一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法技术

一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，主要步骤：第一步，初始化；第二步，建立实际直角坐标系XOY；第三步，测量矩形图样实际边长；第四步，建立图像直角坐标系；第五步，计算单幅图像中心点Q′坐标；第六步，计算点Q1′、点Q2′坐标；第七步，计算摄像机尺度因子；第八步，计算摄像机安装高度、角度；第九步，计算距离检测模型参数；第十步，实现单幅图像距离检测；第十一步，实现实际距离坐标转换为图像坐标。本发明专利技术是一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，首次直接利用实际中矩形图样的相对边长信息及其在单幅图像中对应的坐标信息，进行摄像机标定和距离检测模型的建立，解决了视频图像距离检测的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机视觉、摄像机标定和交通视频检测领域，是一种基于矩形图样 的视频图像距离检测方法，主要应用于摄像机现场标定和视频图像距离检测模型的建立。
技术介绍
摄像机标定作为计算机视觉中的重要的一个环节，目前已经有较广泛的研究。摄 像机标定起源于摄影测量学。摄像机标定模型中，一般来说，线形模型计算方便，运算速度 快，能得到解析解，但很难完整表达镜头的像差与摄像机复杂的成像过程；而非线性模型能 更好模拟和补偿各种像差，提高模型的精度，但计算量大，往往需要采用非线性优化，鲁棒 性降低。1966年，B. Hallert发表了他在镜头与相机标定的研究成果，首次将最小二乘法用 于对镜头标定多余观察数据的处理，并将其应用在野外立体坐标测量仪上，得到了高精度 的测量结果。R. YTsai综合上述方法，于1986年建立了经典的Tsai摄像机模型，提出了两 步标定法，其中大部分参数采用线性直接求解，少数参数采用迭代方法求解，因而迭代少， 计算速度较快。但该模型畸变模型较简单，不能较好地解决图像畸变问题。另外，Tsai的 方法对标定设备要求较高，不能满足方便快捷的要求。八十年代，随着计算机视觉学科的发展，现场标定(on-the-job calibration)的 概念被提出来，一般是将标定控制点混合布置在工作区域或其周围，从而能在现场做出标 定调整。而在有些工作场合，摄像机参数可能有变化，却又没有标定物时，就需要摄像机能 直接面对环境景物做出标定，于是在20世纪90年代初，Faugeras, Hartley等人提出了摄 像机自标定(self calibration)的概念，使得在场景位置和摄像机任意运动的一般情形下 成为可能。随着桌面视觉系统进入大众消费领域，对方便、灵活、简单、精度较好的摄像机标 定程序需求增加，以满足拥有DVS的用户偶尔用在计算机视觉方面的应用，微软研究院的 张正友在1999年前后对此做了大量研究工作，提出了基于移动平面模板的方便灵活的摄 像机标定方法，较好地解决了这一问题。此类的标定方法大都需要特定的标定模板，并使用多幅图像来检测摄像机内参 数，具体世界坐标却仍然需要实际测量。同时，这种利用模板的方法在许多摄像机现场标 定中难以实现。而且按照传统标定模型，如果摄像机改变位置，在已知摄像机内参数的情况 下，需要再测得摄像机新的安装角度或者高度等外参数，才能实际距离的检测。但是摄像机 的安装角度等外参数，在实际中较难获取，如直接进行测量，结果易造成较大误差。因此，寻找一个简易可行的方法，通过实际中较易获取的相对距离信息，以及与之 对应的单幅图像中的坐标信息进行摄像机标定，在避免对拍摄角度等参数直接测量的同 时，又能建立较高精度的距离检测模型，是非常具有实际意义的。
