CN110631556A - 一种异构立体视觉系统的测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种异构立体视觉系统的测距方法。全景相机可以监控到360度视野范围内的物体，但由于分辨率的限制，不能对特定的物体进行近距离的观察。普通相机却能够做到这一点。普通相机有着优越的移动性能和变焦能力，可以弥补全景相机的缺点。二者的结合，不但能够对监控区域进行全方位的观察，还能够看到特定目标的具体细节部分。虽然这种特殊的结构能够带来如此大的优势，但由于成像模型不同也为后续立体图像的处理提出了挑战。本发明通过对全景图像进行透视展开和超分辨率重建使其与普通图像成像一致。同时，对统一后的图像对进行立体校准。最后根据三角定位原理，我们能够从校正后的图像对中解算出目标和系统的距离。

Description

一种异构立体视觉系统的测距方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，是一种异构立体视觉系统的测距方法。
背景技术
立体视觉系统已广泛应用于监视，搜索，探索，自主导航，测绘和障碍物检测等任务，以恢复3D信息现实世界的场景。使用立体视觉系统中的全景相机可以获得额外的优势。这些相机允许水平视野增加到360度。虽然已经研究了不同类型反射折射镜的成像模型和相机校准方法，但这些相机的分辨率非常有限并且无法密切观察特定目标。为了提高全景相机的适用性，研究人员将全景相机和普通透视相机结合组成了混合立体视觉系统。这两个摄像头的组合有助于持续监控整个监控区域，同时对特定目标进行详细观察。该混合立体视觉系统将360度视野相机的优势与传统相机的高分辨率成像相结合，但同时也为该混合视觉系统图像对的处理提出了难题。传统图像的针孔成像模型无法处理全景图像，这意味着没有全景图像和透视相机没有统一的成像模型。因此，传统立体视觉系统的几何结构不能应用于混合立体视觉系统。为了解决这一问题，本发明提出了一种针对混合视觉系统的测距技术，其中最关键的就是将全景图像透视展开并进行超分辨率重建，这一步骤的目的是让两个图像对分辨率归一化以方便的后续处理。为了满足混合视觉系统的实际应用，本发明还提出了立体图像对的自动校准方法，能够实现在线实时校准。最后通过SGM立体匹配算法，得到视差图，并且通过视差图实现测距的目的。
发明内容
本发明为实现时差图测距的目的，本发明提供了一种异构立体视觉系统的测距方法，本发明提供了以下技术方案：
一种异构立体视觉系统的测距方法，所述方法基于混合视觉系统，所述系统包括上方普通透视相机和下方的全景相机，所述普通透视相机由云台承载，所述普通透视相机绕中心轴随目标位置变化旋转，包括以下步骤：
步骤1：对全景图像进行透视展开，确定三维空间中透视展开图像的坐标点；
步骤2：基于普通图像的高分辨率细节对展开后的全景图像采用超分辨率重建，得到超分辨率重建后的全景图像；
步骤3：对分辨率重建后的图像进行立体校正，得到校正后的图像；
步骤4：对校正后的图像进行SGM立体匹配，确定全局能量函数，得到最优视差图；
步骤5：根据三角测距原理，计算出最优视差图中的目标与混合视觉系统的距离。
优选地，所述步骤1具体为:
步骤1.1：以球面统一模型的有效视点为观察视点，将球面模型中的观察角区域投影到透视图像平面，透视展开后的全景图像符合人眼观察的习惯；
步骤1.2：设定M(i,j)为透视展开后图像上一个点的坐标，i为图像点M的横坐标，j为图像点M的纵坐标，确定三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，通过下式表示三维空间中透视展开图像上一个点的坐标：
M'＝M3M2M1Xs (1)
其中，M'为三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，Xs为图像点在球统一模型上的坐标，M1、M2和M3均为三维空间中透视展开图像上点的三维矩阵；
步骤1.3：根据垂直视角和水平视角确定M1、M2和M3，通过下式表示M1、M2和M3：
Figure BDA0002216588720000021
其中，α和β为垂直视角和水平视角，f为频率。
