一种基于单目单摄像头测距三维測距模型的测高测面积方法

[0002] 本发明设计一种依据单目单摄像头测距所拍摄的图像进行物体测高和侧面积的方法尤 其设计一种基于单目三維测距模型的物体测高测面积的方法。

[0004] 视觉测距作为机器视觉领域内基础技术之一而受到广泛的关注其在机器人领域 内占有重要的地位，广泛应用于机器视觉定位、目标跟踪、视觉避障等尤其是作为视觉导 航和伺服控制中不可或缺的基础技术。机器视觉测量主要分为：單目视觉测量、双目视觉测 量、结构光视觉测量等结构光由于光源的限制，应用的场合比较固定；双目视觉难点在于 特征点的匹配影響了测量的精度和效率，其理论研究的重点集中于特征的匹配上；而单目 视觉结构简单运算速度快而具有广阔的应用前景。单目视觉测距是利用一个摄像机获得 的图片得出深度信息按照测量的原理主要分为基于已知运动和已知物体的测量方法。基 于已知运动的测量方法昰指利用摄像机的移动信息和摄像机得到的图片测得深度距离

[0005] 现有的单目测距方法主要有以下几种，1利用物体的已知运动和采集到的前後两 幅图像比例的变化得出镜头与目标的距离；2利用多幅图像建立的模型对深度信息进行了 预测；3对不同纹理下的目标物进行测量现有嘚目标面积测量的方法主要是基于像素当 量。目前测量面积的方法主要有以下几种1、先将图像分割成目标区域和背景提取图像 目标区域輪廓并标注，计算边界及边界内像素总数利用像素当量求得面积的方法；2、利用 freeman链码矢量法得到目标的边缘，再对边缘进行标定然后甴联通区域内的像素数和像 素当量计算面积；3、利用网格法，根据二值化后图像中目标区域的像素数与参照物相应面 积的比例关系计算目標的面积以上几种方法的主要区别仅仅是目标在图像中所占的像素 量的计算方法不同。并没有改变像素当量这一误差的主要来源因此茬应用场景中依然存 在相当的局限性。

[0007] 本发明的目的就在于为解决上述问题而提供一种计算精确度较高的基于单目三 维测距模型的物体测高测面积方法

[0008] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的： 一种基于单目单摄像头测距三维测距模型的物体测高测面积方法，包括以下步驟： (1)通过单目单摄像头测距标定获取单摄像头测距的焦距得到的焦距的单位是单位距离上的像素 点的个数，与CCD板上的成像的尺寸成比例

[0009] (2)对单目单摄像头测距测距模型建模，并依据所建模型计算物体到单摄像头测距的距离设定 模型计算需要的先验条件，这里假设已知三個数值：摄像机的镜头光轴与水平线的夹角a 摄像机镜头的高度h和摄像机的焦距f。

[0010] (3)依据上述模型及测量的距离进一步实现物体的测高和测媔积

[0012] 图1是本发明基于单目单摄像头测距三维测距模型的测高测面积方法的流程图 图2是本发明单目测距三维模型图 图3是本发明测距原理示意图一 图4测距原理示意图二 图5成像面示意图 图6地面投影示意图 图7物体测高示意图 图8单目测面积三维模型图 图9测面积模型示意图1 图10测面积模型示意图2

[0013] 下面结合附图对本发明作进一步说明： 图1中，一种基于单目单摄像头测距三维测距模型的物体测高测面积方法包括以下步骤： (1)通过单目单摄像头测距标定获取单摄像头测距的焦距。得到的焦距的单位是单位距离上的像素 点的个数与CCD板上的成像的尺寸成比例。

[0014] (2)对單目单摄像头测距测距模型建模并依据所建模型计算物体到单摄像头测距的距离。设定 模型计算需要的先验条件这里假设已知三个数徝：摄像机的镜头光轴与水平线的夹角a， 摄像机镜头的高度h和摄像机的焦距f

[0015] (3)依据上述模型及测量的距离进一步实现物体的测高和测面积。

[0016] 具体地所述步骤（1)中，我们首先利用待测单摄像头测距对8*8的黑白棋盘格标定板采 集20帧空间位置不同的图像然后用摄像机标定程序对攝像机进行标定，并且采用多次测 量求取平均值的方法得到较为精确的单摄像头测距内部参数

[0017] 所述步骤（2)中，我们首先得到三维测距模型图2为了更加方便计算，我们对三 维测距模型进行二维的分解在这之前我们需要设定一些变量： 世界坐标系中的目标物体与水平地面嘚交线的中心点的位置为P;世界坐标系中目标 物体与摄像机镜头到水平地面的垂直投影点的实际距离为D(求解时分解为了Dx和Dy两 个分量）；CCD板上嘚图像坐标系为二维空间坐标系，其横轴设为U轴纵轴设为V轴；摄像 机光轴与地面的交点为Q;摄像机光轴与CCD板的交点为（U。V。)可以通过圖像的最大点 阵数换算得到中心点的坐标；世界坐标系中目标物体在图像坐标系中的对应位置P'为（Up V^o

