CN114159049B - 一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统及方法，包括立体红外相机、几何标定模块、同名像点坐标提取模块和立体测距模块，立体红外相机拍摄实施动物体尺测量的立体像对；几何标定模块用于使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定；同名像点坐标提取模块根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，获得动物体尺对应的同名像点坐标；立体测距模块根据立体红外相机的几何参数，以及同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。该系统及方法能够解决传统动物体尺测量方法有可能对动物造成伤害、致死的风险，以及精度不高的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及动物体尺测量技术领域，尤其涉及一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统及方法。
背景技术
体尺是了解和研究动物最直观的数据，在对动物进行野外监测和室内体检的时候，需要测量得到动物的体重、体长、体围数据。动物体尺的定义：体长、躯干长、耳长、尾长、后足长、肩高、臀高、颈长、颈围、前肢围、胸围、腹围、腰围、后肢围、前肢左右间距、后肢左右间距、前后肢间距。为了测量动物的体尺数据，传统的方法需要对活体动物进行麻醉处理后，再实施测量，或者需要等待动物死亡，在制作动物标本的时候进行测量。传统的体尺测量方法是一种直接接触动物的测量方法，这种方法不仅会对动物造成伤害，而且测量精度也不高。
近年来，红外相机在野生动物识别、监测、物种分布、种群数量、行为、生境利用领域得到了广泛的应用，红外相机是靠温度感应而自动启动相机，这是红外相机的原始功能，但红外相机的拍摄监控作用，在生活中也可以得到充分的发挥，所应用场景有：野外侦测自动照相，野生动物调查，家居防盗取证，办公室防盗取证，中小型超市防盗取证，林业系统、科考研究、环境保护、动物户外监控或野外侦测，果园、农村、林场、水库、鱼塘等重点区域监控。但现有技术的红外相机一般是单台使用，即技术人员将独立的一台红外相机布设在野外，这样红外相机只能实现对动物进行拍照、监测和识别的功能，不具备进行几何测量的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统及方法，该系统及方法能够解决传统动物体尺测量方法有可能对动物造成伤害、致死的风险，以及精度不高的缺点，采用立体视觉技术实现对动物体尺的非接触高精度几何测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统，所述系统包括立体红外相机、几何标定模块、同名像点坐标提取模块和立体测距模块，其中：
立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照，以拍摄实施动物体尺测量的立体像对；
几何标定模块用于使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，具体是通过输入所述立体红外相机拍摄的标定图像，进行图像数据处理和几何参数解算，得到立体红外相机的几何参数；
同名像点坐标提取模块用于根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
立体测距模块用于根据所述几何标定模块得到的立体红外相机的几何参数，以及所述同名像点坐标提取模块提取的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
一种基于立体红外相机的动物体尺测量方法，所述方法包括：
步骤1、利用立体红外相机拍摄实施动物体尺测量的立体像对；其中，所述立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照；
步骤2、使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，得到立体红外相机的几何参数；
步骤3、根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
步骤4、根据步骤2所得到的立体红外相机的几何参数，以及步骤3所得到的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统及方法能够解决传统动物体尺测量方法有可能对动物造成伤害、致死的风险，以及精度不高的缺点，采用立体视觉技术实现对动物体尺的非接触高精度几何测量，对野生动物保护及生物多样性研究起到了积极的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的基于立体红外相机的动物体尺测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述立体红外相机的结构示意图；
图3为本发明实施例所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
如图1所示为本发明实施例提供的基于立体红外相机的动物体尺测量系统的结构示意图，所述系统包括立体红外相机、几何标定模块、同名像点坐标提取模块和立体测距模块，其中：
立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照，以拍摄实施动物体尺测量的立体像对；
几何标定模块用于使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，具体是通过输入所述立体红外相机拍摄的标定图像，进行图像数据处理和几何参数解算，得到立体红外相机的几何参数；具体实现中，立体红外相机的几何参数包括内方位元素和外方位元素，内方位元素包括主距、主点、径向畸变系数和切向畸变系数；外方位元素包括副相机坐标系到主相机坐标系的旋转和平移参数；
