CN108629811B - 一种汽车环视全景的自动标定方法及系统 - Google Patents

一种汽车环视全景的自动标定方法及系统 Download PDF

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    • G06T2207/30252—Vehicle exterior; Vicinity of vehicle

Abstract

本发明公开一种汽车环视全景的自动标定方法及系统，涉及汽车驾驶辅助技术领域，本发明在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布；旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点获得旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，根据偏移量获得汽车环视全景图像；本发明不要求标定布严格摆放、量出摆放位置的尺寸、人工选取参考点；只需要将标定布放在指定位置的附近，可存在一定的偏差，就可以直接将环视全景的所有参数计算出来，有效地减少标定误差和标定效率。

Description

一种汽车环视全景的自动标定方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车驾驶辅助技术领域，尤其涉及一种汽车环视全景的自动标定方法及系统。
背景技术
随着计算机视觉技术的快速发展，越来越多的图像技术被应用到了汽车电子领域；360环视全景作为一种汽车驾驶辅助技术，可以提供汽车周围360度全方位的图像，不仅直观而且基本没有盲点；这种技术可以让驾驶员轻松掌握汽车周边的情况，有效减少刮蹭、碰撞、陷落等事故。
360环视全景的关键技术是标定方法，目前市面上已经有了很多种标定方法，使用的标定布或标定板都是各式各样的；但是这些方法标定过程都相对复杂，有的是手动选取参考点来标定，有的是要使用标尺把标定布或标定板之间的相对位置量出来，有的是要求标定布或标定板的摆放非常严格；这些方法都需要一个非常精确的操作过程，否则标定出来的结果存在很大的误差。
发明内容
本发明提供一种汽车环视全景的自动标定方法及系统，旨在减少人工参与的程度，有效地降低人工误差，增强容错能力。
为了实现上述目的，本发明提出一种汽车环视全景的自动标定方法，包括以下步骤：
在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布；
旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；
根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点；
以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像。
优选地，在步骤在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布之前，还包括：在汽车前、后、左、右设置摄像头，并获取摄像头内部参数。
优选地，在步骤在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布与步骤旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式之间，还包括：
分别标定汽车前、后、左、右摄像头相对于各自标定布的外部参数；
根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
优选地，所述的旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式，具体为：相对于其中一幅投影图像根据设置角度旋转其他投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式。
优选地，所述的棋盘格标定布，包括三个棋盘格，中间及左右各一个棋盘格；设置于汽车前后的标定布中左右两侧的棋盘格需设置于左右摄像头的拍摄范围内。
本发明还提出一种汽车环视全景的自动标定系统，包括设置于汽车前、后、左、右的摄像头，设置于汽车前、后、左、右的棋盘格标定布，还包括：投影图像处理单元、旋转矩阵获取单元、中心位置标定单元和图像拼接单元；
投影图像处理单元：用于旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
旋转矩阵获取单元：用于根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；
中心位置标定单元：用于根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点；以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
图像拼接单元：用于根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像。
优选地，所述的投影图像处理单元，还用于：根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
优选地，所述的棋盘格标定布，包括三个棋盘格，中间及左右各一个棋盘格；设置于汽车前后的标定布中左右两侧的棋盘格需设置于左右摄像头的拍摄范围内。
本发明提出的一种汽车环视全景的自动标定方法及系统，本发明不要求标定布的摆放非常严格，也不需要量出摆放位置的尺寸，更不需要人工选取参考点；只需要将标定布放在指定位置的附近，可以存在一定的偏差，该方法就可以直接将环视全景的所有参数计算出来，有效地减少标定误差和标定效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例中汽车环视全景的自动标定方法流程图；
图2为本发明一种实施例中标定布结构示意图；
图3为本发明一种实施例中标定布布置结构示意图；
图4为本发明一种实施例中投影图像旋转前示意图；
图5为本发明一种实施例中投影图像旋转后的分布模式示意图；
图6为本发明一种实施例中步骤S00流程图；
图7为本发明一种实施例中步骤S70和S80流程图；
图8为本发明一种实施例中汽车环视全景的自动标定系统结构示意图；
附图标记说明：
1-前摄像头图像；2-后摄像头图像；3-左摄像头图像；4-右摄像头图像；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种汽车环视全景的自动标定方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
本发明一种有选实施例中，如图6所示，在步骤S10之前，包括：
S00、在汽车前、后、左、右设置摄像头，并获取摄像头内部参数，摄像头的内参是已知的。
S10、在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布；
本发明实施例中，如图2所示，标定布有3个棋盘格，中间和两侧各有一个棋盘格；两侧棋盘格的距离要比汽车宽一些；棋盘格中单元格的尺寸是一样的，假设宽高都为L；如图3所示，汽车的前、后、左、右各摆放一张棋盘布；但在实际操作过程不要求严格摆放平整，可以存在一些偏差；唯一要求就是前和后摆放的标定布中，侧棋盘格必须能让左或者右摄像头拍摄到；
本发明一种有选实施例中，如图7所示，在步骤S10与步骤S20之前，还包括：
S70、分别标定汽车前、后、左、右摄像头相对于各自标定布的外部参数；
本发明实施例中，分别计算各个摄像头的外参，这个外参是相对于各自对应标定布的。假设前摄像头的外参矩阵为
Figure BDA0001619085330000041
后摄像头的外参矩阵为
Figure BDA0001619085330000042
左摄像头的外参矩阵为
Figure BDA0001619085330000043
右摄像头的外参矩阵为
