CN111563936A - 一种相机外部参数自动标定方法及行车记录仪 - Google Patents

一种相机外部参数自动标定方法及行车记录仪 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种相机外部参数自动标定方法、装置及设备。该方法包括：获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；根据所述图像，获取单目相机旋转参数，包括：按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度。本公开提供的方案，能自动标定单目相机外部参数，满足高精度地图需要。

Description

一种相机外部参数自动标定方法及行车记录仪
技术领域
本公开涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种相机外部参数自动标定方法及行车记录仪。
背景技术
目前，基于GPS导航系统或北斗导航系统的地图应用越来越普遍。为了提高地图应用的识别精度，需要借助图像采集车对道路进行测量。
相关技术下，为了绘制高精度地图，需要在采集车上安装行车记录仪和GPS，行车记录仪借助于双目或三目相机对道路图像进行拍照。在对拍照的图像进行处理时，需要获取相机的外部参数以建立相机坐标系与世界坐标系之间的对应关系。由于行车记录仪相机在安装过程中会存在精度误差，而图像处理需要较高的精度，因此需要对相机外部参数进行标定。
相关技术的相机外部参数标定均基于双目或多目相机，且需要进行大量数据处理，标定过程繁琐。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种相机外部参数自动标定方法。所述相机为单目相机，所述方法包括：获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；根据所述图像，获取单目相机旋转参数，包括：按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度。
上述方法中，所述通过所述图像确定俯仰角具体为：根据预设规则检测所述图像中的地平线；以所述地平线为界将所述图像切割为上部区域、下部区域；获取所述上部区域占所述图像的第一比例值，所述下部区域的图像占所述图像的第二比例值；根据第一比例值与第二比例值的差值与90度的乘积作为俯仰角的角度值。
上述方法中，所述通过所述图像确定俯仰角还可以具体为：获取图像中色度值在预置范围内的像素确定所述上部区域；图像中上部区域之外的部分为所述下部区域；获取所述上部区域占所述图像的第一比例值，所述下部区域的图像占所述图像的第二比例值；根据第一比例值与第二比例值的差值与90度的乘积作为俯仰角的角度值。
上述方法中，获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度具体为：识别所述图像中的车体区域；
获取所述车体区域中沿几何中心对称的第一目标点及第二目标点间的连线；获取基于所述连线旋转至所述图像顶边或底边的角度。其中，所述第一目标点和第二目标点为前车窗框左右两点。
上述方法中，旋转参数中的偏航角度值为0。
本发明还提供了一种行车记录仪，包括：单目摄像单元，用于获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；第一计算单元，用于根据所述图像获取单目相机旋转参数，包括：按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度；参数计算单元，根据计算单元的结果获得单目相机外部参数；存储单元，存储所述外部参数。
所述行车记录仪还包括：第二计算单元，根据存储单元存储的外部参数，对单目摄像单元获取的图像进行校正。
本发明还提供了一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行本发明所记载的方法。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：通过利用单目相机拍摄的图像对单目相机的安装参数进行标定，根据标定的相机参数能够对单目相机获取的图像进行校正，由于校正后的图像能够进行图像识别并利用于道路测绘。从而，利用本发明能够使得单目相机应用于绘制高精度地图，无需采用双目相机或多目相机。并且，本发明单目相机安装外部参数的标定方便快捷，简化了标定过程数据处理难度，提高了执行效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是本公开方法一示例性实施例流程示意图；
图2是图1中单目相机拍摄的道路相片示意图；
图3是本公开一种行车记录仪结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本公开提供了一种用于高精度地图的相机外参自动标定方法，可以自动标定单目相机外参，满足高精度地图的需要。以下结合附图详细描述本公开实施例的技术方案。
本公开对相机进行标定的目的是为了建立物体从世界坐标系到成像平面坐标系的对应关系。其中，世界坐标系(world coordinate system)是三维世界的坐标系，可用于描述物体在真实世界里的位置，是客观三维世界的绝对坐标系。由于相机安放在三维空间中，通过世界坐标系可以描述相机的位置，也可以用它来描述三维环境中的其它任何物体的位置，可以用(Xw,Yw,Zw)表示其坐标值。
其中，相机坐标系(camera coordinate system)是在相机上建立的坐标系，可以从相机的角度描述物体位置，该坐标系可以作为沟通世界坐标系和成像平面坐标系的桥梁。进一步的，可以以相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于成像平面坐标系的X轴和Y轴，相机的光轴为Z轴，可以用(Xc,Yc,Zc)表示其坐标值。