技术实现思路
本专利技术是，首次直接利用矩形图样实 际中的相对边长信息和对应在单幅图像中的坐标信息，进行摄像机标定和距离检测，实现了图像坐标和实际距离坐标的相互转换，解决了实际道路交通中利用单幅图像实现距离检 测的问题。本专利技术采用如下技术方案步骤1、初始化设备，通过摄像机拍摄视频图像，获取单幅图像；步骤2、记摄像机光心为点Otl，记点Otl在道路平面中的投影点为点0，在摄像机拍 摄范围内的道路平面中，选取一个矩形图样，顺时针记矩形图样的四个顶点为A、B、C、D，记 A、B、C、D在单幅图像中的投影点为A'、B'、C'、D'，其中使得单幅图像中点A'位于四 边形A' B' C' D'的左上角，则直线A' B'与直线C' D'相交于一点，记为G!/，直线A' D'与直线B' C'相交于一点，记为(V，过点0作Y轴，使得Y轴与向量;在实际中对应的方向平行，过点0作X轴，使得X轴与^；在实际中对应的方向平行，建立道路平面中的实际直角坐标系Χ0Υ，以与道路平面竖直向上为Z轴，建立实际的三维空间坐标系；步骤3、分别测量矩形图样AB⑶在X方向和Y方向的实际边长，即线段AB和AD的 长度，记测量结果为Sl、S2;步骤4、对于拍摄获取的单幅图像，以单幅图像左上角为原点0/，横向向右 为X/轴，垂直向下为Y/轴，并以一个像素点数目为单位长度，建立图像直角坐标系 X1' O1' Y1'，记下单幅图像中四边形A' B' C' D'四个顶点分别对应的图像坐标，记为 点 A' (X1, Y1),点 B' 0c2,y2),点 C' ( , y3),点 D' (x4, y4)；步骤5、利用得到的单幅图像，求出单幅图像的大小，记为m*n，记下单幅图像中心 点Q'的图像坐标(u，ν)，其中u = η/2, ν = m/2，记直线O0Q'和道路平面的交点为点Q， 则@即为摄像机拍摄的方向；步骤6、在单幅图像中，分别求出点(V和点的图像坐标，点(V、点(V即是 单幅图像上，分别对应于实际直角坐标系XOY的X轴方向和Y轴方向的消失点，其中消失点 指的是实际中的平行线经过透视投影后在单幅图像中汇聚的那一点6. 1)在单幅图像中，分别求出直线A' B'和直线C' D'的方程，分别记为 ajX+bjY+Cj = 0，a2x+b2y+c2 = 0，\ax+ hy+ a = 06. 2)解方程组1 ；Λ，方程组的解记为(U1, V1),此即点仏‘的坐标，6.3)在单幅图像中，分别求出直线A' D'和直线B' D'的方程，分别记为 a3x+b3y+c3 = 0，a4x+b4y+c4 = 0，O1Ι·'1 ‘「《τ+Ay+a = 06. 4)解方程组 I， Λ，方程组的解记为(u2，y2)，此即点(V的坐标； 步骤7、求出摄像机隹距和像素点物理长度的比倌，此比倌即为摄像机尺度闵步骤7、求出摄像机焦距和像素点物理长度的比值，此比值即为摄像机尺度因子 df，其中假设摄像机横坐标和纵坐标方向的像素点物理长度相同7. 1)在单幅图像中，求出点Q ‘和点A ‘之间的像素点数目L1 = ((U1-U)2+(V1-V)2)"2,求出点 Q'和点(V 之间的像素点数目 L2= ((U2-U)2+(V2-V)2)"2,求 出点(V和点Α'之间的像素点数目L3= ((U2-Ul)2+(V2-Vl)2)v2，7. 