Figure BDA0001619085330000044
S80、根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
S20、旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
本发明实施例中，旋转前投影图像如图4所示，前摄像头的投影图像不变；后摄像头的投影图像旋转180度；左摄像头的投影图像旋转270度；右摄像头的图像旋转90度，获得如图5所示分布模式。投影过程中可以得到各个摄像头在投影图像中的位置，记
Figure BDA0001619085330000045
分别是前、后、左、右摄像头在投影图像中的位置。经过了旋转之后，前摄像头的左侧棋盘格会出现在左摄像头投影图像的上部分；前摄像头的右侧棋盘格会出现在右摄像头投影图像的上部分；后摄像头的左侧棋盘格会出现在左摄像头投影图像的下部分；后摄像头的右侧棋盘格会出现在右摄像头投影图像的下部分。
S30、根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；
S301、获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度；
本发明实施例中，假设检测到的左棋盘格的点为PL＝{pl0,pl1,pl2,…,pln}，右棋盘格的点为PR＝{pr0,pr1,pr2,…,prn}，其中n为侧棋盘格的点数；则左侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000051
和右侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000052
可以计算为：
Figure BDA0001619085330000053
Figure BDA0001619085330000054
棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度θ:
Figure BDA0001619085330000055
通过以上方法就可以分别计算出以下的数据：
前摄像头投影图像中左侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000056
和旋转角度
Figure BDA0001619085330000057
右侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000058
和旋转角度
Figure BDA0001619085330000059
后摄像头投影图像中左侧棋盘格中心点
Figure BDA00016190853300000510
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000511
右侧棋盘格中心点
Figure BDA00016190853300000512
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000513
左摄像头的投影图像中前摄像头左侧棋盘格的中心点
Figure BDA00016190853300000514
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000515
左摄像头的投影图像中后摄像头左侧棋盘格的中心点
Figure BDA00016190853300000516
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000517
右摄像头的投影图像中前摄像头左侧棋盘格的中心点
Figure BDA00016190853300000518
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000519
右摄像头的投影图像中后摄像头左侧棋盘格的中心点
Figure BDA00016190853300000520
和旋转角度
Figure BDA00016190853300000521
S302、获得各个摄像头投影图像的旋转角度；
前摄像头的旋转角度θf：
Figure BDA00016190853300000522
后摄像头的旋转角度θb：
Figure BDA00016190853300000523
左摄像头的旋转角度θl：
Figure BDA00016190853300000524
右摄像头的旋转角度θr：
Figure BDA00016190853300000525
S303、获得各个摄像头投影图像的旋转矩阵
Figure BDA00016190853300000526
Figure BDA00016190853300000527
摄像头的外参则为：
Figure BDA00016190853300000528
S40、根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置
Figure BDA0001619085330000061
Figure BDA0001619085330000062
以及各侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000063
作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置
Figure BDA0001619085330000064
以及各侧棋盘格中心点
Figure BDA0001619085330000065
Figure BDA0001619085330000066
S50、以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
本发明实施例中，构建相对于左摄像头的地面坐标系，则各个摄像头的中心点换算为：
Figure BDA0001619085330000067
Figure BDA0001619085330000068
Figure BDA0001619085330000069
Figure BDA00016190853300000610
汽车在图像中的宽W：
Figure BDA00016190853300000611
汽车在图像中的高H：
Figure BDA00016190853300000612
汽车的中心位置
Figure BDA00016190853300000613
各个摄像头相对于中心的偏移量为
Figure BDA00016190853300000614
Figure BDA00016190853300000615
S60、根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像。
本发明实施例中，如图3所示，每个摄像头都拍摄对应的地面区域，那么根据Tk就可以得到各个摄像头的拍摄区域；再根据摄像头的内参和外参将各个摄像头的图像反投影到地面上；对两摄像头地面投影相交的区域作拼接即可实现全景拼接了。
本发明还提出一种汽车环视全景的自动标定系统；
本发明一种有选实施例中，该系统包括设置于汽车前、后、左、右的摄像头，设置于汽车前、后、左、右的棋盘格标定布，本发明实施例中标定布有3个棋盘格，中间和两侧各有一个棋盘格；两侧棋盘格的距离要比汽车宽一些；棋盘格中单元格的尺寸是一样的，假设宽高都为L；如图3所示，汽车的前、后、左、右各摆放一张棋盘布；但在实际操作过程不要求严格摆放平整，可以存在一些偏差；唯一要求就是前和后摆放的标定布中，侧棋盘格必须能让左或者右摄像头拍摄到；
本发明一种有选实施例中，如图8所示，系统还包括：投影图像处理单元、旋转矩阵获取单元、中心位置标定单元和图像拼接单元；
投影图像处理单元：用于旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
本发明实施例中，前摄像头的投影图像不变；后摄像头的投影图像旋转180度；左摄像头的投影图像旋转270度；右摄像头的图像旋转90度；投影过程中可以得到各个摄像头在投影图像中的位置，记
