算结果直观、准确，保证了测量的精度，且操作更加方便。

Description

一种单目摄像头测量面积的方法和系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种单目摄像头测量面积的方法和系统。

背景技术

随着机动车辆和非机动车辆不断增加，在给人们带来便利的同时，也给道路交通安全带来巨大的隐患。在一场交通事故中，交警要对事故现场进行快速勘测，以防止重大交通堵塞和次生事故。针对国内的交通警察进行交通事故现场勘测时主要是以人工借以皮尺测量，辅助以人眼观察和估计，这种方法容易造成漏测、误测、测量过程繁琐、计算复杂以及前人摄影测量技术也只能解决测量两点之间距离的问题。本发明在现有利用摄像头测距离技术基础之上，设计了一种简单、便携式的面积测量方法及系统。本方法在使用之中更加便捷，且操作简单，能为交警处理交通事故提供更大的方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种单目摄像头测面积的方法及系统，在不增配其他器件的情况下基于便携式设备终端实现单目摄像头面积测量。

本发明旨在解决交警在进行现场勘查时测量面积的弯道半径困难的问题，设计出了可以用单目摄像头测量面积的便携式交通事故现场快测量系统。

本发明的基本原理是通过便携式设备的CCD相机获取一张图像，利用便携式系统内嵌的软件获取待测目标面积轮廓空间坐标，利用几何算法和几何变换，求得待测图像实际面积。从而为交警对事故现场进行测量提供可靠的依据。

为了实现测量面积的功能，本发明通过如下的软硬件实现，硬件包括标定物、带有摄像头的便携式设备，软件模块包括角点识别模块、相机标定模块、空间点重建模块、距离测量模块以及面积测量模块。

具体测量包括以下步骤：

第一步：CCD摄像机的标定（内参求解）：

本系统利用平面棋盘标定物对相机进行标定。用便携式设备上的相机拍摄带有标定板的图像（最好从不同角度拍摄多张图片，一般选择20张左右，标定误差较小），系统自动提取图像中标定板上的角点，同时利用系统中已经设定好的标定板尺寸，计算出相机的内参矩阵。（特别说明，内参矩阵是相机镜头的特征参数，一旦相机标定完成，如果不再变焦，则相机的内参矩阵不再变化）

通过相机标定，可以求得其内参矩阵为：                                                .其中为横向归一化焦距，为纵向归一化焦距，（）是光学中心坐标；

第二步：外参求解

将标定板放置在待测目标面积附近，用便携式设备上的CCD摄像机获取一张带有标定板的图像。通过空间角点位置和系统自动搜索到图像中角点的位置关系，可以计算出图像与空间的关系矩阵。即

便携式设备内嵌的软件根据第一步中已经求得的内参，利用RQ矩阵分解，自动将P矩阵分解出外参矩阵和内参矩阵。（特别说明，外参矩阵是用来表示相机位置与标定板位置之间相对关系的矩阵，因此每次变换角度拍摄图片后求得的外参矩阵都不相同）

通过第二步，求得外参矩阵为：，其中r是旋转矩阵，t是平移矩阵。是指相机坐标经过外参矩阵所示的旋转与平移，可以变成标定板所建立的坐标；

第三步：空间点重建

在拍到的图像中的目标面积上选取多个点，点的位置最好选取面积轮廓的拐点，系统自动根据内参和外参重建出三点在空间位置的坐标；

空间点的位置坐标与图像坐标之间的关系为：

其中是伸缩因子，是图像坐标，是世界坐标。由于目前考虑的是目标面积处在与标定板相同的平面上，因此深度信息不予考虑，将其设置为0。因此在利用上式可以在已知，求得；

第四步：计算面积

根据已经求得的目标面积轮廓的空间坐标，利用几何知识，可以求得面积。

本系统的内外参数求解和面积的求解都是通过内嵌在便携式设备上软件并加以人工选取目标面积轮廓上的点来实现，操作简单，测量精确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：