2)求出摄像机尺度因子 df = ((LZ-L^-L/)/2)1/2 ；步骤8、求出摄像机安装角度8. 1)在实际三维坐标系中，求出⑩和X轴方向的夹角Q1，⑩和Y轴方向的夹 角 α 2，胃中 α ι = arctan (L1Zdf), α 2 = arctan (L2/df)，8. 2)在实际三维坐标系中，求出⑩在ZOX平面内的投影方向相对于X轴的下倾 角，求出⑩在ZOY平面内的投影方向相对于Y轴方向的下倾角β 2，求出⑩在XOY平面内的投影方向与X轴方向的夹角Y1、与Y轴方向的夹角Y2:；γ ！ = arctan ((L22+df2)1/2/ (L12+^2)1/2)，y 2 = arctan ((L12+^2)1/2/ (L22+df2)1/2)步骤9、计算距离检测模型中的系数和摄像机安装高度9.1)在单幅图像中，分别求出直线Q' Q1'和直线Q' Q2'的方程，分别记为 a01x+b01y+c01 = 0, a02x+b02y+c02 = 0,β i = arccos ((df4/ (L1^d本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，其特点在于，按照以下步骤实施：步骤１、初始化设备，通过摄像机拍摄视频图像，获取单幅图像；步骤２、记摄像机光心为点Ｏ０，记点Ｏ０在道路平面中的投影点为点Ｏ，在摄像机拍摄范围内的道路平面中，选取一个矩形图样，顺时针记矩形图样的四个顶点为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，记Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ在单幅图像中的投影点为Ａ′、Ｂ′、Ｃ′、Ｄ′，其中使得单幅图像中点Ａ′位于四边形Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′的左上角，则直线Ａ′Ｂ′与直线Ｃ′Ｄ′相交于一点，记为Ｑ１′，直线Ａ′Ｄ′与直线Ｂ′Ｃ′相交于一点，记为Ｑ２′，过点Ｏ作Ｙ轴，使得Ｙ轴与向量在实际中对应的方向平行，过点Ｏ作Ｘ轴，使得Ｘ轴与在实际中对应的方向平行，建立道路平面中的实际直角坐标系ＸＯＹ，以与道路平面竖直向上为Ｚ轴，建立实际的三维空间坐标系；步骤３、分别测量矩形图样ＡＢＣＤ在Ｘ方向和Ｙ方向的实际边长，即线段ＡＢ和ＡＤ的长度，记测量结果为ｓ１、ｓ２；步骤４、对于拍摄获取的单幅图像，以单幅图像左上角为原点Ｏ１′，横向向右为Ｘ１′轴，垂直向下为Ｙ１′轴，并以一个像素点数目为单位长度，建立图像直角坐标系Ｘ１′Ｏ１′Ｙ１，记下单幅图像中四边形Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′四个顶点分别对应的图像坐标，记为点Ａ′（ｘ１，ｙ２），点Ｂ′（ｘ２，ｙ２），点Ｃ′（ｘ３，ｙ３），点Ｄ′（ｘ４，ｙ４）；步骤５、利用得到的单幅图像，求出单幅图像的大小，记为ｍ＊ｎ，记下单幅图像中心点Ｑ′的图像坐标（ｕ，ｖ），其中ｕ＝ｎ／２，ｖ＝ｍ／２，记直线Ｏ０Ｑ′和道路平面的交点为点Ｑ，则即为摄像机拍摄的方向；步骤６、在单幅图像中，分别求出点Ｑ１′和点Ｑ２′的图像坐标，点Ｑ１′、点Ｑ２′即是单幅图像上，分别对应于实际直角坐标系ＸＯＹ的Ｘ轴方向和Ｙ轴方向的消失点，其中消失点指的是实际中的平行线经过透视投影后在单幅图像中汇聚的那一点：６．