基于单目摄像机的3D空间测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于单目摄像机的3D空间测量方法，包括：分别对地面上的待测点和辅助测试点对焦，获取对应成像参数，其中，辅助测试点位于摄像机光轴在地面的投影线上，待测点与辅助测试点物距不同，且两次成像的摄像机安装参数不变；根据待测点和辅助测试点的成像参数，对两次成像进行关联计算，获得待测点的相对坐标，相对坐标的参考坐标系为，以摄像机安装支点在地面的投影为原点，以该支点与地面的垂线为Y轴，以摄像机光轴沿地面的投影为X轴，以与X轴和Y轴垂直的方向为Z轴。本发明专利技术利用单目摄像机的内部参数计算待测点的空间坐标，无需测量摄像机的安装参数以及对标定物进行标定，节省了成本，简化了操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视频监控领域，尤其涉及一种基于单目摄像机的3D空间测量方法。
技术介绍
单目摄像机通过单次拍摄无法形成3D视觉。在没有预知尺寸的参考物体进行辅 助测量，也不知道摄像机架设高度和镜头中轴线与地面的夹角时，无法测量被拍摄物体与 摄像机安装点之间的相对坐标。 现有技术中，单目摄像机单次拍摄时，通过拍摄预知尺寸的参考物体，根据图像中 被拍摄的参考物体所占的像素、实际物体尺寸、摄像机与地面的夹角，计算出物体尺寸与摄 像机拍摄图像的像素之间的比例关系。然后，在后续的拍摄中，不改变摄像机的安装参数， 只需要按照被拍摄物所占的像素个数计算出物体的实际尺寸。通过摄像机与地面的夹角和 架设杆的高度，可以计算出被拍摄物体与摄像机之间的相对坐标。 通过上述过程可以看出，单目摄像机单次拍摄需要具备很多外在条件，需要摄像 机安装数据，如架设杆高度、摄像机与地面的夹角；需要使用标定物，人工进行辅助标定计 算得到换算参数；后续使用中不能改变摄像机安装参数，否则必须重新标定，适应性不好。 或者现有技术通过双眼摄像机拍摄同一物体，或单目摄像机在两个不同的位置与 角度拍摄同一物体，通过在图像中的不同位置，实现3D视觉感知。但是必须使用两个摄像 机，或是为单个摄像机提供移动的导轨及驱动装置，成本较高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于单目摄像机的3D空间测量方法，该方法包括： 分别对地面上的待测点和辅助测试点对焦，获取对应成像参数，其中，所述辅助 测试点位于摄像机光轴在地面的投影线上，所述待测点与所述辅助测试点物距不同，且两 次成像的摄像机安装参数不变； 根据所述待测点和所述辅助测试点的成像参数，对两次成像进行关联计算，获得 所述待测点的相对坐标，所述相对坐标的参考坐标系为，以摄像机安装支点在地面的投影 为原点，以该支点与地面的垂线为Y轴，以摄像机光轴沿地面的投影为X轴，以与X轴和Y 轴垂直的方向为Z轴。 本专利技术还提供了一种基于单目摄像机的3D空间测量装置，该装置包括： 成像参数获取单元，用于分别对地面上的待测点和辅助测试点对焦，获取对应成 像参数，其中，所述辅助测试点位于摄像机光轴在地面的投影线上，所述待测点与所述辅 助测试点物距不同，且两次成像的摄像机安装参数不变； 相对坐标计算单元，用于根据所述待测点和所述辅助测试点的成像参数，对两次 成像进行关联计算，获得所述待测点的相对坐标，所述相对坐标的参考坐标系为，以摄像机 安装支点在地面的投影为原点，以该支点与地面的垂线为Y轴，以摄像机光轴沿地面的投 影为X轴，以与X轴和Y轴垂直的方向为Z轴。 本专利技术利用单目摄像机的内部参数计算待测点的空间相对坐标，而无需测量摄像 机的安装参数以及对标定物进行标定，节省了人力、物力以及时间成本，简化的操作过程。