CN110288654A - 一种单幅图像的几何量测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单幅图像的几何量测方法，包括：获取图像参数和摄像机参数，所述图像参数包括图像的宽度和高度，所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；获取摄像机高度和俯仰角，所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离，所述参考平面为用户指定的水平面，所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；参考平面内的距离量测，所述参考平面内的距离量测为图像上任意两点垂直投影至参考平面后的平面距离量测；目标到参考平面的高度量测，所述目标到参考平面的高度量测为图像上一目标点到参考平面的垂直距离量测；任意两点高度和距离量测，所述任意两点高度和距离量测为图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的量测。

Description

一种单幅图像的几何量测的方法

技术领域

本发明涉及一种利用单幅图像进行目标几何量测的方法，具体说，是利用一幅图像或者视频帧，实现目标高度、宽度、目标间空间距离的测量。

背景技术

测量几乎是各个领域都涉及到的必不可少的工作之一。图像量测以其非接触性、普适性、实时性、可重复性等特点成为目标对象几何量测的重要手段之一。图像测量方法通常采用双目或多目视觉原理，通过匹配获取目标结构信息，该方法的难点是图像匹配，且要求两个以上相机同时拍摄，主要应用在专业如摄影测量、三维重建等领域。

单幅图像容易获取、对拍摄相机姿态没有要求，而且与双(多)目测量系统相比，单目视觉量测无需图像匹配，从而使得测量过程灵活方便，是计算机视觉、摄影测量学等研究领域的研究趋势之一(Criminisi A.Accurate Visual Metrology from Single andMultiple Uncalibrated Images.Berlin:Springer-Verlag，2001；刘学军等.单幅图像几何量测研究进展[J].武汉大学学报，2011，36(8):941-947)。目前单幅图像几何量测主要有两种方式，一种是基于几何关系的量测，即通过中心投影的不变量、灭点灭线、场景中已知先验信息等实现对象的量测(Wang Guanghui,等.A Novel Approach for Single ViewBased Plane Metrology.The 16th International Conference on PatternRecognition,Quebec,Canada， 2002；王光辉等，由单幅图像测量场景及场景内物体几何信息的方法，发明专利， CN02118167；王美珍等，基于交比的单幅图像平面几何信息提取算法.武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(2)：190-194；)，这种方法适合图像中包含建筑物、道路等的结构化场景，而不适合非结构化场景(图像中没有相关的已知信息)；另一种是基于单应的量测，即通过场景中4对以上的同名控制点信息来建立相片和空间的映射关系，然后在图像上进行几何量测，这种方式测量精度受控制点的数量、分布等影响，而且实际应用中有时控制点很难选取(Hartley R.,Zisserman A；Multiple View Geometry inComputer Vision,Cambridge University Press，2000；曾慧等，基于线单应的单应矩阵估计及其在视觉量测中的应用.自动化学报，2007，33(5)：449-455；王美珍，单幅图像中地物目标几何量测研究.南京:南京师范大学，2011)。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种单幅图像几何量测方法，该方法依据图像参数，既不需要场景中包含已知结构信息，也不需要同名控制点，可有效解决背景中的技术缺陷。

本发明公开了一种单幅图像的几何量测方法，包括：根据选定的参考平面、待量测图像的图像参数、摄像机参数和摄像机当前高度和俯仰角，获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角，并利用欧氏距离公式，计算得到待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离；

所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；

所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离；

所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；

所述参考平面为用户指定的水平面。

进一步的，所述摄像机当前高度和俯仰角的获取步骤包括：通过在摄像机视域范围内在任意高度水平放置长宽已知的矩形卡片，获取矩形卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解得到摄像机当前高度和俯仰角。

进一步的，在所述卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标的步骤之前，包括：以矩形卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系；

所述单应矩阵表示为：

式中，λ表示一个任意的缩放因子，(u,v,1)表示矩形卡片角点在图像平面的齐次坐标，A、R、T分别表示内参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，(X,Y,Z)表示矩形卡片角点的物方坐标；摄像机高度由平移矩阵分解获得，俯仰角由旋转矩阵分解获得。

