一种单幅图像的几何量测的方法技术

本发明专利技术公开了一种单幅图像的几何量测方法，包括：获取图像参数和摄像机参数，所述图像参数包括图像的宽度和高度，所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；获取摄像机高度和俯仰角，所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离，所述参考平面为用户指定的水平面，所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；参考平面内的距离量测，所述参考平面内的距离量测为图像上任意两点垂直投影至参考平面后的平面距离量测；目标到参考平面的高度量测，所述目标到参考平面的高度量测为图像上一目标点到参考平面的垂直距离量测；任意两点高度和距离量测，所述任意两点高度和距离量测为图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的量测。

A METHOD FOR GEOMETRIC MEASUREMENT OF SINGLE IMAGE

【技术实现步骤摘要】
一种单幅图像的几何量测的方法
本专利技术涉及一种利用单幅图像进行目标几何量测的方法，具体说，是利用一幅图像或者视频帧，实现目标高度、宽度、目标间空间距离的测量。
技术介绍
测量几乎是各个领域都涉及到的必不可少的工作之一。图像量测以其非接触性、普适性、实时性、可重复性等特点成为目标对象几何量测的重要手段之一。图像测量方法通常采用双目或多目视觉原理，通过匹配获取目标结构信息，该方法的难点是图像匹配，且要求两个以上相机同时拍摄，主要应用在专业如摄影测量、三维重建等领域。单幅图像容易获取、对拍摄相机姿态没有要求，而且与双(多)目测量系统相比，单目视觉量测无需图像匹配，从而使得测量过程灵活方便，是计算机视觉、摄影测量学等研究领域的研究趋势之一(CriminisiA.AccurateVisualMetrologyfromSingleandMultipleUncalibratedImages.Berlin:Springer-Verlag，2001；刘学军等.单幅图像几何量测研究进展[J].武汉大学学报，2011，36(8):941-947)。目前单幅图像几何量测主要有两种方式，一种是基于几何关系的量测，即通过中心投影的不变量、灭点灭线、场景中已知先验信息等实现对象的量测(WangGuanghui,等.ANovelApproachforSingleViewBasedPlaneMetrology.The16thInternationalConferenceonPatternRecognition,Quebec,Canada，2002；王光辉等，由单幅图像测量场景及场景内物体几何信息的方法，专利技术专利，CN02118167；王美珍等，基于交比的单幅图像平面几何信息提取算法.武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(2)：190-194；)，这种方法适合图像中包含建筑物、道路等的结构化场景，而不适合非结构化场景(图像中没有相关的已知信息)；另一种是基于单应的量测，即通过场景中4对以上的同名控制点信息来建立相片和空间的映射关系，然后在图像上进行几何量测，这种方式测量精度受控制点的数量、分布等影响，而且实际应用中有时控制点很难选取(HartleyR.,ZissermanA；MultipleViewGeometryinComputerVision,CambridgeUniversityPress，2000；曾慧等，基于线单应的单应矩阵估计及其在视觉量测中的应用.自动化学报，2007，33(5)：449-455；王美珍，单幅图像中地物目标几何量测研究.南京:南京师范大学，2011)。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种单幅图像几何量测方法，该方法依据图像参数，既不需要场景中包含已知结构信息，也不需要同名控制点，可有效解决背景中的技术缺陷。本专利技术公开了一种单幅图像的几何量测方法，包括：根据选定的参考平面、待量测图像的图像参数、摄像机参数和摄像机当前高度和俯仰角，获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角，并利用欧氏距离公式，计算得到待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离；所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离；所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；所述参考平面为用户指定的水平面。进一步的，所述摄像机当前高度和俯仰角的获取步骤包括：通过在摄像机视域范围内在任意高度水平放置长宽已知的矩形卡片，获取矩形卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解得到摄像机当前高度和俯仰角。进一步的，在所述卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标的步骤之前，包括：以矩形卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系；所述单应矩阵表示为：式中，λ表示一个任意的缩放因子，(u,v,1)表示矩形卡片角点在图像平面的齐次坐标，A、R、T分别表示内参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，(X,Y,Z)表示矩形卡片角点的物方坐标；摄像机高度由平移矩阵分解获得，俯仰角由旋转矩阵分解获得。进一步的，所述获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角的步骤包括：对于待量测图像上任一点p(x，y)，计算其对应的垂角和旋转角φ；式中，Height为待量测图像的高度，Width为待量测图像的宽度，βH为摄像机的水平视域角，βV为摄像机的垂直视域角，α为摄像机俯仰角；式中，f为摄像机焦距；在所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤之间包括：建立Q-XYZ参考平面坐标系；所述所述计算待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离的步骤包括：在待量测图像上选择需量测的两个图像点p1(x1，y1)、p2(x2，y2)，将两个图像点p1(x1，y1)、p2(x2，y2)由垂直线映射至参考平面得到对应的映射点，并计算他们对应的参考平面坐标P1(X1，Y1)、P1′(X1′，Y1′)、P2(X2，Y2)、P2′(X2′，Y2′)；计算两个图像点间的高度差Hs：Hs＝|Hobj1-Hobj2|(11)由欧氏距离公式计算两个图像点间的空间距离ds：式中，dp为两个图像点间的参考平面距离：有益效果：本专利技术基于目前针对单幅图像几何量测问题研究存在的不足，提出一种单幅图像的几何量测的方法，主要解决场景中不包含已知结构信息，且不存在已知同名控制点情况下单幅图像的几何量测问题；同时，由于单幅图像获取容易，无需进行图像匹配，使得几何量测过程灵活方便，大大降低计算量，有效提高了图像几何量测的效率。附图说明图1是本专利技术的流程框图；图2是本专利技术摄像机与图像平面几何关系示意图；图3是本专利技术矩形卡片坐标系示意图；图4是本专利技术参考平面点位示意图；图5是本专利技术非参考平面点位示意图；图6是本专利技术到参考平面高度量测示意图；图7是本专利技术空间两点高度差量测示意图；图8是本专利技术空间距离量测示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步阐述本专利技术。第一步，获取图像参数和摄像机参数：所述图像参数为图像的宽度(Width)、高度(Height)，单位为像素，可通过图像信息获取，所述摄像机参数为摄像机焦距(f)，单位为像素，水平视域角βH和垂直视域角βV，单位为度(附图2)，计算公式为：第二步，获取摄像机高度和俯仰角：所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离(HC)，单位为米，参考平面为用户指定的水平面，如水平地面或者任意高度水平面(附图2)，该参考平面可扩充至整个视域范围。所述俯仰角指摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角(α)，单位为度，范围为0-180°(附图3)。获取方法为：在相机视域范围内，任意高度处水平放置长宽已知的矩形卡片，如名片、乘车卡等，卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系(附图3)，获取卡片四个角点的局部坐标(物方坐标)，并在图像上获取该卡片四个角点的图像坐标(像方坐标)，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解获取摄像机的高度和俯仰角。第三步，参考平面内的距离量测所述参考平面内的距离量测为图像上任意两点垂直投影至参考平面后的平面距离量测。首先，需要在图像上选择两个点，若存在点不在参考平面内，则需作垂直线将其映射至参考平面，再量测距离。参考平面内距离量测的具体步骤如下：利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：包括：根据选定的参考平面、待量测图像的图像参数、摄像机参数和摄像机当前高度和俯仰角，获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角，根据欧氏距离公式，计算得到待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离；所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离；所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；所述参考平面为用户指定的水平面。

