CN113034609B - 一种基于摄像头对目标进行定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像头对目标进行定位的方法，首先在摄像头固定后在水平地面设置n根标尺对摄像头进行标定，然后拍摄标定图像，得到纵向标定表和横向标定表；接着根据纵向标定表和横向标定表，得出目标在图像中的坐标和现实中坐标的关系；最后在实际应用中，通过目标在拍摄图片中的坐标计算出其在现实中的坐标。本发明通过查表计算完成目标的定位，没有繁琐的标定流程和计算过程，提高了对目标的定位的准确性。

Description

一种基于摄像头对目标进行定位的方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种基于摄像头对目标进行定位的方法。

背景技术

现在通过摄像头对目标进行定位都需要获取摄像头的外参和内参，只有知道了摄像头的参数，才可以对目标进行定位，这些方法对摄像头的安装位置等外参和摄像头的内参的准确性有着较高的要求，获取的参数的准确性将对目标的定位的准确性产生很大影响。对于摄像头内参的获取，是通过棋盘法进行标定得到，但是这种方法对标定时拍摄棋盘图像有着较高的要求，并不能保证得到最优解，也就是很难得到摄像头准确的内参。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于摄像头对目标进行定位的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于摄像头对目标进行定位的方法，包含以下步骤：

令地面水平，摄像头距离地面的高度为H，摄像头拍摄方向和水平面之间的夹角即拍摄角度为α；

步骤1)，获得在拍摄角度α下摄像头拍摄的图片最下沿在地面上对应的直线L，以摄像头在地面上的投影位置为原点O，测量原点O和直线L之间的距离D；

步骤2)，以经过原点O且平行于直线L的方向为X轴、在地面上经过原点O且垂直于X轴的方向为Y轴、经过原点O且分别垂直于X轴和Y轴的方向为Z轴建立世界坐标系；

步骤3)，在地面上沿远离摄像头的方向依次设置n根和直线L平行的标尺，标尺的长度为预设的第一长度阈值l，相邻标尺之间的距离为预设的第二长度阈值d，各个标尺的中点均在Y轴上，直线L位于原点O和第一根标尺之间，且直线L和第一根标尺之间的距离为d；

步骤4)，通过摄像头拍摄图像，得到标定图像，并以标定图像的左上角为原点o、经过原点o且平行于标定图像底边的直线为x轴、经过原点o且平行于标定图像竖边的直线为y轴建立图像坐标系；

步骤5)，根据标定图像得到目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系；

步骤5.1)，根据标定图像和相似三角形原理，建立纵向标定表如下：

标定图像上的纵坐标

y<sub>0</sub>

y<sub>1</sub>

…

y<sub>i</sub>

…

y<sub>n</sub>

h2

世界坐标系中纵坐标

D

D+d

…

D+id

…

D+nd

∞

表中，y₀＝h，h为标定图像的高，y_i为第i个标尺在标定图像上的纵坐标，i为大于等于1小于等于n的自然数；

步骤5.2)，建立横向标定表如下：

表中，x_ir、x_il分别为第i个标尺的右端、左端在标定图像上的横坐标；

步骤5.3)，基于纵向标定表，根据线性插值的方法得到目标在图像坐标系中的纵坐标y和世界坐标系中纵坐标Y的对应关系：

式中，y_m-1、y_m分别是纵向标定表标定图像上的纵坐标一栏中最接近y的两个值，m为大于等于1小于等于n的自然数，m由y_m确定；

在纵坐标y处设置长度为l、中点在Y轴上且垂直于Y轴的标尺，令该标尺在图像坐标系中两端的横坐标之差为x'，基于横向标定表，根据线性插值的方法得到x'和世界坐标系中标尺与原点的距离Y的对应关系：

步骤5.4)，通过以下公式得到目标在图像坐标系中的横坐标x和在世界坐标系中横坐标X的对应关系：

式中，w为标定图像的宽度；

步骤6)，撤掉所有标尺，保持H、α不变，通过摄像头拍摄定位照片；

步骤7)，在定位照片中获得目标在图像坐标系中的横坐标和纵坐标，根据目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系，计算得到目标在世界坐标系中纵坐标、横坐标。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过查表来完成目标的定位，没有繁琐的标定流程，对摄像头的内参不做要求；同时因为采用了查表的方法，没有繁琐的计算，提高了完成目标的定位的速度，增加了实时性；另一方面，根据本发明提出的方法，通过制作不同规格的标定表，即可提高对目标的定位的准确性。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明中标定的原理示意图；