优选地，所述步骤2具体为：
步骤2.1：确定立体图像对中平面的方向，分别检测图像的消失点，为了减少消失点计算的复杂度，采用霍夫变换，对图像进行边缘提取提取边缘，普通图像包含三个平面方向，将消失点分为三组，每组消失点对应一个消失平面；
步骤2.2：采用高通滤波器获取具有高频分量的图像块，通过高通滤波器锐化图像或提取图像的边缘、纹理和噪声；
步骤2.3：根据图像中的目标色块建立消耗函数，通过下式表示所述消耗函数：
Figure BDA0002216588720000022
其中，Ti为源色块相对于目标色块的旋转矩阵，
Figure BDA0002216588720000023
为立体图像对的像素索引集，ti为第i个目标色块，si代表第i个高分辨率图像中的源色块，Eu()代表求取目标色块和源色块的欧式距离；
最小化消耗函数得到低分辨率图像中目标色块中的源色块，采用所述源色块替代低分辨率图像中的目标色块即完成对低分辨率图像的重建，得到超分辨率重建后的全景图像。
优选地，所述步骤3具体为：
步骤3.1：在获得全景透视展开图像之后，采用特征匹配算法来检测并匹配图像对中的特征点；
步骤3.2：根据检测到的特征点对来计算基础矩阵，通过SVD解算，从基础矩阵中解算出两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T；
步骤3.3：根据两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，将图像对校准到共面列对齐。
优选地，所述步骤4具体为：
步骤4.1：确定全局能量函数E(D)，添加两个正则化项P1,P2，其中P1,P2为根据视差差值不同的惩罚系数，保持时差图平滑并保留边缘信息，通过下式表示全局能量函数：
Figure BDA0002216588720000031
其中，|Dp-Dq|为当前像素p与其邻域内的所有像素q之间的视差，Np为像素p所有相邻像素的集合，C(p,Dp)为像素p的视差代价值；
步骤4.2：采用SGM方法寻找每个像素的时差图，使得整幅图像的全局能量函数最小；
步骤4.3：对时差图进行优化处理，剔除错误的时差、滤波平滑以及亚像素差值优化，得到最优时差图。
本发明具有以下有益效果：
本发明减少了工程师的工作量，降低了维护成本，提高了设备的稳定性，加强了水质安全的保障。
附图说明
图1是混合视觉系统结构图；
图2是全景图像透视展开过程图；
图3是测距结果图，图3-(a)为混合视觉系统采集的原图像对，图3-(b)透视展开和超分辨率重建后的校准结果，图3-(c)为立体匹配后的视差图，图3-(d)为根据视差图计算出的测距结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
混合视觉系统如图1所示，上方普通透视相机，下方为全景相机。普通透视相机由云台承载，可以绕中心轴随目标位置变化旋转。这种标准的垂直基线全景立体视觉系统光轴共线，两全景视觉系统之间的对极极线为过图像中心的径向直线，在进行柱面展开后对极极线变成列对齐的直线，可方便地使用传统立体匹配算法进行立体匹配计算柱面展开图像的视差图。同时，这种垂直安装方式不但避免了系统自身遮挡，具有较大的共同视野，而且其测量误差均匀，可通过更换中间的连接部件调节基线距离获得较好的测量精度。
本发明提供一种异构立体视觉系统的测距方法，所述方法基于混合视觉系统，所述系统包括上方普通透视相机和下方的全景相机，所述普通透视相机由云台承载，所述普通透视相机绕中心轴随目标位置变化旋转，包括以下步骤：
步骤1：对全景图像进行透视展开，确定三维空间中透视展开图像的坐标点；
所述步骤1具体为:
步骤1.1：以球面统一模型的有效视点为观察视点，将球面模型中的观察角区域投影到透视图像平面，透视展开后的全景图像符合人眼观察的习惯；
步骤1.2：设定M(i,j)为透视展开后图像上一个点的坐标，i为图像点M的横坐标，j为图像点M的纵坐标，确定三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，通过下式表示三维空间中透视展开图像上一个点的坐标：
M'＝M3M2M1Xs (1)