【技术特征摘要】
1.一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：包括：根据选定的参考平面、待量测图像的图像参数、摄像机参数和摄像机当前高度和俯仰角，获取待量测图像上任一点对应的垂角和旋转角，根据欧氏距离公式，计算得到待量测图像上任意两点间的垂直高度差和空间距离；所述摄像机参数包括摄像机焦距、水平视域角和垂直视域角；所述摄像机高度为摄像机中心到参考平面的垂直距离；所述俯仰角为摄像机光轴顺时针到铅垂线的夹角；所述参考平面为用户指定的水平面。2.根据权利要求1所述的一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：所述摄像机当前高度和俯仰角的获取步骤包括：通过在摄像机视域范围内在任意高度水平放置长宽已知的矩形卡片，获取矩形卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标，由物方坐标和像方坐标解算单应矩阵，通过单应矩阵的分解得到摄像机当前高度和俯仰角。3.根据权利要求2所述的一种单幅图像的几何量测方法，其特征在于：在所述卡片角点的物方坐标和对应的在待量测图像上的像方坐标的步骤之前，包括：以矩形卡片的任意顶点为原点，建立局部坐标系；所述单应矩阵表示为：式中，λ表示一个任意的缩放因子，(u,v,1)表示矩形卡片角点在图像平面的齐次坐标，A、R、T分别表示内参矩阵、旋转矩阵和平移...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓轶，刘学军，李秀全，李东阳，王灿，
申请(专利权)人：浙江省自然资源监测中心，南京师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33