同名像点坐标提取模块用于根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对,基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
立体测距模块用于根据所述几何标定模块得到的立体红外相机的几何参数，以及所述同名像点坐标提取模块提取的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
如图2所示为本发明实施例所述立体红外相机的结构示意图，在所述立体红外相机中，主相机和副相机之间加装有一根信号同步线缆，当主相机触发拍照功能后，通过信号同步线缆向副相机发射一个信号，激发副相机拍照，进而实现两台红外相机的时间同步拍照功能；经过测试，两台红外相机的同步拍照时间误差优于0.3s。
具体实现中，所述几何标定板由棋盘格图案平板和三角支架组成，棋盘格图案由12*9阵列构成，格网间隔50mm，角点定位精度优于0.002mm；
在几何标定板的背面安装有快装板接口，通过快装板与三角支架连接；
通过万向接头实现所述几何标定板的自由旋转，进而在作业过程中实现标定图像的多位姿切换。
另外，上述系统可固定安装在一块稳定的平板上；或安装在动物常出没的地点，并固定安装在树干或者石头上。
基于上述系统，本发明实施例还提供了一种基于立体红外相机的动物体尺测量方法，如图3所示为本发明实施例所述方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤1、利用立体红外相机拍摄实施动物体尺测量的立体像对；
其中，所述立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照；
步骤2、使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，得到立体红外相机的几何参数；
在该步骤使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定的过程中，立体红外相机每次成像后，需要变换几何标定板的位姿，共拍摄多组立体像对，例如可以拍摄30组立体像对，以提高标定精确度。
具体的标定过程见上述几何标定模块的描述。
步骤3、根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
步骤4、根据步骤2所得到的立体红外相机的几何参数，以及步骤3所得到的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
下面以具体的实例对动物体尺测量过程进行详细描述：
案例1、花豹
在某动物园对花豹进行了体尺测量测试，将立体红外相机布设在花豹笼舍内，首先进行了相机参数的标定；然后将花豹放回笼中，等到若干天后，回收立体红外相机；在数据处理时，首先对立体像对进行筛选，最终筛选出8对可用的立体像对，用于实施体尺测量数据处理。将相机标定参数代入本实施例的系统，测量出如下的花豹体尺数据：
表1花豹体尺值
| 编号 | 内容 | 体尺值/mm |
| 1 | 体长 | 1167.405305 |
| 2 | 标定板一个格网的长(真值20mm) | 23.78365396 |
| 3 | 标定板一个格网的宽(真值20mm) | 23.5679521 |
| 4 | 肩高 | 665.6436841 |
| 5 | 臀高 | 695.1305726 |
| 6 | 颈长 | 232.876903 |
| 7 | 躯干长 | 836.8273664 |
| 8 | 后足长 | 229.5807273 |
| 9 | 尾长 | 823.3009592 |
| 10 | 耳长 | 49.63959504 |
案例2、猞猁
在某动物园对猞猁进行了体尺测量测试，将立体红外相机布设在猞猁笼舍内，首先进行了相机参数的标定；然后将猞猁放回笼中，等到若干天后，回收立体红外相机；在数据处理时，首先对立体像对进行筛选，最终筛选出4对可用的立体像对，用于实施体尺测量数据处理。将相机标定参数代入本实施例的系统，测量出如下的猞猁体尺数据：
表2猞猁体尺值
案例3、黑麂
在某动物园对黑麂进行了体尺测量测试，将立体红外相机布设在黑麂笼舍内，首先进行了相机参数的标定；然后将黑麂放回笼中，等到若干天后，回收立体红外相机；在数据处理时，首先对立体像对进行筛选，最终筛选出可用的立体像对，用于实施体尺测量数据处理。将相机标定参数代入本实施例的系统，测量出如下的黑麂体尺数据：
表3黑麂体尺值(编号134)/mm
| 内容 | 1测 | 2测 |
| 体长 | 1478.077468 | |
| 尾长 | ||
| 耳长 | 132.45754 | 116.516093 |
| 颈长 | 304.067427 | |
| 颈围(直径) | 170.414201 | |
| 躯干长 | 811.002466 | 727.635211 |
| 肩高 | 985.707867 | 776.305352 |
| 前肢围(d) | 147.030609 | 118.207445 |
| 前肢左右间距 | 60.108236 | 52.392748 |
| 胸围(d) | 408.313605 | 332.601864 |
| 腹围(d) | 400.281151 | 334.252898 |
| 腰围(d) | 361.564655 | 311.636006 |
| 臀高 | 915.218553 | 753.116857 |
| 后肢围(d) | 216.231358 | 251.03187 |
| 后肢左右间距 | 62.201286 | |
| 前后肢间距 | 434.778104 | 367.034058 |
表4黑麂体尺值(编号152)/mm
| 内容 | 1测 | 2测 |
| 体长 | 913.27 | |
| 尾长 | ||
| 耳长 | 103.310212 | 65.459911 |
| 颈长 | 331.531296 | 252.115053 |