Figure BDA0001619085330000071
分别是前、后、左、右摄像头在投影图像中的位置。经过了旋转之后，前摄像头的左侧棋盘格会出现在左摄像头投影图像的上部分；前摄像头的右侧棋盘格会出现在右摄像头投影图像的上部分；后摄像头的左侧棋盘格会出现在左摄像头投影图像的下部分；后摄像头的右侧棋盘格会出现在右摄像头投影图像的下部分。
旋转矩阵获取单元：用于根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；具体计算过程在上文中已经阐述，此处不再复述；
中心位置标定单元：用于根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点；以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；具体计算过程在上文中已经阐述，此处不再复述；
图像拼接单元：用于根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像。
本发明一种有选实施例中，投影图像处理单元还用于：根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
综上所述，本发明中的方法可以自动将汽车环视全景所需要的参数计算出来，减少了人工参与的程度，有效地降低了人工误差，容错能力更加强。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种汽车环视全景的自动标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布；
旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；
根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点；
以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像；
其中，以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置的具体方法如下：
根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置
Figure FDA0003026363600000011
Figure FDA0003026363600000012
以及各侧棋盘格中心点
Figure FDA0003026363600000013
作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置
Figure FDA0003026363600000014
以及各侧棋盘格中心点
Figure FDA0003026363600000015
Figure FDA0003026363600000016
以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
构建相对于左摄像头的地面坐标系，则各个摄像头的中心点换算为：
Figure FDA0003026363600000017
Figure FDA0003026363600000018
Figure FDA0003026363600000019
Figure FDA00030263636000000110
Figure FDA00030263636000000111
2.根据权利要求1所述的汽车环视全景的自动标定方法，其特征在于，在步骤在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布之前，还包括：在汽车前、后、左、右设置摄像头，并获取摄像头内部参数。
3.根据权利要求1所述的汽车环视全景的自动标定方法，其特征在于，在步骤在汽车前、后、左、右分别设置棋盘格标定布与步骤旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式之间，还包括：
分别标定汽车前、后、左、右摄像头相对于各自标定布的外部参数；
根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
4.根据权利要求1所述的汽车环视全景的自动标定方法，其特征在于，所述的旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式，具体为：相对于其中一幅投影图像根据设置角度旋转其他投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式。
5.根据权利要求1所述的汽车环视全景的自动标定方法，其特征在于，所述的棋盘格标定布，包括三个棋盘格，中间及左右各一个棋盘格；设置于汽车前后的标定布中左右两侧的棋盘格需设置于左右摄像头的拍摄范围内。
6.一种汽车环视全景的自动标定系统，包括设置于汽车前、后、左、右的摄像头，设置于汽车前、后、左、右的棋盘格标定布，其特征在于，还包括：投影图像处理单元、旋转矩阵获取单元、中心位置标定单元和图像拼接单元；
投影图像处理单元：用于旋转各摄像头的投影图像，以构成各投影图像环绕汽车的分布模式；
旋转矩阵获取单元：用于根据各投影图像中对应标定布的左右两侧棋盘格中心点，获得各棋盘格相对于投影图像坐标系的旋转角度，进而获得各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵；
中心位置标定单元：用于根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置以及各侧棋盘格中心点；以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
图像拼接单元：用于根据上述偏移量对各摄像头拍摄图像中重叠区域进行拼接，获得汽车环视全景图像；
其中，以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置的具体方法如下：
根据各摄像头相对于投影图像坐标系的旋转矩阵，对各个摄像头的中心坐标位置
Figure FDA0003026363600000031
Figure FDA0003026363600000032
以及各侧棋盘格中心点
Figure FDA0003026363600000033
作旋转变换，获得新的各个摄像头的中心坐标位置
Figure FDA0003026363600000034
以及各侧棋盘格中心点
Figure FDA0003026363600000035
Figure FDA0003026363600000036
以其中一个摄像头的中心坐标位置为基准构建地面坐标系，获得各摄像头相对于地面坐标系的中心坐标位置和汽车在地面坐标系的中心位置，进而确定各个摄像头相对于汽车中心位置的偏移量；
构建相对于左摄像头的地面坐标系，则各个摄像头的中心点换算为：
Figure FDA0003026363600000037
Figure FDA0003026363600000038
Figure FDA0003026363600000039
Figure FDA00030263636000000310
Figure FDA00030263636000000311
7.根据权利要求6所述的汽车环视全景的自动标定系统，其特征在于，所述的投影图像处理单元，还用于：根据摄像头的内部参数和外部参数，分别将各摄像头拍摄的图像投影到地面相对坐标系中，获得各投影图像并确定各摄像头在对应投影图像中的中心坐标位置。
8.根据权利要求6所述的汽车环视全景的自动标定系统，其特征在于，所述的棋盘格标定布，包括三个棋盘格，中间及左右各一个棋盘格；设置于汽车前后的标定布中左右两侧的棋盘格需设置于左右摄像头的拍摄范围内。
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