CN110030928A - 基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法和系统 - Google Patents

基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法和系统，本发明所述方法依据投影几何的投影比例原理，通过确定已知对比物的物像比例关系计算目标的实际尺寸和空间位置，本发明命名此方法为“物像关系比例法”。本发明所述系统包括图像采集平台和数据处理平台，其中图像采集平台包括相机或摄像机；数据处理平台包括电脑和软件，软件包括图像处理软件和依据本方法设计的相应计算公式。本发明所述方法首先采集对比物的物理尺寸参数并对相机进行标定取得相机焦距f，将上述参数输入参数库；采集平台采集图像或视频，数据处理平台计算对比物的物像关系比例；依据物像关系比例计算目标的相应物理尺寸并定位目标的三维空间位置。

Description

基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法和系统
技术领域
本发明属于计算机视觉技术领域，涉及一种基于计算机视觉技术的三维空间物体定位和测量的方法和系统。
背景技术
基于图像和视频的三维空间物体定位和测量方式，目前基本分为单目视觉、双目视觉、结构光镜头和TOF(Time of Flight)景深镜头。双目视觉测量存在图像配准难题；而单目视觉在测量上又分为基于投影几何交比不变原理的未标定相机测量技术和基于相机标定的测量技术，两者都需要辅助的三维场景信息（如：提取一组平行线计算某个维度的隐消点，设置参考长度提供计算参量，或对场地进行标定）；结构光镜头和TOF景深镜头都是通过对目标发射和接受反馈光线确定物体景深，存在障碍物即无法有效工作、目前的技术工作范围较小、对运动物体效果较差。综上，目前的测量方法都存在一定的问题，在应用上或者受到设备本身的制约或者受到场景的制约，限制条件较多、存在较大的局限性。
发明内容
本发明提出了基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法和系统，本发明所述方法依据投影几何的投影比例原理，通过确定已知对比物或目标物体的物像关系比例λ计算目标的实际尺寸和空间位置，本发明命名此方法为“物像关系比例法”。现实生活中，由于工业化的生产，标准化的物体尺寸随处可见，故此“物像关系比例法”具备广泛的应用价值和广泛的应用领域。
本发明所述系统包括图像采集平台和数据处理平台。其中图像采集平台包括相机或摄像机，数据处理平台包括电脑和软件，软件包括图像处理软件和依据本方法设计的相应计算公式。本发明所述方法首先采集对比物或目标物体的物理尺寸参数并对相机进行标定取得相机焦距f，将上述参数输入参数库；采集平台采集图像或视频，数据处理平台计算对比物的物像关系比例λ；依据物像关系比例λ计算目标的相应物理尺寸并定位目标的空间位置。
本发明所述系统运行如下：
获取测量场景中的任一相应刚性对比物物理参数如：电线杆长度，垃圾箱的尺寸、窨井盖的直径、地面斑马线的宽度长度、地砖的长宽等，获取相机焦距f；参数预输入数据处理平台。
依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；所以有等式（1）：AB/OC=AOc/OOc=PB/pC=Xc/x=Yc/y=Zc/f,其中f=OOc;
计算对比物体物理尺寸与其在图像坐标系中的图像尺寸的比例，即本发明所述“物像关系比例”λ；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体在图像坐标系中的图像尺寸，可得目标物体物理尺寸；
由等式（1），依据物像关系比例λ*相机焦距f，可得相机镜头与目标物体所在近似平面的距离Zc；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标x，可得目标物体的相机坐标系坐标Xc;
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标y,可得目标物体的相机坐标系坐标Yc;
由Xc，Yc，Zc，可得相机镜头到目标物体的直线距离算式（1）：L=；
2、采集平台采集视频或者图像，输入数据处理平台；
3、数据平台处理。使用dsst检测追踪软件跟踪目标物体并框定，提取图像中目标物体的跟踪框的宽、高任一图像值；
提取图像中任一已知对比物刚性不变物理尺寸，除该对比物在图像中的对应的部分的图像尺寸，计算出物像比例λ；以物像关系比例λ乘以目标物体图像尺寸，可以测量出与该对比物体处于同一平面或近似平面的目标物体的物理尺寸；
以物像关系比例λ分别乘以目标物体在像平面的高点坐标(x，y)，即可得到目标物体的相机坐标系坐标Xc，Yc；
物像关系比例λ乘以相机焦距f，可得到相机与目标物体所在近似平面的垂直直线距离值Zc---即确定目标物体所在近似平面，再根据勾股定理依据Xc、Yc、Zc的值可得目标物体距离相机的直线距离值算式（1）:L=。
附图说明：
图1为本发明的方法和系统运行框图
图2为物像关系比例图
图3像素坐标与图像坐标关系图
具体实施方式：
下面将参照附图描述本公开的多项实施例。虽然本公开有多项实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的多项实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1，本发明所述系统包括图像采集平台和数据处理平台。其中相机或摄像机为图像采集平台，
数据处理平台由电脑和软件组成，软件包括图像处理软件和依据本方法设计的相应计算软件；数据处理平台包括检测跟踪模块和测量模块；采集平台和数据处理平台的连接方式包括有线和无线两种。