图1为本发明中单目摄像头测面积测量模型图；

图2为本发明单目摄像头测面积事故现场模拟图；

图3为本发明单目摄像头拍摄现场图；

图4为本发明单目摄像头选点自动测量面积图；

图5为本发明单目摄像头侧面积系统组成示意图；

图6为本发明图像采集模块流程图；

图7为本发明标定物检测识别模块流程图；

图8为本发明内外参数求解模块流程图；

图9为本发明空间点重建模块流程图；

图10为本发明面积测量模块流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

参照本发明的技术方案，便携式设备配有普通的CCD摄像头即可，拍照时的角度也可以由使用者自行决定，将标定物摆放在目标周围，则测量的误差较小。

本发明采用棋盘标定物，是一种黑白相间的正方形块，其边长事先设定好，能够便于设备和算法较快且精确的搜索到角点。

角点检测时首先是对图像进行灰度化处理，其次进行膨胀和腐蚀处理，然后利用Canny算子检测边缘轮廓，利用曲线拟合找到直线交点，也就是角点的位置。

Canny边缘检测具体分为四个步骤实现：

1.对图像进行高斯平滑，平滑的作用是减少图片噪音，由高斯卷积内核完成；

2.计算梯度大小和方向，这一步产生两个含有图像信息的矩阵，第一个矩阵包含每个图像的边缘强度，第二个矩阵包含每个像素的边缘走向；

3.剔除非局部最大值点，剩下的点被设为可能的边缘点；

4.运用双门限的方法，高的门限确定边缘子点，从种子点出发用低门跟踪边缘点。这样可以更好地抑制孤立噪声，并且边缘也不会出现虚线。在用Canny边缘检测算子进行弯道图像边缘检测之后，即可采用Hough变换进行车道边缘提取。Hough变换方法是利用图像全局特性而直接检测目标轮廓，在知道区域形状的情况下，可以得到待测目标边界曲线，而将不连续的边缘像素点连接起来，因而可以分割出图像的边界。

本发明第一实施例，一种单目摄像头测面积的方法，如图1所示，便携式移动终端的摄像头采集含有目标物体的画面并显示在屏幕上，接收用户对目标物体的选择，然后再设备显示器上保存需要的图像；

在不规则图形的面积测量模型，任意选定一点O，然后选取目标面积轮廓上的点（宜选取拐点，选取的点数越多，面积测量误差越小），则可以将目标区域划分成若干个三角形的面积和以及面积差。如图1所示，则目标区域的面积，其中“+”、“-”号的确定是根据角度是顺时钟还是逆时钟确定，若是顺时钟，则为“+”，逆时钟则为“-”。最终不管是顺时钟还是逆时钟，取其绝对值即可计算出面积。

本发明第二实施例，一种单目摄像头测面积的方法，如图2所示为事故现场图，在测量现场摆放标定物，标定物的摆放位置最好离目标比较近，拍照的角度选取应当尽量使标定物处在图像的中间位置。

本发明第三实施例，一种单目摄像头测面积的方法，如图3所示，为便携式设备在测量现场拍摄的一张图像，其中包含有棋盘标定物。利用拍得的图像，同时利用角点检测和相关的算法，可以求解出外参。

本发明第四实施例，一种单目摄像头测面积的方法，如图4所示，为拍摄后的进行计算的图像。在图3 的基础上，首先利用感应笔在目标面积轮廓上选取ABCDE点，测量系统内部自动确定O点，然后重建出此ABCDE五点的空间坐标并且计算出各相邻两点与O点组成的三角形，同时根据ABCDE的相对位置关系，确定“+”“-”号，则目标面积可以计算出来。

综合上述选取拐点之后即可计算目标区域面积。

下面结合图5对本发明的实施系统做进一步描述：

A：图像采集模块（图6）主要的任务是通过调用便携式设备摄像头，然后在设备显示器的图像上保存需要的图像；

B：相机标定模块既通过图像采集模块采集到的图像，通过标定物检测识别模块（图7），得到图像中标定物方块角点在图像坐标中的位置，然后通过内外参数求解模块计算出相机的内外参数（图8）；