其中，M'为三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，Xs为图像点在球统一模型上的坐标，M1、M2和M3均为三维空间中透视展开图像上点的三维矩阵；
步骤1.3：根据垂直视角和水平视角确定M1、M2和M3，通过下式表示M1、M2和M3：
Figure BDA0002216588720000041
其中，α和β为垂直视角和水平视角，f为频率。
步骤2：基于普通图像的高分辨率细节对展开后的全景图像采用超分辨率重建，得到超分辨率重建后的全景图像；
所述步骤2具体为：
步骤2.1：确定立体图像对中平面的方向，分别检测图像的消失点，为了减少消失点计算的复杂度，采用霍夫变换，对图像进行边缘提取提取边缘，普通图像包含三个平面方向，将消失点分为三组，每组消失点对应一个消失平面；
步骤2.2：采用高通滤波器获取具有高频分量的图像块，通过高通滤波器锐化图像或提取图像的边缘、纹理和噪声；
步骤2.3：根据图像中的目标色块建立消耗函数，通过下式表示所述消耗函数：
Figure BDA0002216588720000051
其中，Ti为源色块相对于目标色块的旋转矩阵，
Figure BDA0002216588720000053
为立体图像对的像素索引集，ti为第i个目标色块，si代表第i个高分辨率图像中的源色块，Eu()代表求取目标色块和源色块的欧式距离；
最小化消耗函数得到低分辨率图像中目标色块中的源色块，采用所述源色块替代低分辨率图像中的目标色块即完成对低分辨率图像的重建，得到超分辨率重建后的全景图像。
步骤3：对分辨率重建后的图像进行立体校正，得到校正后的图像；
所述步骤3具体为：
步骤3.1：在获得全景透视展开图像之后，采用特征匹配算法来检测并匹配图像对中的特征点；
步骤3.2：根据检测到的特征点对来计算基础矩阵，通过SVD解算，从基础矩阵中解算出两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T；
步骤3.3：根据两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，将图像对校准到共面列对齐。
步骤4：对校正后的图像进行SGM立体匹配，确定全局能量函数，得到最优视差图；
所述步骤4具体为：
步骤4.1：确定全局能量函数E(D)，添加两个正则化项P1,P2，其中P1,P2为根据视差差值不同的惩罚系数，保持时差图平滑并保留边缘信息，通过下式表示全局能量函数：
Figure BDA0002216588720000052
其中，|Dp-Dq|为当前像素p与其邻域内的所有像素q之间的视差，Np为像素p所有相邻像素的集合，C(p,Dp)为像素p的视差代价值；
步骤4.2：采用SGM方法寻找每个像素的时差图，使得整幅图像的全局能量函数最小；
步骤4.3：对时差图进行优化处理，剔除错误的时差、滤波平滑以及亚像素差值优化，得到最优时差图。
步骤5：根据三角测距原理，计算出最优视差图中的目标与混合视觉系统的距离。
首先我们使用所提出的投影模型将感兴趣区域投影到虚拟平面上，过程如图2所示。通过对展开的全景图进行超分辨率重建，使得两个图象的分辨率归一化。仿射尺度不变特征变换用于提取和匹配透视展开的全景图像和传统图像中的特征，之后应用所提出的归一化对应点的优化方法。通过八点算法计算基础矩阵并将基础矩阵分解为透视展开的全景图像和普通图像的旋转和平移矩阵。通过重新映射获得对齐的图像对。最后通过SGM立体匹配算法得到视差图。根据三角测距原理，从视差图中计算出目标与视觉系统的距离。视差图和测距结果如图3所示。
以上所述仅是一种异构立体视觉系统的测距方法的优选实施方式，一种异构立体视觉系统的测距方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种异构立体视觉系统的测距方法，所述方法基于混合视觉系统，所述系统包括上方普通透视相机和下方的全景相机，所述普通透视相机由云台承载，所述普通透视相机绕中心轴随目标位置变化旋转，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：对全景图像进行透视展开，确定三维空间中透视展开图像的坐标点；
