CN116503463A - 一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法、单目摄像头移动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法，并设计了一种单目摄像头移动装置用以辅助实现该方法。一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法的步骤包括：对单目摄像头进行标定；通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像；对两张或多张图像进行处理，获取处理后图像中目标物体的外接轮廓参数；通过目标物体尺寸计算公式计算目标物体实际尺寸。如此配置，通过两张或多张图像中的目标物体的外接圆参数、单目摄像头的移动距离和单目摄像头的标定参数，即可计算出物体的实际尺寸。此外，本发明还设计了一种单目摄像头移动装置，结构简便、操作简单。体积较小，适用于各种肠胃镜、管道探测机器人等工作环境极其狭小的装置。本发明仅用单一摄像头便可对指定物体的尺寸进行精准识别，操作简易，结构简单，克服了现有技术无法在狭窄空间中对目标物体的尺寸进行精确测量的问题。

Description

一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法、单目摄像头移动 装置

技术领域

本发明属于对象识别技术领域，涉及物体检测领域，特别是涉及一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法、单目摄像头移动装置。

背景技术

目前主流的尺寸识别技术均是通过摄像头拍摄目标物体至少两张或多张在不同视角的图像后，从而根据相机的参数计算目标物体的实际尺寸。这就要求应用该技术的仪器必须搭载2个处于不同位置的相机，或者能够在不同视角对目标物体进行拍摄。但是，搭载双目相机会导致仪器的结构过大，阻碍仪器在狭小管道空间内的运动，并且在狭小的空间内也难以获取目标物体在不同视角的图像。所以当这项技术应用到一些狭窄的空间中（比如胃肠镜、一些在狭窄管径内执行探测任务的机器人等），就会存在各种各样的弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物体尺寸识别方法，以解决现有的尺寸识别方法在狭窄空间中遇到的各种弊端。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法，其包括：

对单目摄像头进行标定；

通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像；

对两张或多张图像进行处理，获取处理后图像中目标物体的外接轮廓参数；

通过目标物体尺寸计公式计算物体实际尺寸。

可选的，对单目摄像头进行标定时需要获得的信息包括：

单目摄像头的标定参数S；

单目摄像头移动距离对最终计算出的目标物体尺寸与目标物体实际尺寸之间的误差的影响。

可选的，通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像的步骤包括：

单目摄像头在距目标物体合适的距离范围内，拍摄一张目标物体居于中心或中心附近位置的图像；

单目摄像头移动合适距离，拍摄第二张或第多张图像。

可选的，单目摄像头的移动方式必须是沿着单目摄像头的轴线水平移动。

可选的，单目摄像头移动的合适距离必须是能够量化的精确值。

可选的，获取的外接轮廓的方法包括：

操作者直接在两张或多张图像上的标出目标物体的外接轮廓；

通过机器学习方法对目标物体进行识别，提取出目标物体所在区域，绘制出该区域的外接轮廓。

为了实现单目摄像头沿着单目摄像头的轴线水平移动的移动方式，本发明还设计了一种单目摄像头移动装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面附图只是为了更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1 本发明实施例的物体尺寸识别方法的流程图；

图2 单目摄像头成像原理示意图

图3 目标物体尺寸计算公式及具体参数示意图；

图4 单目摄像头移动装置示意图

图中：1-镜片、2-单目摄像头、3-单目摄像头限位装置、4-弹簧、5-弹簧限位装置、6-底部挡片、7-牵引丝、8-单目摄像头数据传输线、

9-局部视图、L-单目摄像头水平移动距离。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

为使本发明的目的、优点和过程更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明的目的在于提供一种物体尺寸识别方法，以解决现有的尺寸识别方法在狭窄空间中遇到的各种弊端。

以下参考附图进行描述：

本发明是基于小孔成像原理构建出单目摄像头成像原理示意图（如图2），从而推导出目标物体尺寸计算公式（如图3）.

