CN109696122A - 利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置 - Google Patents

利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置 Download PDF

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Abstract

一种利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置。此方法利用鱼眼镜头获取包括一物体的鱼眼影像，接着检测此物体在鱼眼影像中的坐标，并根据此坐标计算物体在鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于鱼眼影像的鱼眼中心的方位角，之后利用鱼眼镜头的镜头曲线，将所述坐标与鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角，并根据物体在鱼眼影像中朝向鱼眼中心方向上的宽度，计算物体与鱼眼镜头之间的距离，最后根据所述方位角、入射角以及距离，利用三角函数计算物体的三维坐标。藉此，可在不进行几何转换的情况下，实现所摄物体的三维坐标计算。

Description

利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置
技术领域
本发明涉及一种影像获取装置及方法，尤其涉及一种利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置。
背景技术
游戏机是现代人家庭娱乐不可或缺的电子产品之一。为了增加玩家与游戏内容的互动，许多游戏机已摒除传统手把的控制模式，加入了体感检测的元素。通过红外线等感测器检测使用者于空间中的移动或动作，并反应于游戏内容的操控，而大幅增加游戏的娱乐性。
除了早期的红外线感测定位技术之外，近期的游戏机还导入了光球检测技术，当使用者手持光球遥杆在空间中挥舞时，游戏机会通过配置其上的双镜头拍摄光球的影像，并根据光球在影像中的位置计算光球在空间中的位置。
然而，由于传统镜头的视野(field of view，FOV)有限，此将使得上述双镜头的拍摄范围受到限制，连带使得使用者的移动空间也受到限制。而若将此镜头替换成视野较广的鱼眼镜头，则因为鱼眼镜头所获取的影像会有变形，需要进行鱼眼校正后才能用来定位，但校正过程需要经过几何转换(geometry transformation)，此将降低视讯影像的管线期间(pipeline duration)，而有可能需要通过增加图框率(frame rate)来解决。
发明内容
本发明提供一种利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置，可在不进行几何转换的情况下，使用鱼眼影像计算出物体于空间中的三维坐标。
本发明的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法，适用于具有鱼眼镜头的影像获取装置。所述方法是利用鱼眼镜头获取包括一物体的鱼眼影像，接着检测此物体在鱼眼影像中的坐标，而根据此坐标，计算物体在鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于鱼眼影像的鱼眼中心的方位角，之后则利用鱼眼镜头的镜头曲线，将所述坐标与鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角，并根据所述物体在鱼眼影像中朝向所述鱼眼中心的方向上的宽度，计算物体与鱼眼镜头之间的距离，最后则根据所述方位角、入射角以及距离，利用三角函数计算物体的三维坐标。
在本发明的一实施例中，所述物体包括发光装置，而检测物体在鱼眼影像中的坐标的步骤包括检测鱼眼影像中亮度或颜色分量大于预设值的多个像素，而以这些像素所形成区域的中心或重心在鱼眼影像中的坐标作为所述坐标。
