本发明专利技术公开了一种基于单幅图像的卡车车厢体积测量方法，主要解决现有的光电体积测量系统只能应用于位置固定的检测通道，且需要多个激光器、摄像机和传感器的缺点。其实现过程是：1.输入卡车图像并利用卡车图像中三正交方向的消失点标定出相机的内参矩阵；2.结合内参矩阵与卡车车轮提供的椭圆方程计算车轮法向量与车轮圆心坐标，得到车厢平面方程；3.利用消失点与车轮圆心坐标计算出相机的外参数；4.结合车厢平面方程与相机矩阵运算方程求出车厢各顶点的空间坐标，进而求出车厢体积。本发明专利技术可实现卡车车厢体积的快速精确测量，自动化程度较高，可用于高速公路收费站的计费系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于图像信息处理领域，具体的说是一种卡车车厢体积的测量方法，可用 于高速公路收费站的计费系统。
技术介绍
对于载货卡车，高速公路收费站的计费系统要分别对不同的卡车车厢体积进行测 量，根据车厢体积的不同对应着不同的费用。传统的卡车体积测量大都采用光电体积测量 系统，需要同时使用激光器、摄像机和传感器等设备，其中通用的方法为检测通道顶端和两 侧的激光器发射垂直于检测通道的条状激光，照射货车表面形成光学轮廓图像，通过利用 同样位于通道顶端和侧面的CCD相机采集的激光图像实现卡车三维轮廓数据的提取，测出 卡车的体积。这种方法由于需要多个激光器、摄像机和传感器，其实施方法复杂，成本较高， 且只能应用于位置固定的检测通道。 随着计算机技术的发展，利用基于图像建模和绘制技术进行物体体积测量得到了 越来越多的研宄。基于图像的建模就是利用相机拍摄的场景的图片来建立真实场景中的 几何模型，传统的图像的三维重建是基于图像明暗、纹理、焦距等线索的基础上完成的，但 这些方法通常对场景的光源、纹理规则、反射属性有严格的要求，对于不同环境下的卡车 车厢体积测量其通用性较低，有待于更深入的研宄。HenryP等人利用深度图像可以较为 精确的建立物体三维模型见HenryP，KraininM，HerbstE，etal.UsingKinect-style depthcamerasfordense3Dmodelingofindoorenvironments.TheInternational JournalofRoboticsResearch, 2012, 31(5) :647-663,深度图像不仅包含了颜色的信 息还包含了各像素点的深度信息，但成本很高、操作不便、不能进行实时测量，使该方法 的应用范围受到了限制。Kholgade等利用虚拟现实技术通过对已有同类物体3D模型的 变换，实现模型与单幅未标定图片的3D匹配，可以从单幅图像中恢复物体的三维模型见 Kholgade,Natasha,etal.3Dobjectmanipulationinasinglephotographusing stock3Dmodels.ACMTransactiononGraphics(TOG) ,2014, 33 (4): 127,然而，由于 图片未经过标定使得模型存在尺度上的模糊，只能用于3D场景的漫游，不适用于物体体积 的测量。考虑到卡车车轮可以提供单个空间圆特征，基于单目视觉的单圆特征定位可以提 供车轮的平面信息，对车厢体积的求取有重要意义，Zheng等对单圆定位问题进行了理论 推导ZhengYinqiang,Maffenjuan,LiuYuncai.Anotherwayoflookingatmonocular circleposeestimation.ProceedingsofInternationalConferenceonImage Processing, 2008:86-92,从几何意义上给出了空间圆位姿有两个解的完备解释，但没有给 出剔除虚假解的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种基于单幅图像的卡车车厢 体积测量方法，以在车轮半径已知的条件下利用消失点剔除圆位姿虚假解并实现对卡车车 厢体积的测量。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤： (1)输入卡车单幅图像，通过卡车图像中三正交方向的消失点Vx，Vy，\标定出相 机的内参矩阵K; (2)确定相机坐标系下车轮平面方程： (2a)提取卡车图像中车轮形状的椭圆方程，利用车轮形状的椭圆方程与车轮半径 对相机坐标系下车轮平面法向量及和车轮圆心坐标进行求解，此处及有真实和虚假两个 解； (2b)利用与车轮平面垂直的车厢平面提供的消失点，剔除车轮平面法向量及的虚 假解，得到车轮平面的真实法向量死； (2c)利用真实平面法向量iVj和圆心坐标0。