步骤2：基于普通图像的高分辨率细节对展开后的全景图像采用超分辨率重建，得到超分辨率重建后的全景图像；
步骤3：对分辨率重建后的图像进行立体校正，得到校正后的图像；
步骤4：对校正后的图像进行SGM立体匹配，确定全局能量函数，得到最优视差图；
步骤5：根据三角测距原理，计算出最优视差图中的目标与混合视觉系统的距离。
2.根据权利要求1所述的一种异构立体视觉系统的测距方法，其特征是：所述步骤1具体为:
步骤1.1：以球面统一模型的有效视点为观察视点，将球面模型中的观察角区域投影到透视图像平面，透视展开后的全景图像符合人眼观察的习惯；
步骤1.2：设定M(i,j)为透视展开后图像上一个点的坐标，i为图像点M的横坐标，j为图像点M的纵坐标，确定三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，通过下式表示三维空间中透视展开图像上一个点的坐标：
M'＝M3M2M1Xs(1)
其中，M'为三维空间中透视展开图像上一个点的坐标，Xs为图像点在球统一模型上的坐标，M1、M2和M3均为三维空间中透视展开图像上点的三维矩阵；
步骤1.3：根据垂直视角和水平视角确定M1、M2和M3，通过下式表示M1、M2和M3：
Figure FDA0002216588710000011
其中，α和β为垂直视角和水平视角，f为频率。
3.根据权利要求1所述的一种异构立体视觉系统的测距方法，其特征是：所述步骤2具体为：
步骤2.1：确定立体图像对中平面的方向，分别检测图像的消失点，为了减少消失点计算的复杂度，采用霍夫变换，对图像进行边缘提取提取边缘，普通图像包含三个平面方向，将消失点分为三组，每组消失点对应一个消失平面；
步骤2.2：采用高通滤波器获取具有高频分量的图像块，通过高通滤波器锐化图像或提取图像的边缘、纹理和噪声；
步骤2.3：根据图像中的目标色块建立消耗函数，通过下式表示所述消耗函数：
Figure FDA0002216588710000021
其中，Ti为源色块相对于目标色块的旋转矩阵，为立体图像对的像素索引集，ti为第i个目标色块，si代表第i个高分辨率图像中的源色块，Eu()代表求取目标色块和源色块的欧式距离；
最小化消耗函数得到低分辨率图像中目标色块中的源色块，采用所述源色块替代低分辨率图像中的目标色块即完成对低分辨率图像的重建，得到超分辨率重建后的全景图像。
4.根据权利要求1所述的一种异构立体视觉系统的测距方法，其特征是：所述步骤3具体为：
步骤3.1：在获得全景透视展开图像之后，采用特征匹配算法来检测并匹配图像对中的特征点；
步骤3.2：根据检测到的特征点对来计算基础矩阵，通过SVD解算，从基础矩阵中解算出两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T；
步骤3.3：根据两个相机之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，将图像对校准到共面列对齐。
5.根据权利要求1所述的一种异构立体视觉系统的测距方法，其特征是：所述步骤4具体为：
步骤4.1：确定全局能量函数E(D)，添加两个正则化项P1,P2，其中P1,P2为根据视差差值不同的惩罚系数，保持时差图平滑并保留边缘信息，通过下式表示全局能量函数：
Figure FDA0002216588710000022
其中，|Dp-Dq|为当前像素p与其邻域内的所有像素q之间的视差，Np为像素p所有相邻像素的集合，C(p,Dp)为像素p的视差代价值；
步骤4.2：采用SGM方法寻找每个像素的时差图，使得整幅图像的全局能量函数最小；
步骤4.3：对时差图进行优化处理，剔除错误的时差、滤波平滑以及亚像素差值优化，得到最优时差图。
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Applicant before: Huzhou South Taihu intelligent yacht Research Institute

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