本发明的影像获取装置包括鱼眼镜头、储存装置及处理器。其中，储存装置是用以储存多个模块。处理器耦接鱼眼镜头及储存装置，用以存取并执行储存于储存装置中的多个模块。这些模块包括影像获取模块、物体检测模块、方位角计算模块、入射角计算模块、距离计算模块及坐标计算模块。影像获取模块是利用鱼眼镜头获取包括一物体的鱼眼影像。物体检测模块是检测所述物体在鱼眼影像中的坐标。方位角计算模块是根据所述坐标，计算物体在鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于鱼眼影像的鱼眼中心的方位角。入射角计算模块是利用鱼眼镜头的镜头曲线，将所述坐标与鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角。距离计算模块是根据所述物体在鱼眼影像中朝向鱼眼中心的方向上的宽度，计算此物体与鱼眼镜头之间的距离。坐标计算模块是根据所述的方位角、入射角以及距离，利用三角函数计算所述物体的三维坐标。
在本发明的一实施例中，所述的物体包括发光装置，而所述物体检测模块包括检测鱼眼影像中亮度或颜色分量大于预设值的多个像素，而以这些像素所形成区域的中心或重心在鱼眼影像中的坐标作为所述坐标。
在本发明的一实施例中，所述物体所发出的光在鱼眼镜头上的入射角与此光在鱼眼镜头的影像感测器上的投影半径呈正比。
在本发明的一实施例中，假设所述物体在鱼眼影像中的宽度为wT、此物体的实际宽度为WT、鱼眼影像的影像宽度为WI、鱼眼镜头的视野(Field of View，FOV)为F，则所述物体与鱼眼镜头之间的距离r为：
在本发明的一实施例中，假设所述方位角为所述入射角为θ以及所述距离为r，所述物体的三维坐标为(x,y,z)，其中
以及
z＝rsinθ。
基于上述，本发明的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置利用双鱼眼镜头获取物体影像，在不进行几何转换的情况，直接使用物体在鱼眼影像中的坐标计算由物体发射的光在鱼眼镜头上的入射角以及在镜头平面上的方位角，并根据物体在鱼眼影像中的宽度估测物体与鱼眼镜头的距离，最后利用三角函数计算该物体在空间中的三维坐标。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明一实施例所示的影像获取装置的方块图。
图2是依照本发明一实施例所示的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法的流程图。
图3A是依照本发明一实施例所示的物体在鱼眼镜头的投影半径与入射角的关系示意图。
图3B是依照本发明一实施例所示的物体在鱼眼影像中的位置与方位角的关系示意图。
图4A及图4B是依照本发明一实施例所示的所摄物体通过鱼眼镜头成像的示意图。
图5是依照本发明一实施例所示的计算物体三维坐标的示意图。
符号说明：
10：影像获取装置；
12：鱼眼镜头；
14：储存装置；
141：影像获取模块；
142：物体检测模块；
143：方位角计算模块；
144：入射角计算模块；
145：距离计算模块；
146：坐标计算模块；
16：处理器；
32、42：鱼眼镜头；
34、44：影像感测器；
36、40：鱼眼影像；
W：物体T的原始宽度；
w：物体T’的宽度；
θ：入射角；
方位角；
O：鱼眼中心；
P：投影点；
R：有效投影平径；
r：投影平径；
T：物体；
T’：鱼眼影像中的物体；
M：P点在水平轴线上的投影点；
S202～S212：本发明一实施例的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法步骤。
具体实施方式
由于鱼眼镜头采用等距镜头(Equi-Distance lens)，其自物体(例如光球)接收的光的入射角会与此光在影像感测器上的投影半径呈近乎线性的关系。据此，本发明即通过检测物体在鱼眼影像中的位置，利用上述关系反推物体发光的入射角，并取得物体在镜头平面上的方位角。另一方面，本发明还依据物体在鱼眼影像中的宽度，进一步推算物体与鱼眼镜头之间的距离，最终依据所计算的距离及入射角与方位角，即可利用三角函数计算出物体于空间中的三维坐标。藉此，本发明可在增加拍摄视野且不进行几何转换的情况下，实现所摄物体的三维坐标计算。
图1是依照本发明一实施例所示的影像获取装置的方块图。请参照图1，本实施例的影像获取装置10例如是手机、平板电脑、笔记本电脑、导航装置、行车记录器、数码相机、数码摄影机(Digital video camcorder，DVC)等具备摄像功能的电子装置。影像获取装置10中包括鱼眼镜头12、储存装置14及处理器16，其功能分述如下：