１）在单幅图像中，分别求出直线Ａ′Ｂ′和直线Ｃ′Ｄ′的方程，分别记为ａ１ｘ＋ｂ１ｙ＋ｃ１＝０，ａ２ｘ＋ｂ２ｙ＋ｃ２＝０，６．２）解方程组方程组的解记为（ｕ１，ｖ１），此即点Ｏ１′的坐标，６．３）在单幅图像中，分别求出直线Ａ′Ｄ′和直线Ｂ′Ｄ′的方程，分别记为ａ３ｘ＋ｂ３ｙ＋ｃ３＝０，ａ４ｘ＋ｂ４ｙ＋ｃ４＝０，６．４）解方程组方程组的解记为（ｕ２，ｖ２），此即点Ｑ２′的坐标；步骤７、求出摄像机焦距和像素点物理长度的比值，此比值即为摄像机尺度因子ｄｆ，其中假设摄像机横坐标和纵坐标方向的像素点物理长度相同：７．１）在单幅图像中，求出点Ｑ′和点Ｑ１′之间的像素点数目Ｌ１＝（（ｕ１－ｕ）２＋（ｖ１－ｖ）２）１／２，求出点Ｑ′和点Ｑ２′之间的像素点数目Ｌ２＝（（ｕ２－ｕ）２＋（ｖ２－ｖ）２）１／２，求出点Ｑ１′和点Ｑ２′之间的像素点数目Ｌ３＝（（ｕ２－ｕ１）２＋（ｖ２－ｖ１）２）１／２，７．２）求出摄像机尺度因子ｄｆ＝（（Ｌ３２－Ｌ１２－Ｌ２２）／２）１／２；步骤８、求出摄像机安装角度：８．１）在实际三维坐标系中，求出和Ｘ轴方向的夹角α１，和Ｙ轴方向的夹角α２，其中α１＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ１／ｄｆ），α２＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ２／ｄｆ），８．２）在实际三维坐标系中，求出在ＺＯＸ平面内的投影方向相对于Ｘ轴的下倾角β１，求出在ＺＯＹ平面内的投影方向相对于Ｙ轴方向的下倾角β２，求出在ＸＯＹ平面内的投影方向与Ｘ轴方向的夹角γ１、与Ｙ轴方向的夹角γ２：β１＝ａｒｃｃｏｓ（（ｄｆ４／（Ｌ１２＋ｄｆ２）／（ｄｆ２－ｄｆ４／（Ｌ２２＋ｄｆ２）））１／２），β２＝ａｒｃｃｏｓ（（ｄｆ４／（Ｌ２２＋ｄｆ２）／（ｄｆ２－ｄｆ４／（Ｌ１２＋ｄｆ２）））１／２），；γ１＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ２２＋ｄｆ２）１／２／（Ｌ１２＋ｄｆ２）１／２），γ２＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ１２＋ｄｆ２）１／２／（Ｌ２２＋ｄｆ２）１／２）步骤９、计算距离检测模型中的系数和摄像机安装高度：９．１）在单幅图像中，分别求出直线Ｑ′Ｑ１′和直线Ｑ′Ｑ２′的方程，分别记为ａ０１ｘ＋ｂ０１ｙ＋ｃ０１＝０，ａ０２ｘ＋ｂ０２ｙ＋ｃ０２＝０，９．２）解方程组得到的解即为单幅图像中直线Ａ′Ｂ′和直线Ｑ′Ｑ２′的交点坐标，记为点Ａ０２′（ｘ５，ｙ５），解方程组得到的解即为单幅图像中直线Ｃ′Ｄ′和直线Ｑ′Ｑ２′的交点坐标，记为点Ｃ０２′（ｘ６，ｙ６），９．３）解方程组得到的解即为单幅图像中直线Ａ′Ｄ′和直线Ｑ′Ｑ１′的交点坐标，记为点Ａ０１′（ｘ７，ｙ７），解方程组得到的解即为单幅图像中直线Ｂ′Ｃ′和直线Ｑ′Ｑ１′的交点坐标，记为点Ｃ０１′（ｘ８，ｙ８），９．５）在单幅图像中，求出点Ａ０１、点Ｃ０１到点Ｑ１′的像素点数目ｔ１、ｔ２，求出点Ａ０２、点Ｃ０２到点Ｑ２′的像素点数目ｔ３、ｔ４：ｔ１＝（（ｕ１－ｘ７）２＋（ｖ１－ｙ７）２）１／２，ｔ２＝（（ｕ１－ｘ８）２＋（ｖ１－ｙ８）２）１／２，，...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：路小波，刘阳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84