[0018] 我们对三维测距模型进行如下二维分解： 如图3测距原理示意图一所示，该图为本章的三维测距模型在摄像机光轴和图像坐标 系U=U轴组成的平面上的示意图。在该平面上点V。代表光轴在成像面上的实际位置点 Vi代表目标物体在成像面上的实际位置的投影点，夹角e i代表目标物体投影点Py与光轴Q 的夹角目标物体投影點己与镜头在水平地面上的投影点〇 :的距离为D y。则有下式成立：

如图4测距原理示意图二所示该图为本章的三维测距模型在L所在直线和图潒坐标 系V，轴组成的平面上的示意图在该平面上，点U代表目标物体在成像面上的实际位置 的投影点，点仏代表目标物体在成像面上的實际位置夹角0 2代表目标物体投影点Py与目 标物体真实位置P的夹角，目标物体P与目标物体投影点P y的距离为D x则有下式成立：

如图5成像面示意圖所示，在成像面上目标物体所成的像为（Upl)，该点在V=V上的 投影点为（Up V。)在U=U。上的投影点为（U，V0

[0019] 如图6整个测距系统对地面的投影礻意图所示，在该投影平面中物体到图2所示 投影平面的距离为D y，物体到图3所示投影平面的距离为Dx

[0020] 通过上述模型推理得到，世界坐标系Φ目标物体与单摄像头测距在地面上的垂直投影点 的实际距离如下：

结合单摄像头测距的高H我们可以得到物体到

单摄像头测距的距离如丅： 所述步骤（3)中，由物体测高示意图7 :对于待测物体的底端即在地面上的某点，我们 利用上述步骤（2)中的测距模型可以得到物体到单摄潒头测距在地面投影点的距离D然后对物 体的上端的也利用上述模型计算得到的距离实际是该点在地面的投影点到单摄像头测距的距离， 吔就是说图6中的R点到单摄像头测距在地面的投影点的距离％同样可以用步骤（2)中的模型计 算得到那么对于R点和物体组成的直角三角形和單摄像头测距，单摄像头测距在地面投影点R组成的 直角三角形，这两个三角形相似由下式可求的物体的高h 属 上述步骤我们已经求得物體的高，要求物体的面积我们只需求得地面上两点之间的 距离即可。图8为测面积模型的三维效果图与之前的思想类似，我们同样可以將其分解 到两个二维平面. 从图9可以得出：

由上面一组式子我们可以求得两点距离的一个分量化同理由图10,我们可以求得两 点距离的另一个汾量Dx:

由此可以求得两点之间的距离d，进而求出物体表面面积s:

说明：图1和图9的流程图中的表述语言为简洁表达与上述内容不是完全一一对應， 但意思是相互对应的

1. 一种基于单目单摄像头测距=维测距模型的测高与测面积方法，其特征在于包括W下步 骤： 步骤一：通过单目单摄潒头测距标定获取单摄像头测距的焦距：得到的焦距的单位是单位距离上的 像素点的个数与CCD板上的成像的尺寸成比例；对单目单摄像头測距测距模型建模，将物体到摄 像头的问题转化为物体到单摄像头测距地面投影点的距离进而，物体到单摄像头测距地面投影点的距 离叒可W通过其在W单摄像头测距光轴与像平面形成的两个垂直面上的距离求得； 步骤二：依据上述模型及测量的距离实现物体的测高； 步骤=:依據步骤=与步骤二的结果实现物体面积的测量2. 根据权利要求1所述的基于单目单摄像头测距=维测距模型的测高方法，对于待测物体的 底端即在地面上的某点，我们利用测距模型可W得到物体到单摄像头测距在地面投影点的距离 然后对物体的上端的也利用上述模型计算得到的距离实际是该点在地面的投影点到摄像 头的距离，可W得到：该投影点与物体组成的直角=角形和单摄像头测距单摄像头测距在地面投影点與 该点组成的直角=角形，运两个=角形相似由下式可求的物体的高h: 變装品愛綠油漏中费山:;礙;:。3. 根据权利要求1所述的基于单目单摄像头测距=維测距模型测面积方法由上述步骤可W 求得物体的高，因此只要求得地面上两点之间的距离就可W求出物体的面积为了求取两 点之间的距離，与测距原理相似我们同样可W将其分解到两个二维平面，然后分别求得该 距离在两个切面的距离再运用勾股定理便可W求得两点之间嘚距离，进而可W求得目标 的面积

【专利摘要】<b />一种基于单目单摄像头测距三维测距模型的测高测面积方法。本发明公开了一种基于单目彡维测距模型的测高测面积方法包括以下步骤：通过单目单摄像头测距标定获取单摄像头测距的焦距。得到的焦距的单位是单位距离上嘚像素点的个数与CCD板上的成像的尺寸成比例；对单目单摄像头测距测距模型建模，并依据所建模型计算物体到单摄像头测距的距离；依據上述模型计算的距离进一步实现物体的测高和测面积本发明所述的基于单目三维测距模型的测高测面积方法所需要的先验知识较少，哽不需要双目测距那样需要特征点匹配这一麻烦的过程另一方面，本发明的实时性很好当使用300万像素的单摄像头测距且测距范围50米以內时的误差率基本可以控制在百分之五以内。在单摄像头测距俯角和焦距等先验知识准确获取之后该方法完全可以应用在公路前方障碍粅检测与基础识别等应用领域。

【发明人】何小海, 杨谦, 吴小强, 兰丽, 滕奇志