进一步的，所述获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角的步骤包括：

对于待量测图像上任一点p(x，y)，计算其对应的垂角和旋转角φ；

式中，Height为待量测图像的高度，Width为待量测图像的宽度，β_H为摄像机的水平视域角，β_V为摄像机的垂直视域角，α为摄像机俯仰角；

式中，f为摄像机焦距；

在所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤之间包括：建立Q-XYZ参考平面坐标系；

所述所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤包括：

在待量测图像上选择需量测的两个图像点p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)，将两个图像点 p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)由垂直线映射至参考平面得到对应的映射点，并计算他们对应的参考平面坐标P₁(X₁，Y₁)、P₁′(X₁′，Y₁′)、P₂(X₂，Y₂)、P₂′(X₂′，Y₂′)；

计算两个图像点间的高度差H_s：

H_s＝|H_obj1-H_obj2| (11)

由欧氏距离公式计算两个图像点间的空间距离d_s：

式中，d_p为两个图像点间的参考平面距离：

有益效果：本发明基于目前针对单幅图像几何量测问题研究存在的不足，提出一种单幅图像的几何量测的方法，主要解决场景中不包含已知结构信息，且不存在已知同名控制点情况下单幅图像的几何量测问题；同时，由于单幅图像获取容易，无需进行图像匹配，使得几何量测过程灵活方便，大大降低计算量，有效提高了图像几何量测的效率。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明摄像机与图像平面几何关系示意图；

图3是本发明矩形卡片坐标系示意图；

图4是本发明参考平面点位示意图；

图5是本发明非参考平面点位示意图；

图6是本发明到参考平面高度量测示意图；

图7是本发明空间两点高度差量测示意图；

图8是本发明空间距离量测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

第一步，获取图像参数和摄像机参数：

所述图像参数为图像的宽度(Width)、高度(Height)，单位为像素，可通过图像信息获取，所述摄像机参数为摄像机焦距(f)，单位为像素，水平视域角β_H和垂直视域角β_V，单位为度(附图2)，计算公式为：

第二步，获取摄像机高度和俯仰角：

所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离(H_C)，单位为米，参考平面为用户指定的水平面，如水平地面或者任意高度水平面(附图2)，该参考平面可扩充至整个视域范围。所述俯仰角指摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角(α)，单位为度，范围为0-180°(附图3)。获取方法为：

在相机视域范围内，任意高度处水平放置长宽已知的矩形卡片，如名片、乘车卡等，卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系(附图3)，获取卡片四个角点的局部坐标(物方坐标)，并在图像上获取该卡片四个角点的图像坐标(像方坐标)，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解获取摄像机的高度和俯仰角。

第三步，参考平面内的距离量测

所述参考平面内的距离量测为图像上任意两点垂直投影至参考平面后的平面距离量测。首先，需要在图像上选择两个点，若存在点不在参考平面内，则需作垂直线将其映射至参考平面，再量测距离。参考平面内距离量测的具体步骤如下：

利用前两步获得的各项参数，对于图像上任一点p(x，y)，可以计算其对应的垂角和旋转角φ，单位为度，范围为0-180°(附图3)。图像点对应垂角为摄像机与该点的光线到铅垂线的夹角。图像点对应旋转角为该点与图像中线之间的夹角。计算公式如下：

根据摄像机高度与图像平面间的几何关系，可以算出图像点p(x，y)在参考平面的坐标(X、Y)，计算公式如下：

X＝Yxtan(φ) (6)

由此可得图像上两点对应的参考平面坐标P₁(X₁，Y₁)、P₂(X₂，Y₂)，利用欧氏距离公式可以直接计算两点间的参考平面距离d_p，公式为：

第四步，目标到参考平面的高度量测

所述目标到参考平面的高度量测为图像上一目标点到参考平面的垂直距离量测。首先，在图像上选择一目标点t_p(x₂，y₂)，若该点位于参考平面上，则令其高度H_obj＝0，否则由目标点拉一条与参考平面垂直的直线，确定目标点在参考平面上的映射点(该直线与参考平面的交点)，即目标的底点b_p(x₁，y₁)。利用第三步计算目标点和底点对应的参考平面坐标(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)，再由目标点与底点高度差占顶点纵坐标的比例，可以确定目标到参考平面的高度H_obj，公式为：

第五步，任意两点高度和距离量测

所述任意两点高度和距离量测为图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的量测。首先，在图像上选择需量测的两个图像点p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)，将两点由垂直线映射至参考平面，并计算他们对应的参考平面坐标P₁(X₁，Y₁)、 P₁′(X₁′，Y₁′)、P₂(X₂，Y₂)、P₂′(X₂′，Y₂′)，由第四步获得两对底点和目标点基于参考平面的高度，将其作差得到空间两点间的高度差H_s。计算公式如下：