本系统运行的必要条件为预先取得计算的定值参数，定值参数包括相机的焦距f，场景中任一刚性不变物理参数如：垃圾箱的长、宽、高任一尺寸。
参照图2，依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；
所以有等式（1）：AB/OC=AOc/OOc=PB/pC=Xc/x=Yc/y=Zc/f,其中f=OOc;
计算目标物体或对比物体物理尺寸与其在图像坐标系中的图像尺寸的比例，即本发明所述“物像关系比例”λ；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体在图像坐标系中的图像尺寸，可得目标物体物理尺寸；
由等式（1），依据物像关系比例λ*相机焦距f，可得相机镜头与目标物体所在近似平面的距离Zc；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标x，可得目标物体的相机坐标系坐标Xc;
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标y,可得目标物体的相机坐标系坐标Yc；
由Xc，Yc，Zc，可得相机镜头到目标物体的直线距离值，算式（1）：L=；
实施例一：单目固定相机对空中移动目标的三维坐标测量、定位，如：飞碟；
测量条件：标定相机，取得相机焦距f，外参数旋转矩阵R和平移向量T，测量目标飞碟的直径物理尺寸，相机平行于地面；
参照图2，依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；
所以有等式（1）：AB/OC=AOc/OOc=PB/PC=Xc/x=Yc/y=Zc/f,其中f=OOc;
计算目标物体飞碟物理尺寸直径与其在图像坐标系中直径的图像尺寸的比例，即本发明所述“物像关系比例”λ；
由等式（1）可知，目标物体图像尺寸可得，目标物体物理尺寸已知，依据前述等式即可获得Zc值---镜头到目标物体所在近似平面距离；
检测跟踪模块：
数据处理平台调用采集平台，运用dsst检测跟踪算法实时检测跟踪目标飞碟；
提取目标飞碟清晰画面一帧或多帧；
提取图像中目标飞碟直径尺寸参数；
测量模块：
将上述参数输入测量模块；
计算物像关系比例λ—目标飞碟直径物理尺寸除图像中目标飞碟的图像直径尺寸；
计算目标飞碟三维坐标—将上述物像关系比例λ乘以相机焦距f，得到相机与目标飞碟所在平面的距离Zc，即目标飞碟的相机坐标系坐标Zc；
将上述物像关系比例λ乘以目标飞碟在图像中的坐标x，得到目标飞碟的相机坐标系坐标Xc；
将上述物像关系比例λ乘以目标飞碟在图像中的坐标y，得到目标飞碟的相机坐标系坐标Yc，目标飞碟的实际距离地面高度；
将上述Xc、Yc、Zc值根据勾股定理计算，算式（1）：L=得到目标飞碟到相机的直线距离L；通过算式（2）： 将相机坐标（Xc,Yc,Zc）转换为世界坐标系坐标（Xw,Yw,Zw）。
实施例二：单目固定相机对高空目标的高度、距离及速度测定，如：飞机；
测量条件：已知相机焦距f和相机于地面仰角ɑ，测量目标飞机的直径或长度物理尺寸；
参照图2，依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；
所以有等式（1）：AB/OC=AOc/OOc=PB/PC=Xc/x=Yc/y=Zc/f,其中f=OOc;
计算目标物体或对比物体物理尺寸与其在图像坐标系中的图像尺寸的比例，即本发明所述“物像关系比例” λ；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体在图像坐标系中的图像尺寸，可得目标物体物理尺寸；
由等式（1），依据物像关系比例λ*相机焦距f，可得相机镜头与目标物体所在近似平面的距离Zc；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标x，可得目标物体的相机坐标系坐标Xc;
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标y,可得目标物体的相机坐标系坐标Yc;
由Xc，Yc，Zc，可得相机镜头到目标物体的直线距离值，算式（1）：L=；
检测跟踪模块：
数据处理平台调用采集平台，运用dsst检测跟踪算法实时检测跟踪目标飞机；
提取目标飞机清晰画面帧一帧或多帧，根据捕捉到的飞机图像决定；
提取图像中目标飞机直径或者长度尺寸参数；
测量模块：
将上述参数输入测量模块；
计算物像关系比例λ—目标飞机的物理尺寸除图像中目标飞机的图像尺寸；
计算目标飞机距地面高度及到观测点距离—将上述物像比例λ乘以相机焦距f，得到相机与目标飞机所在近似平面的距离Zc；
将上述物像关系比例λ乘以目标飞机在图像中的坐标x，得到目标飞机的相机坐标系坐标Xc；
将上述Zc、Xc、Yc值根据勾股定理计算，算式（1）：L=得到目标飞机到相机的直线距离L，即目标飞机距离观测点的直线距离；
据上述Zc值及仰角ɑ，可得飞机距地面高度H=Zc*sinɑ+相机距离地面高度；
依据时间序列提取的相邻两帧或多帧画面，计算目标飞机在图像上的横向移动距离x，将上述物像比例λ乘以x即得到在此时间单位里的飞机真实移动距离，除此单位时间即飞机在此单位时间内的移动速度。
实施例三：单目移动相机对移动目标的高度测定，如：行人；
测量条件：测量目标行人参数未知；已知相机焦距f，场景中有已知公交站牌或广告牌等类似刚性对比物且已知任一长宽物理参数，相机平行于地面；
参照图2，依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；