其中，图像坐标系(image coordinate system)可用于描述成像过程中物体从相机坐标系到图像坐标系的投影透射关系，从而得到像素坐标系下的坐标。进一步的，可以以CCD图像平面的中心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用(x,y)表示其坐标值。
其中，像素坐标系(pixel coordinate system)可用于描述物体成像后的像点在数字图像上(相片)的坐标，是从相机内读取到的信息所在的坐标系。以图像平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，可以用(u,v)表示其坐标值。
其中，通过相机内参可以建立像素坐标系与图像坐标系的对应关系，以及图像坐标系与相机坐标系的对应关系。通过相机外参可以建立相机坐标系与世界坐标系的对应关系。假设某点在世界坐标系中的坐标为Pw＝(xw,yw,zw)T，在相机坐标系中的坐标为Pc＝(xc,yc,zc)T，则Pc与Pw之间的对应关系为：
Figure BDA0002442303030000041
其中，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。
Figure BDA0002442303030000042
T＝(Tx,Ty,Tz)T。
因此可以得出
Figure BDA0002442303030000051
其中，相机的外参数是6个，包括三个轴的旋转参数和三个轴的平移参数。
其中，三个轴的旋转参数分别为(pitch、yaw、roll),其中pitch为x轴的旋转角度，yaw为y轴的旋转角度，roll为z轴的旋转角度。把每个轴的3*3旋转矩阵进行组合，即先矩阵之间相乘，可以得到集合三个轴旋转信息的旋转矩阵R，其大小还是3*3。
其中，P点P(x`,y`,z`)若绕Z轴旋转角度roll为θ时，可得
到如下公式：
Figure BDA0002442303030000052
由公式(3)可以得出：
Figure BDA0002442303030000053
同理，绕x轴旋转角度pitch、绕y轴旋转角度yaw分别为
Figure BDA0002442303030000054
和ω时，可以分别得到如下公式：
Figure BDA0002442303030000055
Figure BDA0002442303030000056
由此，可以得到旋转矩阵R＝R1R2R3。
平移矩阵T的平移参数(Tx,Ty,Tz)集合三个轴的平移信息。旋转R、平移矩阵T可以组合成成的3*4的矩阵，其是转换到标定纸坐标的关键。旋转矩阵R可以包括3个旋转参数pitch、yaw、roll，平移矩阵T可以包括3个平移参数Tx、Ty、Tz，因此本公开标定相机外参即求解旋转参数pitch、yaw、roll及平移参数Tx、Ty、Tz。
本公开目的是对单目相机进行外参的标定，具体是所述旋转参数。单目相机安装于车辆上，通过车辆在地面的移动来采集地面地图数据。用于采集地面地图数据的车辆还可以安装GPS，通过GPS与单目相机的配合完成地面地图数据采集。
需要说明的是，对相片进行图像处理以确定旋转参数可以包括多种方式，本公开对具体的图像处理方式不做限定。在一种实施方式中，可以在相片上添加辅助线条，根据添加的辅助线条与相片中拍摄的线条之间的位置关系确定单目相机的外部参数。
图1是根据本公开一示例性实施例示出的一种用于高精度地图的相机外部参数自动标定方法的流程另一示意图。参见图2，以下对其各步骤进行详细说明。
其中，相机可以为单目相机，通过将单目相机安装于车辆上以绘制高精度地图。分辨率满足高精度地图的需要，对于该单目相机的品牌、分辨率，本公开不做限定。该单目相机可以安装于地图采集车辆的前部、顶部。本公开不限定单目相机的具体安装位置。
步骤101：获取所述单目相机拍摄的图像；
步骤102：根据所述拍摄的图像计算单目相机的参数。包括如下计算：
1)获取参数pitch值
根据预设规则将所述图像划分为上部区域、下部区域，所述上部区域用于表征天空，所述下部区域用于表征地面或包含地面建筑物在内的陆地；
获取所述上部区域的总像素占所述图像的总像素的比例x，所述下部区域的总像素占所述图像的总像素的比例y；
计算90×(x-y)的数值，以计算得到的数值作为俯仰角的角度值。
其中，识别上部区域和下部区域的方法包括，按照预置的规则识别地平线，进而将地平线以上的部分识别为上部区域，地平线以下的部分识别为下部区域。该相片中的地平线可以位于相片的任意位置。例如，当地平线位于相片的中间，则图像中上部区域与下部区域各占图像总区域的比例为50％，即可以确定本实施例中pitch为0度。
在另一种实现方式中，可以根据图片像素颜色，将色度满足预置范围的像素的区域识别为上部区域，并且可以将图片中所述上部区域以外的部分识别为下部区域。
上述实施例中，pitch值，根据90×(x-y)的方式得到，然而，基于该理论的其他实现方式也属于本发明实现方式，例如，仅识别出上部区域，即天空区域的范围，并获得上部区域占图片总像素的比例x，进而按照公式，90×(x-(1-x))获得pitch值。
2)获取参数yaw的值
在本发明的优选实施例中，由于将单目相机安装于前车窗的玻璃上，单目相机的自由度受前车窗的限制，因此在y轴上的旋转参数yaw可以标定为0。
在本发明的其他实施例中，所述yaw可以取其他参考值，由于前车窗相对于汽车是固定不动的，因而可在一个范围内选定为固定值，例如正负1度。
3)获取参数roll值
根据预设规则检测所述图像中的车体区域，图2是本实施例示出的单目相机拍摄的道路相片示意图，例如参见图2所示，在相机获取的图像中包含汽车前车窗、车窗框(A住)、前机器盖等部位；
