CN110796597B - 基于时空补偿的车载环视图像拼接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时空补偿的车载环视图像拼接装置,包括:图像采集模块,通过设置在车身的前后左右的四个鱼眼相机进行图像采集;相机标定模块,用于分别对4个相机进行标定,采用OpenCV中的鱼眼相机模型,获得相机内外参、相机畸变系数和投影误差;图像矫正模块,用于根据相机标定模块获得的相机参数对四路图像进行矫正,得到无畸变的图像;图像拼接模块,用于对矫正后的图像进行环视图像拼接和图像补偿处理。本发明针对车身较长的车辆,采用时空补偿的方法拼接得到完整的环视图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术,尤其涉及一种基于时空补偿的车载环视图像拼接装置。
背景技术
近年来,随着电子信息和计算机技术的跨步发展,传统的汽车已经迈向更加智能,更加安全的方向发展。360°环视图像是汽车主动安全的重要组成部分。车载环视能够实现车辆周围物体的识别和距离检测,文献“Sungyoul Park,Dongwook Kim and Kyongsu Yi,"Vehicle Localization using an AVM camera for An Automated Urban Driving,;Intelligent Vehicles Symposium(IV),2016”中利用车载环视实现车辆定位;“王晋疆,王鹏飞.一种基于环视系统的车位检测方法[J].分析仪器,2019(01):71-77”利用环视图像实现停车场车位检测;文献“李磊.基于全景视觉自动泊车的停车位检测与识别方法[D].西安电子科技大学,2018”实现车位检测与识别;“陆晓燕.基于全景拼接的泊车辅助系统研究[D].安徽工业大学,2018.”实现辅助泊车系统。对于经验不是特别丰富的驾驶员来说,特别是女驾驶员是驾驶安全可靠性的重要保障。
目前的环视相机标定方案按其采取的方法的不同大致可以分为:第一,采用超广角视场角对周围环境进行采集,此方法由于相机畸变大,测量精度严重受限;第二,改变车载摄像机在车辆中的安装角度,但此方法对于车身长度比较大的车辆来说,其远点畸变比较大,测量不一致。第三,增加摄像机的布置位置和添加摄像机的个数,此方法涉及车辆结构改变,可行性受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷,提供一种基于时空补偿的车载环视图像拼接装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于时空补偿的车载环视图像拼接装置,包括:
图像采集模块,通过设置在车身的前后左右的四个鱼眼相机进行图像采集;
相机标定模块,用于分别对4个相机进行标定,采用OpenCV中的鱼眼相机模型,获得相机内外参、相机畸变系数和投影误差;
图像矫正模块,用于根据相机标定模块获得的相机参数对四路图像进行矫正,得到无畸变的图像;
图像拼接模块,用于对矫正后的图像进行环视图像拼接和图像补偿处理;
所述环视图像拼接是在矫正图像的基础上,对矫正后的图像进行透视变换,完成环视图像拼接;
所述图像补偿处理是当环视图像拼接为不完整的环视图像时,进行时空补偿,即利用相邻帧的图像对当前图像帧进行补偿,以得到完整的环视拼接图像。
按上述方案,所述图像采集模块中四个鱼眼相机的采集频率相同,同一时刻采集的四路图像信息对应同一时空位置。
按上述方案,所述图像拼接模块中,环视图像拼接包括以下步骤:
1)将得到的前、后、左、右矫正图通过H矩阵(单应性矩阵)变换为俯视图,其计算公式如下:
其中,[u2,v2,1]为环视图像中特征点的坐标,[u1,v1,1]为校正后对应特征点的图像坐标,表示两个视角之间的变换关系,通过H矩阵将矫正后的图像变换为俯瞰图;
2)根据车辆和四个摄像机的相对位置,将车辆在图像中的位置固定下来,即车辆在图像中的坐标不变;
3)根据车辆在图像中的坐标完成环视图像拼接。
按上述方案,所述图像拼接模块中,图像补偿处理如下:
