CN113310420B - 一种通过图像测量两个目标之间距离的方法 - Google Patents

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郭尔夫
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了一种通过图像测量两个目标之间距离的方法，两个目标设为A和B，A和B处于互相垂直的两个平面内，所述方法包括：在A和B处，设置均为矩形且长宽已知的第一靶标和第二靶标，并且使得第一靶标的一条边和第二靶标的一条边平行；成像装置获得同时包含第一靶标、第二靶标的测量图像；计算出第一靶标到测量图像的第一单应矩阵，第二靶标到测量图像的第二单应矩阵；假设,A在其所在平面内经过两个方向上的平移分别为dx、dy后到达A’，并且，B在其所在平面内经过一个方向上的平移为dz后到达B'，A’和B’与所述成像装置共线。

Description

一种通过图像测量两个目标之间距离的方法
技术领域
本发明属于图像测量领域，具体涉及一种通过图像测量两个目标之间距离的方法。
背景技术
图像测量是非接触式测量中使用的重要方法之一，该方法利用图像处理技术对包含测量目标的图像进行处理，进而获取测距结果。图像测量的优势是简单易行，成本低廉，不需要复杂的测量工具，适合应用于传统接触式测量难以实施的场合。
一般的图像测距方法需要对相机进行标定，根据标定参数再来求解图像空间与真实空间的转换关系，进而求解图像中指定点的距离。另外因为单幅图像理论上无法还原三维空间的状态，因而一些方法还需要多个摄像头或者拍摄多幅图像的照片来进行测量。
采用事先标定相机的方法对于相机标定的精度要求高，因为需要进行多步计算，标定结果直接影响最终的测量结果；多摄像头或者多幅图像的测量方式则增加了操作的复杂度，不够简单易用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过图像测量两个目标之间距离的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种通过图像测量两个目标之间距离的方法，两个目标设为A和B，A和B处于互相垂直的两个平面内，所述方法包括：
在A和B处，设置均为矩形且长宽已知的第一靶标和第二靶标，并且使得第一靶标的一条边和第二靶标的一条边平行；
成像装置获得同时包含第一靶标、第二靶标的测量图像；
计算出第一靶标到测量图像的第一单应矩阵，第二靶标到测量图像的第二单应矩阵；
假设,A在其所在平面内经过两个方向上的平移分别为dx、dy后到达A’，并且，B在其所在平面内经过一个方向上的平移为dz后到达B'，A’和B’与所述成像装置共线；
在dx、dy和第一单应矩阵的基础上推导计算出，与A连带移动后的第一靶标到测量图像的第三单应矩阵，在dz和第二单应矩阵的基础上推导计算出，与B连带移动后的第二靶标到测量图像的第四单应矩阵；
获得一变换矩阵，所述变换矩阵与所述A所在平面的第一坐标相乘后得到所述B所在平面的与所述第一坐标、成像装置共线的第二坐标；
基于所述第三单应矩阵与A’坐标相乘后的值等于所述第四单应矩阵与B’坐标相乘后的值这一等式，并且将B’坐标替换为所述变换矩阵与A’坐标的相乘，计算出dx、dy和dz的值；
基于第一靶标和第二靶标已知的长宽，和A、B分别在第一靶标、第二靶标的几何定位，以及dx、dy和dz的值得出A、B之间的距离。
所述第一靶标、第二靶标具有相等的长宽。
所述第一靶标、第二靶标的中心位置处设置所述目标。
所述第一靶标、第二靶标的中心位置处预先开设通孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本方法设计了测量辅助装置，基于辅助靶标装置不需要标定相机，仅需要单幅图像就可以完成测距功能，简化了操作步骤，同时也避免了标定相机带来的误差，便于推广到任何摄像设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的待测的目标示意图。
图2为实施例拍照得到的平面透视状态图片。
图3为实施例中对靶标顶点以及靶标移动的示意图。
图4为相机从任意角度对系统进行拍照得到的照片示意。
图5为公式推导辅助示意图。
具体实施方式
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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
通过单幅图像测量距离的装置，装置简介如下：
1.待测距离如下图1中AB，在待测目标两点存在靶标矩形A、B，靶标尺寸已知，且靶标A、B所在平面相互垂直，且靶标一边平行。
2.通过相机拍照可以得到平面透视状态图片如图2，目标是通过图片计算两点的空间距离。
矩形A、B边长已知为a，b。
以矩形顶点A1为原点，建立XY平面坐标系，则矩形A四个顶点坐标为A1(0，0)，A2(a，0)，A3(a，b)，A4(0，b)。
使用相机从任意角度对系统进行拍照，得到类似图4的透视状态照片。
通过图像处理，得到矩形的四个顶点像素坐标A’1(x1，y1)，A′2(x2，y2)，A′3(x3，y3)，A′4(x4，y4)
计算A→A′的单应矩阵HXY。
以B1为原点，建立XZ平面坐标系，矩形B四个顶点坐标为B1(0，0)，B2(a，0)，B3(a，b)，B4(0，b)。
同样方法，计算B→B′的单应矩阵HXZ。
若(xc，yc，zc)为相机在全局坐标系下的位置，则有关系：
Figure BDA0003032448580000051
进一步得到：
Figure BDA0003032448580000052
由于HXY与HXZ已经求出，那么根据公式(2)，对比矩阵各项可以得到关于λ，xc，yc，Zc，dX，dY，dZ的方程。进而求解得到dX，dY，dZ，需要注意的是这个方程仅能得到dX，dY，dZ，不能得到λ，xc，yc，Zc。
得到dX，dY，dZ后，显然：
Figure BDA0003032448580000053
这样就根据单幅图像测量出了图像中两点的三维空间距离。
对于公式(1)的具体推导如下：
如图5所示，H、V为同一相机系下的两个垂直平面对于相机图像的单应矩阵，设相机的三维坐标为(xc，yc，zc)，易于得到H到V的单应矩阵T。
Figure BDA0003032448580000054
因为从H面映射到V面上再映射到相机图像平面上，等价于从V面上映射到相机图像平面上，易于得到：H＝VT。进一步地，考虑面平移的情况，易于得到：
Figure BDA0003032448580000061
Figure BDA0003032448580000062
从而得到公式(1)。
实际应用中，对于垂直面的两点距离测量，若无法通过直接手段测量，则可通过以上装置通过拍照进行测量：
1.首先在一点固定矩形靶标A；
2.在另一点固定靶标B；
3.调节靶标使得靶标的一边保持平行；
4.使用相机从可包含两个靶标的位置进行拍照；
5.将照片经过以上处理方式进行处理，最后即可得到空间中两点的距离。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (4)