C：空间点重建模块（图9）的功能是根据求解到的内外参数求出图像中的点对应的空间点的位置；

D：面积测量模块（图10）的功能是，在显示的待测面积图像上依次选取N个待测面积轮廓上的点，需要注意的是选取的点要大致能包围待测面积。根据N个点计算出待测目标面积。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (3)

1.一种单目摄像头测面积的方法，其特征在于，该方法通过便携式设备的CCD摄像头采集含有目标物体的画面并显示在屏幕上，利用便携式系统内嵌软件获取待测目标面积轮廓空间坐标，利用几何算法和几何变换，可以求得面积；具体包括以下步骤：

步骤一，CCD摄像头标定，平面棋盘标定物对相机进行标定：

用便携式设备上的相机拍摄带有标定板的图像，系统自动提取图像中标定板上的角点，同时利用系统中已经设定好的标定板尺寸，计算出相机的内参矩阵；

通过相机标定，可以求得其内参矩阵为：                                                ，其中为横向归一化焦距，为纵向归一化焦距，（）是光学中心坐标；

将标定板放置在待测目标面积附近，用便携式设备上的CCD摄像头获取一张带有标定板的图像；通过空间角点位置和系统自动搜索到图像中角点的位置关系，可以计算出图像与空间的关系矩阵，即

便携式设备内嵌的软件根据第一步中已经求得的内参，利用RQ矩阵分解，自动将P矩阵分解出外参矩阵和内参矩阵，（特别说明，外参矩阵是用来表示相机位置与标定板位置之间相对关系的矩阵，因此每次变换角度拍摄图片后求得的外参矩阵都不相同）

通过第二步，求得外参矩阵为：，其中r是旋转矩阵，t是平移矩阵，是指相机坐标经过外参矩阵所示的旋转与平移，可以变成标定板所建立的坐标；

步骤二，CCD摄像头采集待测目标图像，获得待测目标图片；

步骤三，内嵌软件对所述待测目标图片进行图像处理，去除图像中的污迹、杂物干扰；

步骤四，进行待测目标面积轮廓空间坐标提取，将CCD摄像头拍摄到的待测目标图像进行预处理后，利用canny算子检测所述待测目标面积图片中的边缘轮廓，利用曲线拟合找到直线交点，得到所述标定物的图片角点坐标；

步骤五，待测目标面积图像特征提取：选取待测目标图像上的N个特征点，特征点需具有拐点代表性，并提取这所述目标特征点所述待测目标图像中的位置；

步骤六，将步骤五得到N个特征点在待测目标面积图像中的位置之后，采用CCD摄像头标定得到的摄像头参数，计算所获得的N个特征点的的位置坐标，利用几何知识，可以求得面积。

2.一种单目摄像头测面积系统，其特征在于，包括：

图像采集模块，用于利用拍摄装置对放置有标定物的目标面积进行拍照，得到所测目标图片；

图片处理模块，用于接收定点指令，并根据所述定点指令获取所述弯道照片中位于弯道侧边的特征点及对应的图片坐标；

相机标定模块，用于图像采集模块采集到的图像，通过标定物检测识别模块，得到图像中标定物方块角点在图像坐标中的位置，然后通过内外参数求解模块计算出相机的内外参数；

空间点重建模块，用于根据求解到的内外参数求出图像中的点对应的空间点的位置；

面积测量模块，用于在显示的待测面积图像上依次选取N个待测面积轮廓上的点，需要注意的是选取的点要大致能包围待测面积，根据N个点计算出待测目标面积。

3.根据权利要求2所述的单目摄像头测面积系统，其特征在于，还包括内参标定模块，所述内参标定模块用于在所述相机标定模块利用拍摄装置对放置有标定物的目标进行拍照，得到所测目标图片前，利用标定物对拍摄装置进行标定，得到所述拍摄装置的内参矩阵。