CN112907647B - 一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法 - Google Patents

一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及图像监控技术领域，具体公开了一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其中，包括：通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数；采集包含三维控制点靶标的视频图像；根据相机内参数对包含三维控制点靶标的视频图像进行镜头畸变矫正；获取镜头畸变矫正后的视频图像中三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标；根据三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定；根据相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸。本发明提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法可以提高测量精度，且能够适用于多种相机。

Description

一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法
技术领域
本发明涉及图像监控技术领域，尤其涉及一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法。
背景技术
在刑事犯罪现场或者交通事故现场，获取人员、车辆、痕迹物证等目标的长宽高等三维空间尺寸信息非常重要，监控视频是最直观也最容易获取这些信息的证据来源，限于成本原因安防监控往往是单个出现，而单目摄像头拍摄的图像是空间物体在二维平面的成像，在没有辅助测量情况下是无法获取三维空间信息的。
对于单目摄像机拍摄图像测量尺寸，现有方法中大多简单利用线性比例关系，在图像中选取已知尺寸信息的参照线段计算其它物体的尺寸信息，但是该方法仅适应于测量物和参照物处于同一景深情况下，对于不同景深的情况测量误差极大，测量精度无法得到保证，它本质上只是一种简化的2D测量，而不是3D测量。
现有技术中，对于单目摄像机进行3D测量还有一类方法是移动单目摄像机多角度拍摄从而达到立体观测的目的，此类方法在实际操作中难以控制，且用于固定证据的监控摄像头往往不可移动。
现有技术中存在一种基于单目摄像机的3D空间测量方法，其中国专利号为CN201810066148.3，其方法公开采用了单目摄像机两次或者多次对焦成像，不需要改变摄像机的位置和姿态(即固定式摄像机)，但是需要主动改变单目摄像机的像距、焦距、像高等内部数据，通过多张图像进行关联计算得到相对空间关系，但实际上大多都是固定式定焦摄像头，像距和焦距等相机参数本身不能变化，该方法适用范围有限，且此方法操作繁琐、计算复杂。
发明内容
本发明提供了一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，解决相关技术中存在的测量精度低且测量方法繁琐适用范围有限的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其中，包括：
通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数；
采集包含三维控制点靶标的视频图像，其中所述三维控制点靶标位于所述固定式单目摄像机的视野拍摄范围内；
根据所述相机内参数对包含三维控制点靶标的视频图像进行镜头畸变矫正；
获取镜头畸变矫正后的视频图像中三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标；
根据所述三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定；
根据所述相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸。
进一步地，所述通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数，包括：
根据标定装置对固定式单目摄像机进行相机内参数标定，获得相机内参数，其中所述相机内参数包括焦距、像主点和光学畸变差。
进一步地，所述标定装置包括：标定板、云台、伸缩杆、转台和支撑座，所述标定板与所述云台连接，所述伸缩杆的一端连接所述云台，所述伸缩杆的另一端连接所述转台，所述转台与所述支撑座连接，所述云台用于调整所述标定板的位置范围和角度。
进一步地，所述根据所述三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定，包括：
根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵；
根据所述线性变换矩阵对所述固定式单目摄像机的相机外参数进行标定。
进一步地，所述根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵，包括：
根据所述三维控制点靶标的图像坐标(X，Y)及其对应的物方空间坐标(X，Y，Z)采用直接线性变换原理，将所述固定式单目摄像机成像几何模型简化为透视成像模型，并建立像平面坐标和物方空间坐标之间的几何关系式，其中几何关系式表示为：
Figure BDA0002916193760000021
展开得到以li为未知数的方程：
Figure BDA0002916193760000022
当有n个控制点时，得到2n个方程式，并写成矩阵形式为：
Figure BDA0002916193760000023
该矩阵即为AX＝L，其中A阵表示由像点坐标和物方坐标构成的2n×11大小的系数矩阵，X表示由li构成的大小为11×1的未知数矩阵，L表示由像点坐标构成的大小为2n×1的观测值矩阵；