鱼眼镜头12包括镜头及影像感测器，其中所述镜头是采用视角接近、等于或超过180度的定焦或变焦镜头，其可使得位于其视野(Field of View，FOV)内的被摄物体成像在影像感测器上。影像感测器中配置有电荷耦合元件(Charge coupled device，CCD)、互补性氧化金属半导体(Complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)元件或其他种类的感光元件，而可感测进入镜头的光线强度，从而获取影像信号以产生鱼眼影像。
储存装置14例如是任何型态的固定式或可移动式随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、快闪存储器(flash memory)或类似元件或上述元件的组合。在本实施例中，储存装置14用以记录影像获取模块141、物体检测模块142、方位角计算模块143、入射角计算模块144、距离计算模块145及坐标计算模块146，这些模块例如是储存在储存装置14中的程序。
处理器16例如是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuits，ASIC)、可程序化逻辑装置(Programmable Logic Device，PLD)或其他类似装置或这些装置的组合。处理器16连接鱼眼镜头12及储存装置14，而配置用以从储存装置14载入影像获取模块141、物体检测模块142、方位角计算模块143、入射角计算模块144、距离计算模块145及坐标计算模块146的程序，据以执行本申请利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法。
详言之，图2是依照本发明一实施例所示的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法的流程图。请同时参照图1及图2，本实施例的方法适用于图1的影像获取装置10，以下即搭配影像获取装置10中的各项元件说明本案的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法的详细步骤。
首先，处理器16执行影像获取模块141，以利用鱼眼镜头12获取包括一物体的鱼眼影像(步骤S202)。其中，所述物体例如是白色、蓝色、红色、绿色或其他易辨识颜色的光球，其例如是配置在遥杆、遥控器、虚拟实境的头戴式显示器、头盔或是手环、手表等可穿戴式装置上，而可通过发出白光或其他颜色的光，让影像获取装置10可辨识出手持或配戴此物体的使用者的动作。
接着，处理器16执行物体检测模块142，以检测物体在鱼眼影像中的坐标(步骤S204)。其中，物体检测模块142例如会检测鱼眼影像中亮度或某一颜色分量大于预设值的多个像素，而以这些像素所形成区域的中心或重心在鱼眼影像中的坐标作为所述的坐标。
详言之，若所述物体为光球，则此物体在鱼眼影像中将以亮度较高或某一颜色分量较高的圆形(或椭圆形)区域呈现，因此，物体检测模块142即通过将鱼眼影像中各个像素的亮度值与预设值比较，以检测出物体(白色光球)，或是将鱼眼影像中各个像素的某个颜色分量(例如R、G、B)的像素值(例如蓝色分量的像素值)与预设值比较，以检测出具有该颜色的物体(例如蓝色光球)。另一方面，鱼眼镜头所拍摄的物体，会依其偏离鱼眼中心的距离而产生不同程度的形变(例如圆形的光球会变成椭圆形)，因此，在确定物体于鱼眼影像中的坐标时，物体检测模块142例如会计算此物体的中心(例如范围可涵括此物体的最小矩形的中心)或重心，而以此中心或重心在鱼眼影像中的坐标作为物体的坐标。
然后，处理器16执行方位角计算模块143，以根据所述坐标，计算物体在鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于鱼眼影像的鱼眼中心的方位角(步骤S206)。此外，处理器16还会执行入射角计算模块144，以利用鱼眼镜头12的镜头曲线，将前述坐标与鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角(步骤S208)。其中，处理器16执行的顺序并不限于上述的步骤S206、步骤S208，也可先执行步骤S208、再执行步骤S206，或同时执行。