H_s＝|H_obj1-H_obj2| (11)

利用第三步计算两点间参考平面距离d_p，由欧氏距离公式计算两点间空间距离d_s，公式为：

实施例：

第一步、相关设备准备。准备高清监控摄像机一个，矩形卡片一张，笔记本一台。

第二步、获取图像参数和摄像机参数。

通过图像信息获取图像的宽度(Width)、高度(Height)，单位为像素；通过摄像机硬件信息获取摄像机焦距(f)，单位为像素，水平视域角(β_H)和垂直视域角(β_V)，单位为度；

摄像机位姿固定后，通过单应解算得到摄像机高度(H_C)，单位为米，摄像机俯仰角(α)，单位为度，范围为0-180°。图像参数与摄像机参数间的几何关系如附图2所示。其中，坐标系o-xy为图像坐标系，p(x，y)为图像上的一点，像素坐标系以左上角为原点，起始坐标为(1,1)。坐标系O-XYZ为参考平面坐标系。

第三步、参考平面内的距离量测。

用户将鼠标落在待量测位置，点击一个起点，移动鼠标画线，再次点击左键为终点。若两点均在参考平面内，则直接计算平面距离。若存在点不属于参考平面，需要先作一条垂直于参考平面的直线，再计算参考平面内距离，弹出对话框，显示距离值。

第四步、目标到参考平面的高度量测。

鼠标选择图像上一点，若该点在参考平面内，则直接给出H_obj＝0；若该点不在参考平面内，则需要用户从该点画垂直线到参考平面，再给出相应高度。

第五步、任意两点间高度和距离量测。

(1)鼠标左键拾取起始点，画垂直线到参考平面，移动鼠标到终点，画垂直线到参考平面，弹出对话框显示两点间的高度差。

(2)显示由此两点连接的空间线段，弹出对话框显示空间距离值。如图8所示，参考平面为地面，p₁、p₂为空间两点，首先在p₁、p₂处到参考平面画垂直线，显示高度差值，然后高亮显示p₁p₂直线，同时垂直线消失，最后给出空间距离量测结果。

Claims (4)

1.一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：包括：根据选定的参考平面、待量测图像的图像参数、摄像机参数和摄像机当前高度和俯仰角，获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角，根据欧氏距离公式，计算得到待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离；

所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；

所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离；

所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；

所述参考平面为用户指定的水平面。

2.根据权利要求1所述的一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：所述摄像机当前高度和俯仰角的获取步骤包括：

通过在摄像机视域范围内在任意高度水平放置长宽已知的矩形卡片，获取矩形卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解得到摄像机当前高度和俯仰角。

3.根据权利要求2所述的一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：在所述卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标的步骤之前，包括：以矩形卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系；

所述单应矩阵表示为：

式中，λ表示一个任意的缩放因子，(u,v,1)表示矩形卡片角点在图像平面的齐次坐标，A、R、T分别表示内参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，(X,Y,Z)表示矩形卡片角点的物方坐标；摄像机高度由平移矩阵分解获得，俯仰角由旋转矩阵分解获得。

4.根据权利要求1所述的一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：所述获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角的步骤包括：

对于待量测图像上任一点p(x，y)，计算其对应的垂角和旋转角φ；

式中，Height为待量测图像的高度，Width为待量测图像的宽度，β_H为摄像机的水平视域角，β_V为摄像机的垂直视域角，α为摄像机俯仰角；

式中，f为摄像机焦距；

在所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤之间包括：建立O-XYZ参考平面坐标系；

所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤包括：

在待量测图像上选择需量测的两个图像点p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)，将两个图像点p₁(x₁，y₁)、p₂(x₂，y₂)由垂直线映射至参考平面得到对应的映射点，并计算他们对应的参考平面坐标P₁(X₁，Y₁)、P₁′(X₁′，Y₁′)、P₂(X₂，Y₂)、P₂′(X₂′，Y₂′)；

计算两个图像点间的高度差H_s：

H_s＝|H_obj1-H_obj2| (11)

由欧氏距离公式计算两个图像点间的空间距离d_s：

式中，d_p为两个图像点间的参考平面距离：