请参考图1，本发明实施例提出了一种基于单目摄像头检测物体尺寸的方法，其包括：

步骤S1：对单目摄像头进行标定。可以理解的，由图3中目标物体计算公式可知，想要计算出目标物体的尺寸，必须先得到单目摄像头标定参数。单目摄像头的标定参数代表着物体实际尺寸与单目摄像头拍摄的物体图像中的物体尺寸之间的一种映射关系，若忽略镜头畸变和边缘效应的影响，该映射关系反映在数值计算上是一个固定值。

步骤S2：通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像。

步骤S3：对两张或多张图像进行处理，获取处理后图像中目标物体的外接轮廓参数。为了方便计算和轮廓处理，本示范例中的外接轮廓选择外接圆轮廓进行说明。这不代表本发明仅适用于外接圆轮廓，矩形轮廓、三角形轮廓等各种外接轮廓均可用本方法。只是不同的轮廓中y1、y2对应的意义不同。获取的外接圆轮廓的方法包括：操作者直接在两张或多张图像上的标出目标物体的外接圆轮廓；通过机器学习方法对目标物体进行识别，提取出目标物体所在区域，绘制出该区域的外接圆。无论用哪种方法，尽量保证图像中外接圆的轮廓与物体的实际轮廓足够贴合。如此，能够极大地降低最终计算结果与物体实际尺寸的偏差。此外，单目摄像头移动距离对最终计算出的目标物体尺寸与目标物体实际尺寸之间的误差的影响是后续步骤的需要。

步骤S4：通过目标物体尺寸计算公式（如图3）计算物体实际尺寸。

如此配置，仅用单一摄像头便可对指定物体的尺寸进行精准识别，操作简易，结构简单，克服了现有技术无法在狭窄空间中对目标物体的尺寸进行精确测量的问题。

可选的，本发明对可测量的物体不做特别的限定，既可以是二维的平面图案或物体，也可以是三维物体。但无论识别哪种物体，均需要对单目摄像头的参数S进行标定。在标定时，最好选择圆形图案，这是为了后续提取目标物体外接圆轮廓时，轮廓与圆形图案能够更好的拟合，如此，标定出的单目摄像头的参数S便能够足够精确，后继继续物体尺寸时的误差也会大幅降低。在一个示范例中，单目摄像头的参数标定步骤包括：

步骤S11：选定一个圆形图案为目标物体，记下该圆形图案的直径为x；

步骤S12：同步骤S2；

步骤S13：同步骤S3；

步骤S14：利用图3中的目标物体尺寸计算公式和步骤1中得到的x、步骤S12得到的L、步骤S13中得到的y1、y2计算出参数S。

基于控制变量法，依次改变x、L，多次重复步骤S11、S12、S13、S14，比较每次得出的S取均值（排除偏差较大的值）。如此，可得出较为精确的S，降低计算目标物体尺寸时的误差。

此外，由于镜头畸变和边缘效应的影响，当单目摄像头与目标物体的距离过近时，拍摄出的图像会存在失真的情况，从而导致最终计算出的结果与目标物体实际尺寸之间的偏差增大。因此，在上述过程中，还应该对实验数据进行分析比较，确定出所使用的单目摄像头的移动距离L对于不同尺寸的目标物体的测量精度的影响，从而确定出针对不同的目标物体，单目摄像头的移动距离L。

可选的，本发明对于通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像是有一些要求的。为了能够识别出目标物体的尺寸，目标物体均应该完整地出现在两张或多张图像中。在一个示范例中，通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像的步骤包括：

步骤S21：单目摄像头在距目标物体合适的距离范围内，拍摄一张目标物体居于中心或中心附近位置的图像，记为图像1。图像中目标物体需要居于中心或中心附近位置是因为，当目标物体如果处于图片边缘时，也会因为镜头畸变和边缘效应导致图像失真，从而导致最终计算出的结果与目标物体实际尺寸之间的偏差增大；

步骤S22：单目摄像头移动合适距离，拍摄第二张图像，记为图像2。

步骤S23：重复S21或S22，拍摄第多张图像。

可选的，单目摄像头移动的合适距离也是要考虑一定条件的。诸如：目标物体的尺寸范围、单目摄像头的移动距离对单目摄像头视野的遮蔽情况、目摄像头所在装置能供单目摄像头水平移动的空间等因素均会对单目摄像头移动的合适距离产生影响。综合上述因素后，确定出单目摄像头移动距离的合适范围，在该范围中选定单目摄像头的移动距离，记为L。