| 颈围(直径) | 139.430987 | 139.086304 |
| 躯干长 | 754.042439 | 637.11302 |
| 肩高 | 836.105855 | 680.238194 |
| 前肢围(d) | 119.104996 | 104.172933 |
| 前肢左右间距 | 248.766959 | |
| 胸围(d) | 363.001377 | 280.943055 |
| 腹围(d) | 343.493814 | 288.0434 |
| 腰围(d) | 312.161817 | 259.347258 |
| 臀高 | 836.038277 | 687.454726 |
| 后肢围(d) | 223.089668 | 221.056554 |
综上所述，本发明实施例所述基于立体红外相机的动物体尺测量系统和方法可以在对动物监测时非接触的测量动物体尺数据，不需要对活体动物进行麻醉，从而不会对动物造成任何的伤害；同时，介于红外相机具有热触发的功能，该系统不仅可以在动物园或室内环境中使用，还可以布设在野外环境下，对野生动物进行体尺测量，填补现有立体视觉技术不适用于动物保护及生物多样性领域的空白，对野生动物保护及生物多样性研究起到了积极的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于立体红外相机的动物体尺测量系统，其特征在于，所述系统包括立体红外相机、几何标定模块、同名像点坐标提取模块和立体测距模块，其中：
立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照，以拍摄实施动物体尺测量的立体像对；
几何标定模块用于使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，具体是通过输入所述立体红外相机拍摄的标定图像，进行图像数据处理和几何参数解算，得到立体红外相机的几何参数；所述几何标定板由棋盘格图案平板和三角支架组成，棋盘格图案由12*9阵列构成，格网间隔50mm，角点定位精度优于0.002mm；在几何标定板的背面安装有快装板接口，通过快装板与三角支架连接；通过万向接头实现所述几何标定板的自由旋转，进而在作业过程中实现标定图像的多位姿切换；
同名像点坐标提取模块用于根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
立体测距模块用于根据所述几何标定模块得到的立体红外相机的几何参数，以及所述同名像点坐标提取模块提取的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
2.根据权利要求1所述基于立体红外相机的动物体尺测量系统，其特征在于，在所述立体红外相机中，主相机和副相机之间加装有一根信号同步线缆，当主相机触发拍照功能后，通过信号同步线缆向副相机发射一个信号，激发副相机拍照，进而实现两台红外相机的时间同步拍照功能。
3.根据权利要求1所述基于立体红外相机的动物体尺测量系统，其特征在于，所述立体红外相机的几何参数包括内方位元素和外方位元素，其中：
内方位元素包括主距、主点、径向畸变系数和切向畸变系数；
外方位元素包括副相机坐标系到主相机坐标系的旋转和平移参数。
4.根据权利要求1所述基于立体红外相机的动物体尺测量系统，其特征在于，
所述系统固定安装在一块稳定的平板上；
或，安装在动物常出没的地点，并固定安装在树干或者石头上。
5.一种基于立体红外相机的动物体尺测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、利用立体红外相机拍摄实施动物体尺测量的立体像对；其中，所述立体红外相机包括两台型号相同的红外相机，分为主相机和副相机，通过同步线缆将主相机与副相机进行连接，实现两台红外相机的同步拍照；
步骤2、使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定，得到立体红外相机的几何参数；其中，所述几何标定板由棋盘格图案平板和三角支架组成，棋盘格图案由12*9阵列构成，格网间隔50mm，角点定位精度优于0.002mm；在几何标定板的背面安装有快装板接口，通过快装板与三角支架连接；通过万向接头实现所述几何标定板的自由旋转，进而在作业过程中实现标定图像的多位姿切换；
步骤3、根据立体红外相机拍摄的用于动物体尺测量的立体像对，基于透视投影模型，从立体像对上量测出尺寸的起点和终点的二维坐标，计算对应的尺寸值，获得动物体尺对应的同名像点坐标；
步骤4、根据步骤2所得到的立体红外相机的几何参数，以及步骤3所得到的同名像点坐标，估算出待测动物的体尺在主相机坐标系下的三维坐标，进而计算出待测动物的体尺数据。
6.根据权利要求5所述基于立体红外相机的动物体尺测量方法，其特征在于，在步骤2使用几何标定板对立体红外相机进行几何标定的过程中，立体红外相机每次成像后，需要变换几何标定板的位姿，共拍摄多组立体像对。
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| CN108230290A (zh) * | 2016-12-15 | 2018-06-29 | 广东技术师范学院 | 基于立体视觉的生猪体尺检测方法 |
| CN108648228A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-10-12 | 武汉纺织大学 | 一种双目红外人体尺寸测量方法及系统 |
| CN111399014A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-10 | 中国科学院半导体研究所 | 野生动物监控的局部立体视觉红外相机系统及方法 |
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| CN114159049A (zh) | 2022-03-11 |
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