根据最小二乘法求得未知数矩阵X＝(ATA)-1ATL。
进一步地，所述根据所述相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸，包括：
根据所述相机内参数对待测量视频图像进行镜头畸变矫正；
根据所述线性变换矩阵及直接线性变换方程对待测量视频图像进行计算，得到所述待测量视频图像上的任意点图像坐标及其对应的物方空间坐标；
根据待测量视频图像上的任意点图像坐标及其对应的物方空间坐标分析计算所述待测量视频图像中的目标的三维空间尺寸信息。
进一步地，所述镜头畸变矫正包括桶形畸变、枕形畸变和鱼眼镜头畸变。
进一步地，所述三维控制点靶标包括：三根互成90°垂直的标杆构成XYZ方向的3轴，每轴上的控制点数据不少于2个。
本发明实施例提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，通过对相机内参数进行标定，并对采集到的视频图像进行镜头畸变矫正可以提高测量准确度，另外，通过设定三维控制点靶标，并采集包含三维控制点靶标的视频图像，根据相机外参数解算不同待测点的物方空间坐标，从而实现视频图像中人员、车辆、痕迹物证等目标的长宽高等三维空间尺寸信息获取。本发明提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，在不需要改变摄像机成像参数和位置姿态参数的情况下，借助特殊设计的辅助测量装置实现了单目摄像机三维空间尺寸测量，保证精度的同时又具有操作简单的特点，且不会破坏证据的原始性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法的流程图。
图2为本发明提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法的具体实施方式流程图。
图3为本发明提供的图像坐标系与三维控制点靶标物方空间坐标系之间的关系示意图。
图4为本发明提供的标定装置结构示意图。
图5为本发明提供的控制端靶标模块的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，图1是根据本发明实施例提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法的流程图，如图1至图3所示，包括：
S110、通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数；
在本发明实施例中，可以根据标定装置对固定式单目摄像机进行相机内参数标定，获得相机内参数，其中所述相机内参数包括焦距、像主点和光学畸变差。
具体地，如图4所示，所述标定装置包括：标定板、云台、伸缩杆、转台和支撑座，所述标定板与所述云台连接，所述伸缩杆的一端连接所述云台，所述伸缩杆的另一端连接所述转台，所述转台与所述支撑座连接，所述云台用于调整所述标定板的位置范围和角度。
需要说明的是，所述标定板采用黑白圆点标定板，所述云台采用球形云台，黑白圆点标定板与球形云台连接，可实现标定板沿XYZ面自由旋转；伸缩杆上端连接球形云台，下端连接转台，长度可以在1～3米内自由变化，以适应室内外大多数安装高度的摄像机标定；转台与支撑座相连，可以使得伸缩杆以上部件绕Z轴360°转动。标定装置可以在不改变摄像机的情况下，可以轻易地改变标定板朝向摄像机的位置和角度，从而快速实现固定式单目摄像机非接触高精度标定。
S120、采集包含三维控制点靶标的视频图像，其中所述三维控制点靶标位于所述固定式单目摄像机的视野拍摄范围内；
应当理解的是，在固定式单目摄像机视野拍摄覆盖的场景范围内布设三维控制点靶标，然后采集包含三维控制点靶标的视频图像。
需要说明的是，所述三维控制点靶标包括：三根互成90°垂直的标杆构成XYZ方向的3轴，每轴上的控制点数据不少于2个
具体地，采用特殊设计的三维控制点靶标进行控制点布设，如图5所示，三维控制点靶标主要用于控制点物方空间坐标(X，Y，Z)获取，由3根互成90°垂直且反光特性好的标杆构成XYZ方向的3轴，每根标杆固定长度50cm间隔镶嵌一个圆形反光片，即靶标控制点。靶标布设范围不小于100cm长×100cm宽×100cm高，且每轴控制点数目不少于2个，总体不少于6个。整个三维控制点靶标布设模块可自由拆卸，安装和收纳方便。
S130、根据所述相机内参数对包含三维控制点靶标的视频图像进行镜头畸变矫正；
应当理解的是，基于前述获得的相机内参数对采集到的包含三维控制点靶标的视频图像进行镜头畸变矫正，该镜头畸变校正消除了单目摄像机成像中存在的桶形畸变、枕形畸变或鱼眼镜头畸变等，为提高测量精度提供了保障。
S140、获取镜头畸变矫正后的视频图像中三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标；
在本发明实施例中，对于镜头畸变矫正后的视频图像，可以获取其中的三维控制点靶标的图像坐标(X，Y)及其对应的物方空间坐标(X，Y，Z)。
S150、根据所述三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定；
在本发明实施例中，具体可以包括：
根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵；
根据所述线性变换矩阵对所述固定式单目摄像机的相机外参数进行标定。
应当理解的是，据摄影测量领域的直接线性变换(DLT)方程，求解图像坐标与物方空间坐标之间的线性变换矩阵，从而实现相机外参数(即二维图像与三维空间之间的关系)标定。
进一步具体地，所述根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵，包括：
根据所述三维控制点靶标的图像坐标(X，Y)及其对应的物方空间坐标(X，Y，Z)采用直接线性变换原理，将所述固定式单目摄像机成像几何模型简化为透视成像模型，并建立像平面坐标和物方空间坐标之间的几何关系式，其中几何关系式表示为：
Figure BDA0002916193760000051