可选的，本发明中获取目标物体的外接的轮廓的方法是多种多样的，包括：操作者直接在两张或多张图像上的标出目标物体的外接轮廓；通过机器学习方法对目标物体进行识别，提取出目标物体所在区域，绘制出该区域的外接轮廓。但无论是那种方面，都是为了是图像中的外接轮廓能与目标物体尽可能拟合，降低误差。在一个示范例中，通过深度学习方法对目标物体进行识别，提取出目标物体所在区域，绘制出该区域的外接圆的步骤包括：

步骤S31：导入图像1至python，并进行灰度处理；

步骤S32：将处理后的图像导入事先训练好的程序，提取出图像中目标物体的像素区域；

步骤S33：绘制出目标物体的像素区域的外接圆轮廓，并提取出该外接圆的直径参数，记为y1。

同样的，可由步骤S31、S32、S33得到图像2的外接圆轮廓直径y2。

最后，结合步骤S1中得到的单目摄像头的标定参数S、步骤S2中确定的L、步骤S3中得到的y1、y2和图3中的目标物体尺寸计算公式便可计算出目标物体的实际尺寸。

由于本发明的目标物体尺寸计算公式（如图3）是基于单目摄像头成像原理示意图推导出来的（如图2所示），因此单目摄像头必须是沿着单目摄像头的轴线水平移动。为了实现单目摄像头的轴线水平移动，设计了如图4所示的单目摄像头移动装置。在步骤S21中，拍摄图像1时，牵引丝7处于放松状态，弹簧4将单目摄像头顶到镜片1处。步骤S22中，拉动牵引丝7压缩弹簧4使单目摄像头水平移动距离L至弹簧限位装置5在局部视图 9中的限位处，拍摄图像2。重复步骤S21、S22。如此操作，便可得到目标物体在同一视角下的单目摄像头移动距离L前后的两张或多张图像。

综上所述，本发明提供了一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法，并设计了一种单目摄像头移动装置用以辅助实现该方法。一种基于单目摄像头的物体尺寸识别方法的步骤包括：对单目摄像头进行标定；通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像；对两张或多张图像进行处理，获取处理后图像中目标物体的外接轮廓参数；通过目标物体尺寸计算公式计算目标物体实际尺寸。如此配置，通过两张或多张图像中的目标物体的外接圆轮廓参数y1、y2、单目摄像头的移动距离L和单目摄像头的标定参数S，即可计算出物体的实际尺寸。此外，本发明还设计了一种单目摄像头移动装置，结构简便、操作简单。体积较小，适用于各种肠胃镜、管道探测机器人等工作环境极其狭小的装置。本发明仅用单一摄像头便可对指定物体的尺寸进行精准识别，操作简易，结构简单，克服了现有技术无法在狭窄空间中对目标物体的尺寸进行精确测量的问题。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于单目摄像头检测物体尺寸的方法，其特征在于，包括：

对单目摄像头进行标定；

通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像；

对两张或多张图像进行处理，获取处理后图像中目标物体的外接轮廓参数；

通过目标物体尺寸计算公式计算目标物体实际尺寸。

2.根据权利要求1所述的基于单目摄像头检测物体尺寸的方法，其特征在于，对单目摄像头进行标定时需要获得的信息包括：

单目摄像头的标定参数S；

单目摄像头移动距离对最终计算出的目标物体尺寸与目标物体实际尺寸之间的误差的影响。

3.根据权利要求1所述的基于单目摄像头检测物体尺寸的方法，其特征在于，通过拍摄获取目标物体两张或多张不同大小的图像的步骤包括：

单目摄像头在距目标物体合适的距离范围内，拍摄一张目标物体居于中心或中心附近位置的图像；

单目摄像头移动合适距离，拍摄第二张或第多张图像。

4.根据权利要求3所述的单目摄像头的移动方式，其特征在于，单目摄像头的移动方式是沿着单目摄像头的轴线水平移动。

5.根据权利要求3所述的单目摄像头移动的合适距离，其特征在于，单目摄像头移动的合适距离是能够量化的精确值。

6.根据权力要求1所述的基于单目摄像头检测物体尺寸的方法，其特征在于，所述的步骤3中，获取的外接轮廓的方法包括：

操作者直接在两张或多张图像上提取处目标物体的外接轮廓；

通过机器学习方法对目标物体进行识别，提取出目标物体所在区域，绘制出该区域的外接轮廓。

7.一种单目摄像头移动装置，其特征在于该装置能够实现权利要求4中的单目摄像头的移动方式。