图3是本发明中标定图像的示意图；

图4是标定场景到标定图像的映射原理示意图；

图5是根据目标检测算法对摄像头拍摄图像进行检测结果示意图；

图6是验证时进行拍摄的图像示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

一种基于摄像头对目标进行定位的方法，包含以下步骤：

令地面水平，摄像头距离地面的高度为H，摄像头拍摄方向和水平面之间的夹角即拍摄角度为α；

步骤1)，获得在拍摄角度α下摄像头拍摄的图片最下沿在地面上对应的直线L，以摄像头在地面上的投影位置为原点O，测量原点O和直线L之间的距离D；

步骤2)，以经过原点O且平行于直线L的方向为X轴、在地面上经过原点O且垂直于X轴的方向为Y轴、经过原点O且分别垂直于X轴和Y轴的方向为Z轴建立世界坐标系；

步骤3)，在地面上沿远离摄像头的方向依次设置n根和直线L平行的标尺，标尺的长度为预设的第一长度阈值l，相邻标尺之间的距离为预设的第二长度阈值d，各个标尺的中点均在Y轴上，直线L位于原点O和第一根标尺之间，且直线L和第一根标尺之间的距离为d；

步骤4)，通过摄像头拍摄图像，得到标定图像，并以标定图像的左上角为原点o、经过原点o且平行于标定图像底边的直线为x轴、经过原点o且平行于标定图像竖边的直线为y轴建立图像坐标系；

当摄像头安装角度α＝0时，标定图像如图3所述。图中，xoy为图像坐标系，点划线分别表示图像的平分线，(x,y)表示标尺两端在该图像上的坐标，(w,h)表示该图像的宽和高，粗实线表示在水平面上铺设的标尺，这些标尺的长度相等，同时标尺之间的间距都相同，如第2步所述。

因为摄像头安装角度α＝0，同时又在水平面上，所以所有标尺两端的构成的连线，即图3中的虚线的交汇点即为图像的中心点。在倾斜面也可以得到如图3所示的图像，但是所有标尺两端的构成的连线的交汇点不再是图像的中心点。

步骤5)，根据标定图像得到目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系；

针孔摄像头的成像原理如图4所示，图中，点划线表示摄像头的中心线，o,β,h,D,d,y_i分别表示摄像头成像原点、摄像头最大成像角度、成像平面大小的高、摄像头所能拍摄的最近地面距离、标尺间距、第i个标尺在标定图像上的高度坐标，i为大于等于1小于等于n的自然数，当摄像头安装位置和水平面平行时，摄像头拍摄图像的水平中线即为无穷远处。

步骤5.1)，根据标定图像和相似三角形原理，建立纵向标定表如下：

标定图像上的纵坐标

y<sub>0</sub>

y<sub>1</sub>

…

y<sub>i</sub>

…

y<sub>n</sub>

h2

世界坐标系中纵坐标

D

D+d

…

D+id

…

D+nd

∞

表中，y_i为第i个标尺在标定图像上的纵坐标，i为大于等于1小于等于n的自然数，y₀＝h；

步骤5.2)，建立横向标定表如下：

表中，x_ir、x_il分别为第i个标尺的右端、左端在标定图像上的横坐标；

步骤5.3)，基于纵向标定表，根据线性插值的方法得到目标在图像坐标系中的纵坐标y和世界坐标系中纵坐标Y的对应关系：

式中，y_m-1、y_m分别是纵向标定表标定图像上的纵坐标一栏中最接近y的两个值，m为大于等于1小于等于n的自然数，m由y_m确定；

在纵坐标y处设置长度为l、中点在Y轴上且垂直于Y轴的标尺，令该标尺在图像坐标系中两端的横坐标之差为x'，基于横向标定表，根据线性插值的方法得到x'和世界坐标系中标尺与原点的距离Y的对应关系：

步骤5.4)，通过以下公式得到目标在图像坐标系中的横坐标x和在世界坐标系中横坐标X的对应关系：

式中，w为标定图像的宽度；

步骤6)，撤掉所有标尺，通过摄像头拍摄定位照片；

步骤7)，在定位照片中获得目标在图像坐标系中的横坐标和纵坐标，根据目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系，计算得到目标在世界坐标系中纵坐标、横坐标。