对t时刻的环视拼接图像,采用相邻帧之间时空补偿的方法,用t时刻的对应的视场区域补偿t+1时刻环视拼接图像中的空白区域,完成时空补偿图像的拼接。
按上述方案,所述图像拼接模块中,图像补偿处理如下:
对t时刻的环视拼接图像,采用相邻帧之间时空补偿的方法,用t时刻的A点以上和A点距离为s的区域补偿t+1时刻A点以下和A点距离为s的区域,其中s=v/f,其中v为车辆的行驶速度,f为摄像机捕获图像的频率。此拼接为一个过程拼接,需要时间积累,拼接与相机的图像捕捉频率和需要补偿的距离以及车速有关。若空白区域的距离小于s,则一次即可完成补偿,若空白区域的距离大于s时,则需要n次才能完成补偿,其中n=L/s,L为A、B之间的距离;
当向后倒车行驶时,其补偿过程与前进时相同,采用B点以下的图像对空白位置进行补偿。
本发明产生的有益效果是:本发明可以针对车身较长的车辆,采用时空补偿的方法得到完整的环视拼接图像。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例的装置结构图;
图2是本发明实施例的环视拼接示意图;
图3是本发明实施例的前进-时空补偿拼接效果示意图;
图4是本发明实施例的后退-时空补偿拼接效果示意图;
图5是本发明实施例的原始鱼眼图像示意图;
图6是本发明实施例的矫正图像示意图;
图7是本发明实施例的俯视图像示意图;
图8是本发明实施例的拼接后俯视图像示意图;
图9是本发明实施例的拼接后效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
由于不同类型的车辆车身长度不等,特别是车身比较长的车辆,四路车载摄像机很难实现无缝拼接。如图1所示,本发明提供一种基于时空补偿的车载环视相机拼接装置,包括:相机标定模块、图像采集模块、图像校正模块和图像拼接模块。
1)相机标定模块
首先利用张正友标定法分别对4个相机进行标定,采用OpenCV中的鱼眼相机模型,并输入若干张标定板图片,输出相机内外参、相机畸变系数、投影误差的获取,分别用四路摄像机拍摄棋盘格图片作为输入,计算每路摄像机的参数。内参数是相机本身的特有属性,外参数是为了获取相机与世界坐标系的相对位置关系,一般是用一个旋转矩阵和平移矩阵来表示。
标定方法具体如下:
图像特征点的像素坐标和物理坐标系之间的对应关系
本标定采用张氏标定法对摄像机进行标定,得到摄像机的内参矩阵。原理为物理坐标系中的一点齐次坐标为(Xw,Yw,Zw,1)T,其在摄像机图像中的像素坐标为(u,v,1),对应的计算公式为:
其中,K为摄像机标定矩阵,包括摄像机焦距和畸变系数,大小为3×3矩阵。[Rc Tc]为摄像机的外部参数,大小为3×4,Rc为旋转矩阵,为3×3,Tc为平移矩阵,表示一种线性关系,即等式两边相差一个尺度因子,尺度因子可由对应特征点求解。确定摄像机参数是为了得到三维空间中的一点距离车辆的距离,以提供车辆判断的准确距离信息。
2)图像采集模块
图像采集模块选用四个鱼眼相机,分别安设于车身的前后左右。前置摄像机嵌入于车辆前“LOGO”位置,左右摄像机安装于左右后视镜下方,和竖直方向成一设定角度(15°),视角朝车辆外侧,后摄像机安装于后备箱“把手”下,与竖直方向成一角度,视角向后,具体安设位置见图1。
3)图像矫正模块
分别利用1)中获取的各摄像机的相机参数对四路图像进行矫正,得到无畸变的图像。
用得到的四路相机的相机内参矩阵、相机畸变系数、投影误差参数,用OpenCV中的鱼眼相机矫正模型分别矫正对应相机所得的图像,即得矫正图像。
4)图像拼接模块
图像拼接模块包括环视图像拼接和图像补偿两部分。环视图像拼接是在矫正图像的基础上,对矫正后的图像进行透视变换,完成环视图像拼接。但大型车辆无法拼接为完整的环视图像,需要进行时空补偿,即利用上一帧所得图像对当前帧进行补偿,以得到完整的环视拼接图像。
将得到的前、后、左、右矫正图通过H矩阵(单应性矩阵)变换为俯视图,其计算公式如下:
其中,[u2,v2,1]为环视图像中特征点的坐标,[u1,v1,1]为校正后对应特征点的图像坐标,表示两个视角之间的变换关系,通过H可以将校正后的图像变换为俯瞰图。