1.一种通过图像测量两个目标之间距离的方法，其特征在于，两个目标设为A和B，A和B处于互相垂直的两个平面内，所述方法包括：
在A和B处，设置均为矩形且长宽已知的第一靶标和第二靶标，A包含于第一靶标内，B包含于第二靶标内，并且使得第一靶标的一条边和第二靶标的一条边平行；
成像装置获得同时包含第一靶标、第二靶标的测量图像；
以第一靶标的其中一个顶点为原点，建立平面坐标系，得出第一靶标四个顶点的坐标，再通过成像装置从任意角度获取透视状态图像，处理图像，得到第一靶标四个顶点像素坐标，计算出第一靶标到测量图像的第一单应矩阵，同理计算出第二靶标到测量图像的第二单应矩阵；
假设,A在其所在平面内经过两个方向上的平移分别为dx、dy后到达A’，并且，B在其所在平面内经过一个方向上的平移为dz后到达B'，A’和B’与所述成像装置共线；
在dx、dy和第一单应矩阵的基础上推导计算出，与A连带移动后的第一靶标到测量图像的第三单应矩阵，在dz和第二单应矩阵的基础上推导计算出，与B连带移动后的第二靶标到测量图像的第四单应矩阵；
获得一变换矩阵，所述变换矩阵与A所在平面的第一坐标相乘后得到B所在平面的与所述第一坐标、成像装置共线的第二坐标；
基于所述第三单应矩阵与A’坐标相乘后的值等于所述第四单应矩阵与B’坐标相乘后的值这一等式，并且将B’坐标替换为所述变换矩阵与A’坐标的相乘，计算出dx、dy和dz的值；
基于第一靶标和第二靶标已知的长宽，和A、B分别在第一靶标、第二靶标的几何定位，以及dx、dy和dz的值得出A、B之间的距离。
2.根据权利要求1所述的通过图像测量两个目标之间距离的方法，其特征在于，所述第一靶标、第二靶标具有相等的长宽。
3.根据权利要求1所述的通过图像测量两个目标之间距离的方法，其特征在于，所述第一靶标、第二靶标的中心位置处设置所述目标。
4.根据权利要求3所述的通过图像测量两个目标之间距离的方法，其特征在于，所述第一靶标、第二靶标的中心位置处预先开设通孔。
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