如图5所示，根据目标检测算法对摄像头拍摄图像的检测，得到目标(目标底部中心)在图像坐标系下的位置(x_d,y_d)，先根据y_d计算目标在世界坐标系中纵坐标Y以及其对应的x'，然后根据x_d和得到的x'计算目标在世界坐标系中的横坐标X。

本方法也能够应用在地面非水平面而是倾斜面时，视实际情况稍作修改即可。

为了验证本发明提出的方法有效性，特取一个摄像头拍摄一张图片进行验证，如图6所示。在摄像头获取一张图片后，通过目标检测算法检测到7个物体，分别为Trashbasket,Book,Box,Umbrella,Computer,Chair.其中Umbrella和一个Box不在平面上，不适用于本发明的方法进行定位。其它5个物体均在以平面上，即都满足测距条件。

由上表可知在该张图像中，通过本发明的方法，测量纵向误差最大为5.6％，横向误差最大为4.4％，通过和普通标定和计算得到的结果相比，本发明提出的方法达到了较优的结果。

本发明舍弃了传统的摄像头标定方法，在不需要知道摄像头内参的情况下，完成对目标的定位，同时根据本发明提出方法得到的标定表，通过查表的方法得到目标相对于摄像头的横向距离和纵向距离，不再采用传统的通过矩阵和公式方法，减少计算量，提高目标检测和定位的速度。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于摄像头对目标进行定位的方法，其特征在于，包含以下步骤：

令地面水平，摄像头距离地面的高度为H，摄像头拍摄方向和水平面之间的夹角即拍摄角度为α；

步骤1)，获得在拍摄角度α下摄像头拍摄的图片最下沿在地面上对应的直线L，以摄像头在地面上的投影位置为原点O，测量原点O和直线L之间的距离D；

步骤2)，以经过原点O且平行于直线L的方向为X轴、在地面上经过原点O且垂直于X轴的方向为Y轴、经过原点O且分别垂直于X轴和Y轴的方向为Z轴建立世界坐标系；

步骤3)，在地面上沿远离摄像头的方向依次设置n根和直线L平行的标尺，标尺的长度为预设的第一长度阈值l，相邻标尺之间的距离为预设的第二长度阈值d，各个标尺的中点均在Y轴上，直线L位于原点O和第一根标尺之间，且直线L和第一根标尺之间的距离为d；

步骤4)，通过摄像头拍摄图像，得到标定图像，并以标定图像的左上角为原点o、经过原点o且平行于标定图像底边的直线为x轴、经过原点o且平行于标定图像竖边的直线为y轴建立图像坐标系；

步骤5)，根据标定图像得到目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系；

步骤5.1)，根据标定图像和相似三角形原理，建立纵向标定表如下：

标定图像上的纵坐标 y₀ y₁ … y_i … y_n h/2 世界坐标系中纵坐标 D D+d … D+id … D+nd ∞

表中，y₀＝h，h为标定图像的高，y_i为第i个标尺在标定图像上的纵坐标，i为大于等于1小于等于n的自然数；

步骤5.2)，建立横向标定表如下：

表中，x_ir、x_il分别为第i个标尺的右端、左端在标定图像上的横坐标；

步骤5.3)，基于纵向标定表，根据线性插值的方法得到目标在图像坐标系中的纵坐标y和世界坐标系中纵坐标Y的对应关系：

式中，y_m-1、y_m分别是纵向标定表标定图像上的纵坐标一栏中最接近y的两个值，m为大于等于1小于等于n的自然数，m由y_m确定；

在纵坐标y处设置长度为l、中点在Y轴上且垂直于Y轴的标尺，令该标尺在图像坐标系中两端的横坐标之差为x'，基于横向标定表，根据线性插值的方法得到x'和世界坐标系中标尺与原点的距离Y的对应关系：

步骤5.4)，通过以下公式得到目标在图像坐标系中的横坐标x和在世界坐标系中横坐标X的对应关系：

式中，w为标定图像的宽度；

步骤6)，撤掉所有标尺，保持H、α不变，通过摄像头拍摄定位照片；

步骤7)，在定位照片中获得目标在图像坐标系中的横坐标和纵坐标，根据目标在图像坐标系中的纵坐标、横坐标和世界坐标系中纵坐标、横坐标的对应关系，计算得到目标在世界坐标系中纵坐标、横坐标。

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