因为车辆和四个摄像机的相对位置不变,故可以将车辆在图像中的位置固定下来,即车辆在图像中的坐标不变。
但由于车载摄像机的视场范围受限,在现有的摄像机视场下,无法完成无缝拼接,其拼接效果如图2所示。
为了实现环视图像的无缝拼接,采用相邻帧之间时空补偿的方法,具体如图3所示,左图为t+1时刻的环视拼接图像,右侧为t时刻的拼接图像,用t时刻两黑线之间的视场补偿t+1时刻(左侧)图像两黑色线之间的空白,完成时空补偿图像的拼接,此拼接为一个过程拼接,需要时间积累,拼接与相机的图像捕捉频率和需要补偿的距离以及车速有关。
在倒车时,时空补偿拼接需要用t时刻后视图像补偿t+1时刻,如图4所示,补偿方法和前进时补偿一致。
辅助设备,辅助设备包括固定支架、数据线、采集车辆、显示器、稳压支流电源。
本发明装置的具体工作过程,包括以下步骤:
S1.分别用四路摄像机拍摄不同角度不少于30张棋盘格图片;
S2.相机标定采用OpenCV中的鱼眼相机模型,将S1中拍摄的棋盘格图片作为输入,得到四路摄像机对应的相机内外参数举着、相机畸变系数和投影误差;
S3.用S2中得到的相机参数,将鱼眼相机拍摄的原始图像进行校正,原始图像如图5,矫正后图像如图6所示;
S4.将S3中的矫正后的图像,通过S41中的单应矩阵H变换为俯视图像,如图7所示,将四个视角变换后的图像进行拼接如图8所示;
S5.由于车载四路摄像机拼接后的效果如图8所示,无法实现无缝拼接,故采用时空补偿的方法,将相邻帧之间的图像进行补偿,以达到无缝拼接,拼接如图3和图4所示;最终拼接后效果示意图如图9。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于时空补偿的车载环视图像拼接装置,其特征在于,包括:
图像采集模块,通过设置在车身的前后左右的四个鱼眼相机进行图像采集;
相机标定模块,用于分别对4个相机进行标定,采用OpenCV中的鱼眼相机模型,获得相机内外参、相机畸变系数和投影误差;
图像矫正模块,用于根据相机标定模块获得的相机参数对四路图像进行矫正,得到无畸变的图像;
图像拼接模块,用于对矫正后的图像进行环视图像拼接和图像补偿处理;
所述环视图像拼接是在矫正图像的基础上,对矫正后的图像进行透视变换,完成环视图像拼接;
所述图像补偿处理是当环视图像拼接为不完整的环视图像时,进行时空补偿,即利用相邻帧的图像对当前图像帧进行补偿,以得到完整的环视拼接图像;
所述图像拼接模块中,图像补偿处理如下:
对t时刻的环视拼接图像,采用相邻帧之间时空补偿的方法,用t时刻的A点以上和A点距离为s的区域补偿t+1时刻A点以下和A点距离为s的区域,其中s=v/f,其中v为车辆的行驶速度,f为摄像机捕获图像的频率;其中,A点为拼接起始点,A点位置根据左右两侧摄像机视角的边缘位置确定;
若空白区域的距离小于s,则一次即可完成补偿,若空白区域的距离大于s时,则需要n次才能完成补偿,其中n=L/s,L为A、B之间的距离;
当向后倒车行驶时,其补偿过程与前进时相同,采用B点以下的图像对空白位置进行补偿。
2.根据权利要求1所述的基于时空补偿的车载环视图像拼接装置,其特征在于,所述图像采集模块中四个鱼眼相机的采集频率相同,同一时刻采集的四路图像信息对应同一时空位置。
3.根据权利要求1所述的基于时空补偿的车载环视图像拼接装置,其特征在于,所述图像拼接模块中,环视图像拼接包括以下步骤:
1)将得到的前、后、左、右矫正图通过H矩阵(单应性矩阵)变换为俯视图,其计算公式如下:
其中,[u2,v2,1]为环视图像中特征点的坐标,[u1,v1,1]为校正后对应特征点的图像坐标,表示两个视角之间的变换关系,通过H矩阵将矫正后的图像变换为俯瞰图;
2)根据车辆和四个摄像机的相对位置,将车辆在图像中的位置固定下来,即车辆在图像中的坐标不变;
3)根据车辆在图像中的坐标完成环视图像拼接。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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