获取所述车体区域中沿几何中心对称的第一目标点及第二目标点；参见图2，该图所示的实施例中，将第一目标点和第二目标点确定于车前机器盖两角，进而，获取车前机器盖两角之间的连线作为水平辅助线。如图2所示，水平辅助线201。
基于所述水平辅助线旋转至图像底边或顶边的角度即为参数roll的角度。基于顺时针和逆时针旋转的方向不同，所述角度也带有方向。
需要说明的是，本公开对以上步骤的执行顺序不做限定，旋转参数pitch、yaw、roll的标定顺序可以是任意的。通过单目相机获取的高精度地图数据可以保存在车机端也可以上传至云端保存，本公开对此不做限定。
根据本发明的一个实施例，基于单目相机拍摄的相片对单目相机的外部参数进行自动标定；通过所述相片中地平线所占的比例来确定所述pitch，将所述单目相机安装于前车窗的玻璃上，将所述yaw标定为0，通过单目相机拍摄到的前车窗框的左右倾斜程度来确定roll。本公开提供的方法可以高效的对单目相机外部参数中的旋转参数进行自动标定，并可以满足高精度地图的需要。
以上详细说明了单目相机外部参数的标定方法。本公开对单目相机内参的标定方法不做限定。需要说明的是，除了单目相机，用于采集高精度地图数据的车辆上还可以安装GPS、激光雷达、惯导单元，通过多模块的配合来采集地面图像数据。
图3是根据本公开一示例性实施例示出的一种行车记录仪的结构示意图。
参见图3，行车记录仪包括：
单目摄像单元31，用于获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；
第一计算单元32，用于根据所述图像获取单目相机旋转参数，包括：按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度；
参数计算单元33，根据计算单元的结果获得单目相机外部参数；
存储单元34，存储所述外部参数。
所述行车记录仪还包括第二计算单元35，根据存储单元存储的外部参数，对单目摄像单元获取的图像进行校正。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。
其中第一计算单元32、参数计算单元33和第二计算单元35可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
根据本公开的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本公开的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。
本公开还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本公开的上述方法的各个步骤的部分或全部。
本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种相机外部参数自动标定方法，其特征在于，所述相机为单目相机，所述方法包括：
获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；
根据所述图像，获取单目相机旋转参数，包括：
按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；
获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述图像确定俯仰角具体为：
根据预设规则检测所述图像中的地平线；
以所述地平线为界将所述图像切割为上部区域、下部区域；
获取所述上部区域占所述图像的第一比例值，所述下部区域的图像占所述图像的第二比例值；
根据第一比例值与第二比例值的差值与90度的乘积作为俯仰角的角度值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述图像确定俯仰角具体为：
获取图像中色度值在预置范围内的像素确定所述上部区域；图像中上部区域之外的部分为所述下部区域；
获取所述上部区域占所述图像的第一比例值，所述下部区域的图像占所述图像的第二比例值；
根据第一比例值与第二比例值的差值与90度的乘积作为俯仰角的角度值。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的方法，其特征在于，获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度具体为：
识别所述图像中的车体区域；
获取所述车体区域中沿几何中心对称的第一目标点及第二目标点间的连线；
获取基于所述连线旋转至所述图像顶边或底边的角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一目标点和第二目标点为前车窗框左右两点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转参数中的偏航角度值为0。
7.一种行车记录仪，其特征在于，包括：
单目摄像单元，用于获取安装于车辆的单目相机拍摄的图像；
第一计算单元，用于根据所述图像获取单目相机旋转参数，包括：按照预置规则，识别图像中上部区域与下部区域，根据所述上部区域与下部区域的比例确定单目相机俯仰角度；获取所述图像中车体延轴线对称两点间的连线，计算该连线与水平线的夹角确定滚转角度；
参数计算单元，根据计算单元的结果获得单目相机外部参数；
存储单元，存储所述外部参数。
8.根据权利要求7所述的行车记录仪，其特征在于，包括：
第二计算单元，根据存储单元存储的外部参数，对单目摄像单元获取的图像进行校正。
9.一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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