鱼眼镜头12所拍摄物体在其影像感测器平面上的投影半径，会依据其镜头曲线而有不同。在一实施例中，若鱼眼镜头12是采用等距镜头，则其所接收光的入射角会与此光在影像感测器上的投影半径呈近乎线性的关系。意即，由物体所发出的光在鱼眼镜头12上的入射角与此光在鱼眼镜头12的影像感测器上的投影半径呈正比。而在另一实施例中，鱼眼镜头12所接收光的入射角与此光在影像感测器上的投影半径彼此间也可具有多项式函数的关系，此关系可通过预先取得镜头曲线，或预先测定不同角度入射光在影像感测器上的投影半径，而预先取得。
举例来说，图3A是依照本发明一实施例所示的物体在鱼眼镜头的投影半径与入射角的关系示意图，图3B是依照本发明一实施例所示的物体在鱼眼影像中的位置与方位角的关系示意图。请先参照图3A，由物体T所发出的光例如是以入射角θ入射鱼眼镜头32，并经由鱼眼镜头32的折射，在影像感测器34所在的影像感测器平面上与鱼眼中心O的距离为投影平径r的位置上成像。其中，鱼眼镜头32在影像感测器平面上的有效投影平径为R。根据鱼眼镜头32的镜头曲线，前述的入射角θ与投影平径r的关系例如为θ＝k·r，其中k为常数且可预先测得。藉此，若使用此鱼眼镜头32拍摄任意物体，即可依据该物体在所拍摄鱼眼影像中的位置，利用上述关系反推由此物体发光的入射角θ。另一方面，请参照图3B，依据物体T’在鱼眼影像36中的位置，即可以贯穿鱼眼影像36的鱼眼中心O的x轴为基准，计算出物体T’相对于鱼眼中心O的方位角
此外，处理器16执行距离计算模块145，以根据物体在鱼眼影像中朝向鱼眼中心的方向上的宽度，计算物体与鱼眼镜头之间的距离(步骤S210)。详言之，如前所述，鱼眼镜头12所拍摄的物体，会依其偏离鱼眼中心的距离不同而产生不同程度的形变(例如圆形的光球会变成椭圆形)，偏离鱼眼中心的距离愈远，形变的程度也愈严重。本发明实施例即依据此特性，根据鱼眼影像中所摄物体形变后的宽度，推算该物体与鱼眼镜头12之间的距离。
举例来说，图4A及图4B是依照本发明一实施例所示的所摄物体通过鱼眼镜头成像的示意图。请参照图4A，由物体T发出的光在经由鱼眼镜头42折射后，会在影像感测器44上成像。其中，假设物体T的原始宽度为W，经由鱼眼镜头42折射，在影像感测器44上成像的宽度将变成w。图4B即示出由影像感测器44所获取的物体T的鱼眼影像40，其中物体T’即是物体T投射在影像感测器44上的成像，而由于鱼眼镜头42的特性是，偏离鱼眼中心O的距离愈远，物体形变的程度也愈高，因此物体T’的形状已变成图中所示的椭圆形，且物体T’在鱼眼影像40中朝向鱼眼中心O的方向上的宽度w可用以计算物体T与鱼眼镜头42之间的距离。
详言之，在一实施例中，假设物体在鱼眼影像中的的宽度为wT、物体的实际宽度为WT、鱼眼影像的影像宽度为WI、鱼眼镜头的视野(Field of View，FOV)为F，则物体与鱼眼镜头之间的距离r为：
举例来说，表1列示利用鱼眼镜头拍摄放置在不同距离的物体的鱼眼影像时，该物体在鱼眼影像中的宽度(像素)与距离的关系。其中，物体1为直径1厘米的光球、物体2为直径5厘米的光球，鱼眼镜头所拍摄的鱼眼影像的影像宽度为864像素，且鱼眼镜头的视野为187度。
距离(厘米) 物体1宽度(像素) 物体2宽度(像素)
100 2.64724885 13.23624425
90 2.941387611 14.70693806
80 3.309061063 16.54530531
70 3.781784072 18.90892036
60 4.412081417 22.06040709
50 5.2944977 26.4724885
40 6.618122126 33.09061063
30 8.824162834 44.12081417
20 13.23624425 66.18122126
10 26.4724885 132.3624425
5 52.944977 264.724885
以拍摄距离100厘米的物体2为例，此物体2在所拍摄鱼眼影像中的宽度为13.23624425像素。将上述参数导入公式(1)后，可算出物体2与鱼眼镜头之间的距离r为：
在计算出物体的方位角、入射角以及与鱼眼镜头的距离之后，处理器16即执行坐标计算模块146，而根据前述的方位角、入射角以及距离，利用三角函数计算物体的三维坐标(步骤S212)。
详言之，图5是依照本发明一实施例所示的计算物体三维坐标的示意图。请参照图5，假设O是鱼眼镜头的鱼眼中心，P点是物体T在镜头平面上的投影点，物体T与鱼眼中心O之间的距离为r。其中，线段为线段在镜头平面上的投影线，线段与线段之间的夹角θ可视为物体T的发光入射于鱼眼镜头的入射角；线段为线段在水平轴线上的投影线，而线段与线段之间的夹角则可视为物体T相对于鱼眼中心O的方位角。