所以有等式（1）：AB/OC=AOc/OOc=PB/pC=Xc/X=Yc/Y=Zc/f,其中f=OOc;
计算目标物体或对比物体物理尺寸与其在图像坐标系中的图像尺寸的比例，即本发明所述“物像关系比例” λ；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体在图像坐标系中的图像尺寸，可得目标物体物理尺寸；
由等式（1），依据物像关系比例λ*相机焦距f，可得相机镜头与目标物体所在近似平面的距离Zc；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标x，可得目标物体的相机坐标系坐标Xc;
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标y,可得目标物体的相机坐标系坐标Yc;
由Xc，Yc，Zc，可得相机镜头到目标物体的直线距离值，算式（1）：L=；
检测跟踪模块：
数据处理平台调用采集平台，运用dsst检测跟踪算法实时检测跟踪目标行人；
提取目标行人与任一刚体对比物平行或近平行清晰画面一帧或多帧；
提取图像中目标行人站姿高度尺寸和任一刚体对比物如广告牌的高度尺寸；
测量模块：
将上述参数输入测量模块；
计算物像关系比例λ—任一刚性对比物如广告牌对应的长或宽物理尺寸除图像中任一刚性对比物如广告牌长或宽的图像尺寸，取得物像关系比例λ；
计算目标行人高度—将上述物像关系比例λ乘以目标行人在图像中的坐标y，即得到目标行人的高度。
对于本发明的系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的较佳实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括较佳实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于计算机视觉的空间物体定位和测量的方法，其特征在于，包括：采集对比物或目标物体的物理尺寸参数并对相机进行标定取得相机焦距f，将上述参数输入数据处理平台参数库；采集平台采集图像或视频，数据处理平台计算对比物的物像关系比例λ；依据前述物像关系比例λ计算目标的相应物理尺寸并定位目标的空间位置；
其中，物像关系比例指：依据投影几何的投影比例原理，可知三角形ABOc与三角形OCOc相似，三角形PBOc与三角形pCOc相似；
所以有等式（1）：λ=AB/OC=AOc/OOc=PB/pC=Xc/x=Yc/y=Zc/f,其中f=OOc，λ为物像关系比例;
依据前述物像关系比例λ计算目标的相应物理尺寸并定位目标的空间位置，具体包括：
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体在图像坐标系中的图像尺寸，可得目标物体物理尺寸；
由等式（1），依据物像关系比例λ*相机焦距f，可得相机镜头与目标物体所在近似平面的距离Zc；
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标x，可得目标物体的相机坐标系坐标Xc;
由等式（1），依据物像关系比例λ*目标物体的图像坐标y,可得目标物体的相机坐标系坐标Yc;
由Xc，Yc，Zc，可得相机镜头到目标物体的直线距离算式（1）：L=；
通过算式（2）： 将相机坐标（Xc,Yc,Zc）转换为世界坐标系坐标（Xw,Yw,Zw）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用自动标定相机软件对相机进行标定，取得相机焦距f及相机内外参数，并导入数据处理平台参数库。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取得相应场景的刚性对比物物理尺寸，如地砖的长宽、窨井盖直径等常见公用设备的物理尺寸，导入数据处理平台参数库。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，特殊情况下，如目标物体为通用的标准化生产产品，取得目标物体的刚性物理尺寸，导入数据处理平台参数库。
5.本发明所述系统包括图像采集平台和数据处理平台；其中相机或摄像机为图像采集平台，数据处理平台由电脑和软件组成，软件包括图像处理软件和依据本方法设计的相应计算软件；数据处理平台包括检测跟踪模块和测量模块；采集平台和数据处理平台的连接方式包括有线和无线两种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集平台采集目标和对比物的视频或图像画面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据处理平台检测跟踪模块运用检测跟踪软件跟踪目标并提取对比物和目标的图像尺寸并输入测量模块。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据处理平台测量模块依据物像关系比例λ计算目标的物理尺寸和相应空间坐标。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据处理平台测量模块依据算式（3）：，将像素坐标换算为图像坐标，其中像平面上每个像素的物理尺寸大小为dx*dy，图像坐标系(x，y)对应像素坐标系(u，v)，像素坐标为(uo，vo)为相机光轴与像平面的垂直交点。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对比物与目标物体须在相机镜头光轴垂直的同一近似平面上。
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