求出相机坐标系下车轮平面方程； (3)根据三正交方向的消失点Vx，Vy，Vz计算相机旋转矩阵R，利用车轮圆心坐标0C 解算出相机的平移向量G，得出相机的外参矩阵S= (^ (4)计算卡车车厢体积： (4a)根据相机内参矩阵K和外参矩阵S求出相机成像的矩阵运算方程； (4b)将空间坐标系下车轮平面方程与相机成像的矩阵运算方程联立，计算车厢平 面I中位置在上前方、下前方和后上方的车厢顶点空间坐标EpE2,E3，其中车厢平面I为空 间中与卡车车轮在同一面的车厢平面； (4c)利用车厢平面I上车厢顶点空间坐标乙^计算出车厢平面II的平面方程， 联立车厢平面方程与相机成像的矩阵运算方程，求出车厢平面II上车厢顶点的空间坐标 E4，其中车厢平面II为正交于卡车车轮平面的车厢平面； (4d)根据车厢顶点的空间坐标EdE2,E3,E4，计算出卡车车厢的体积。 本专利技术具有如下优点： 1)本专利技术由于利用与车轮平面垂直的车厢平面提供的消失点，剔除了车轮平面法 向量及的虚假解，可求出车轮平面的真实法向量iVi; 2)本专利技术由于将空间坐标系的原点建立在车轮圆心处，可以快速的解算出相机的 平移向量G，省去了复杂的相机标定过程； 3)本专利技术由于通过联立相机成像的矩阵运算方程与车厢平面方程计算出卡车图 像中车厢顶点对应的三维坐标，不需要知道每个车厢顶点的深度信息，降低了计算量； 4)本专利技术由于通过单幅卡车图像计算出卡车车厢的体积，克服了传统的光电体积 测量系统只能应用于位置固定的检测通道且需要多个激光器、摄像机和传感器的缺点。【附图说明】 图1是本专利技术的卡车车厢体积测量流程图； 图2是卡车图像中三正交方向消失点Vx，Vy，1示意图； 图3是卡车图像中三正交方向消失点Vx，Vy，Vz的检测结果； 图4是本专利技术中相机坐标系下空间圆成像几何关系图； 图5是本专利技术中空间坐标系的建立和旋转角a，0，y的示意图； 图6是卡车车厢平面成像过程的几何关系图； 图7是不同实例卡车图像的消失点检测结果和卡车图像中车厢顶点像素坐标的 选取结果示意图。【具体实施方式】 参照图1，本专利技术的车厢体积测量步骤如下： 步骤1，相机内参标定。 (1. 1)根据卡车图像检测三正交方向消失点： 消失点是空间中任何一束不平行于成像平面的平行线，经过透视投影变换以后在 成像平面上相交的有限远的一点。本专利技术中卡车车厢的几何形状为立方体，在经过透视投 影变换以后，车厢中三正交方向上相互平行的直线分别相交与消失点Vx，Vy，Vz，如图2所 不〇 本专利技术中利用卡车所在空间中同当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于单幅图像的卡车车厢体积测量方法，包括如下步骤：(1)输入卡车单幅图像，通过卡车图像中三正交方向的消失点Vx，Vy，Vz标定出相机的内参矩阵K；(2)确定相机坐标系下车轮平面方程：(2a)提取卡车图像中车轮形状的椭圆方程，利用车轮形状的椭圆方程与车轮半径对相机坐标系下车轮平面法向量和车轮圆心坐标OC进行求解，此处有真实和虚假两个解；(2b)利用与车轮平面垂直的车厢平面提供的消失点，剔除车轮平面法向量的虚假解，得到车轮平面的真实法向量(2c)利用真实平面法向量和圆心坐标OC求出相机坐标系下车轮平面方程；(3)根据三正交方向的消失点Vx，Vy，Vz计算相机旋转矩阵R，利用车轮圆心坐标OC解算出相机的平移向量G，得出相机的外参矩阵S=RG01;]]>(4)计算卡车车厢体积：(4a)根据相机内参矩阵K和外参矩阵S求出相机成像的矩阵运算方程；(4b)将空间坐标系下车轮平面方程与相机成像的矩阵运算方程联立，计算车厢平面I中位置在上前方、下前方和后上方的车厢顶点空间坐标E1，E2，E3，其中车厢平面I为空间中与卡车车轮在同一面的车厢平面；(4c)利用车厢平面I上车厢顶点空间坐标E1，E3计算出车厢平面II的平面方程，联立车厢II的平面方程与相机成像的矩阵运算方程，求出车厢平面II上车厢顶点的空间坐标E4，其中车厢平面II为正交于卡车车轮平面的车厢平面；(4d)根据车厢顶点的空间坐标E1，E2，E3，E4，计算出卡车车厢的体积。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，赵春宇，郭宝龙，李鹏慧，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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