展开得到以li为未知数的方程：
Figure BDA0002916193760000052
当有n个控制点时，得到2n个方程式，并写成矩阵形式为：
Figure BDA0002916193760000053
该矩阵即为AX＝L，其中A阵表示由像点坐标和物方坐标构成的2n×11大小的系数矩阵，X表示由li构成的大小为11×1的未知数矩阵，L表示由像点坐标构成的大小为2n×1的观测值矩阵；
根据最小二乘法求得未知数矩阵X＝(ATA)-1ATL。
需要说明的是，由于以上方程中共有11个未知数，即最少需要6组控制点即可求得变换矩阵。
S160、根据所述相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸。
应当理解的是，对于待测量视频图像，基于获得的相机内参数对进行镜头畸变校正，再根据求解得到的变换矩阵及DLT方程，计算视频图像上任意图像坐标(x,y)对应的物方空间坐标(X，Y，Z)，最终即可分析计算视频图像中人员、车辆、痕迹物证等目标的长宽高等三维空间尺寸信息。
本发明实施例提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，通过对相机内参数进行标定，并对采集到的视频图像进行镜头畸变矫正可以提高测量准确度，另外，通过设定三维控制点靶标，并采集包含三维控制点靶标的视频图像，根据相机外参数解算不同待测点的物方空间坐标(X，Y，Z)，从而实现视频图像中人员、车辆、痕迹物证等目标的长宽高等三维空间尺寸信息获取。本发明提供的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，在不需要改变摄像机成像参数和位置姿态参数的情况下，借助特殊设计的辅助测量装置实现了单目摄像机三维空间尺寸测量，保证精度的同时又具有操作简单的特点，且不会破坏证据的原始性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，包括：
通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数；
采集包含三维控制点靶标的视频图像，其中所述三维控制点靶标位于所述固定式单目摄像机的视野拍摄范围内；
根据所述相机内参数对包含三维控制点靶标的视频图像进行镜头畸变矫正；
获取镜头畸变矫正后的视频图像中三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标；
根据所述三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定；
根据所述相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸；
所述根据所述三维控制点靶标的图像坐标及其对应的物方空间坐标进行固定式单目摄像机的相机外参数标定，包括：
根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵；
根据所述线性变换矩阵对所述固定式单目摄像机的相机外参数进行标定；
所述根据直接线性变换方程求解所述三维控制点靶标的图像坐标与其对应的物方空间坐标之间的线性变换矩阵，包括：
根据所述三维控制点靶标的图像坐标(X，Y)及其对应的物方空间坐标(X，Y，Z)采用直接线性变换原理，将所述固定式单目摄像机成像几何模型简化为透视成像模型，并建立像平面坐标和物方空间坐标之间的几何关系式，其中几何关系式表示为：
Figure FDA0003574230560000011
展开得到以li为未知数的方程：
Figure FDA0003574230560000012
当有n个控制点时，得到2n个方程式，并写成矩阵形式为：
Figure FDA0003574230560000013
该矩阵即为AX＝L，其中A阵表示由像点坐标和物方坐标构成的2n×11大小的系数矩阵，X表示由li构成的大小为11×1的未知数矩阵，L表示由像点坐标构成的大小为2n×1的观测值矩阵；
根据最小二乘法求得未知数矩阵X＝(ATA)-1ATL。
2.根据权利要求1所述的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，所述通过相机标定方式获取固定式单目摄像机的相机内参数，包括：
根据标定装置对固定式单目摄像机进行相机内参数标定，获得相机内参数，其中所述相机内参数包括焦距、像主点和光学畸变差。
3.根据权利要求2所述的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，所述标定装置包括：标定板、云台、伸缩杆、转台和支撑座，所述标定板与所述云台连接，所述伸缩杆的一端连接所述云台，所述伸缩杆的另一端连接所述转台，所述转台与所述支撑座连接，所述云台用于调整所述标定板的位置范围和角度。
4.根据权利要求1所述的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，所述根据所述相机外参数标定对待测量视频图像进行计算分析，得到待测量视频图像中的三维空间尺寸，包括：
根据所述相机内参数对待测量视频图像进行镜头畸变矫正；
根据所述线性变换矩阵及直接线性变换方程对待测量视频图像进行计算，得到所述待测量视频图像上的任意点图像坐标及其对应的物方空间坐标；
根据待测量视频图像上的任意点图像坐标及其对应的物方空间坐标分析计算所述待测量视频图像中的目标的三维空间尺寸信息。
5.根据权利要求1所述的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，所述镜头畸变矫正包括桶形畸变、枕形畸变和鱼眼镜头畸变。
6.根据权利要求1所述的基于固定式单目摄像机的三维空间尺寸测量方法，其特征在于，所述三维控制点靶标包括：三根互成90°垂直的标杆构成XYZ方向的3轴，每轴上的控制点数据不少于2个。
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