基于前述的方位角入射角θ以及距离r，物体T的三维坐标为(x,y,z)可利用下列公式推得：
通过上述方法，本实施例的影像获取装置10即可在不进行鱼眼校正的情况下，实现所摄物体的三维坐标计算，且其所拍摄范围相较于传统镜头更广。
综上所述，本发明的利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法及影像获取装置依据物体在双鱼眼镜头所拍摄影像中的位置，分别计算出物体发光进入鱼眼镜头的入射角以及物体在镜头平面上的方位角，并根据物体在鱼眼影像中的宽度估算物体与鱼眼镜头的距离，最终利用三角函数计算出物体于空间中的三维坐标。藉此，本发明实施例可在不进行几何转换的情况下，实现所摄物体的三维坐标计算，且可在增加检测范围的同时，减少检测物体所需的运算量。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种利用鱼眼影像计算所摄物体坐标的方法，适用于具有鱼眼镜头的影像获取装置，所述方法包括下列步骤：
利用所述鱼眼镜头获取包括物体的鱼眼影像；
检测所述物体在所述鱼眼影像中的坐标；
根据所述坐标，计算所述物体在所述鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于所述鱼眼影像的鱼眼中心的方位角；
利用所述鱼眼镜头的镜头曲线，将所述坐标与所述鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角；
根据所述物体在所述鱼眼影像中朝向所述鱼眼中心的方向上的宽度，计算所述物体与所述鱼眼镜头之间的距离；以及
根据所述方位角、所述入射角以及所述距离，利用三角函数计算所述物体的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体包括发光装置，而检测所述物体在所述鱼眼影像中的所述坐标的步骤包括：
检测所述鱼眼影像中亮度或颜色分量大于预设值的多个像素，而以所述像素所形成区域的中心或重心在所述鱼眼影像中的坐标作为所述坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述物体所发出的光在所述鱼眼镜头上的入射角与所述光在所述鱼眼镜头的影像感测器上的投影半径呈正比。
4.根据权利要求1所述的方法，其中假设所述物体在所述鱼眼影像中的所述宽度为wT、所述物体的实际宽度为WT、所述鱼眼影像的影像宽度为WI、所述鱼眼镜头的视野为F，则所述物体与所述鱼眼镜头之间的距离r为：
5.根据权利要求1所述的方法，其中假设所述方位角为所述入射角为θ以及所述距离为r，所述物体的三维坐标为(x,y,z)，其中
以及
z＝rsinθ。
6.一种影像获取装置，包括：
影像获取模块，利用鱼眼镜头获取包括物体的鱼眼影像；
物体检测模块，检测所述物体在所述鱼眼影像中的坐标；
方位角计算模块，根据所述坐标，计算所述物体在所述鱼眼镜头的影像感测器平面上相对于所述鱼眼影像的鱼眼中心的方位角；
入射角计算模块，利用所述鱼眼镜头的镜头曲线，分别将所述坐标与所述鱼眼影像的鱼眼中心的距离转换为入射角；
距离计算模块，根据所述物体在所述鱼眼影像中朝向所述鱼眼中心的方向上的宽度，计算所述物体与所述鱼眼镜头之间的距离；以及
坐标计算模块，根据所述方位角、所述入射角以及所述距离，利用三角函数计算所述物体的三维坐标。
7.根据权利要求6所述的影像获取装置，其中所述物体包括发光装置，而所述物体检测模块包括检测所述鱼眼影像中亮度或颜色分量大于预设值的多个像素，而以所述像素所形成区域的中心或重心在所述鱼眼影像中的坐标作为所述坐标。
8.根据权利要求7所述的影像获取装置，其中所述物体所发出的光在所述鱼眼镜头上的入射角与所述光在所述鱼眼镜头的影像感测器上的投影半径呈正比。
9.根据权利要求6所述的影像获取装置，其中假设所述物体在所述鱼眼影像中的所述宽度为wT、所述物体的实际宽度为WT、所述鱼眼影像的影像宽度为WI、所述鱼眼镜头的视野为F，则所述物体与所述鱼眼镜头之间的距离r为：
10.根据权利要求6所述的影像获取装置，其中假设所述方位角为所述入射角为θ以及所述距离为r，所述物体的三维坐标为(x,y,z)，其中
以及
z＝rsinθ。
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