【附图说明】 图1是本专利技术一种实施方式中基于单目摄像机的3D空间测量的逻辑结构及其基 础硬件环境的示意图。 图2是本专利技术一种实施方式中基于单目摄像机的3D空间测量方法的流程图。 图3是单目摄像机安装示意图。 图4是本专利技术一种实施方式中光学成像示意图。 图5是本专利技术一种实施方式中成像点在图像采集传感器的Y轴方向的像高示意 图。 图6是透镜成像原理示意图。 图7是本专利技术一种实施方式中成像点在图像采集传感器的Z轴方向的像高示意 图。【具体实施方式】 以下结合附图对本专利技术进行详细说明。 本专利技术提供一种基于单目摄像机的3D空间测量装置，以下以软件实现为例进行 说明，但是本专利技术并不排除诸如硬件或者逻辑器件等其他实现方式。如图1所示，该装置运 行的硬件环境包括CPU、内存、非易失性存储器以及其他硬件。该装置作为一个逻辑层面的 虚拟装置，其通过CPU来运行。该装置包括成像参数获取单元和相对坐标计算单元。请参 考图2,该装置的使用和运行过程包括以下步骤： 步骤101，成像参数获取单元分别对地面上的待测点和辅助测试点对焦，获取对应 成像参数，其中，所述辅助测试点位于摄像机光轴在地面的投影线上，所述待测点与所述 辅助测试点物距不同，且两次成像的摄像机安装参数不变； 步骤102,相对坐标计算单元根据所述待测点和所述辅助测试点的成像参数，对两 次成像进行关联计算，获得所述待测点的相对坐标，所述相对坐标的参考坐标系为，以摄像 机安装支点在地面的投影为原点，以该支点与地面的垂线为Y轴，以摄像机光轴沿地面的 投影为X轴，以与X轴和Y轴垂直的方向为Z轴。本专利技术在不改变单目摄像机安装参数（位置、高度、云台角度等）的情况下，对待 测点及辅助测试点进行成像，并根据成像参数对两次成像进行关联计算，获得待测点的空 间坐标。具体处理过程如下。 如图3所示，单目摄像机通过立杆垂直安装于E点。以E点为原点建立参考坐标 系，计算待测点相对于该坐标系的位置坐标。该坐标系的X轴为摄像机光轴方向在地面的 投影，Y轴为立杆方向，Z轴垂直于XY平面。图中物体AD与地面的交点A为待测点，地面上 的B点为辅助测试点，在摄像机光轴沿地面的投影上。 如图4所示，图中给出了摄像机的简易结构，其中，镜头光学中心为摄像机镜头多 镜片所形成的虚拟光学中心，镜头光学中心与摄像机安装支点的距离（沿摄像机光轴方 向）为r，前后两次成像可能有所变动。为摄像机光轴与地面的夹角。 在不改变摄像机安装参数（高度、光轴角度、方向）的情况下，利用单目摄像机分 别对A点和B点对焦，获取对应成像参数。A点在图像传感器上的成像点为a点，B点在图 像传感器上的成像点为b点，像与物均投射到与光轴垂直的平面上，以便于计算推导。Pi为 一次成像物平面，即A点所在物平面；P2为二次成像物平面，即B点所在物平面。由此得到， 一次成像的像距Vi、焦距Fi以及镜头光学中心与安装支点的距离η;二次成像的像距￥2、焦 距F2以及镜头光学中心与安装支点的距离r2。 根据成像点在图像传感器中的位置计算像高，如图5所示。图中上方的成像点为 b点，下方成像点为a点。根据物理尺寸与沿物理尺寸方向对应像素点数量成正比关系，计 算成像点沿XY平面的物理尺寸（像高）。图中S为图像传感器沿XY平面有效像素范围的 物理尺寸；Si为a点距离图像传感器中心水平线的垂直距离，即A点的成像高度；S2为b点 距离图像传感器中心水平线的垂直距离，即B点的成像高度。 通过上述过程，获得A点对应的像距I、焦距匕、像高Si以及镜头光学中心与安装 支点的距离^ ;获得B点对应的像距V2、焦距F2、像高S2以及镜头光学中心与安装支点的距 离^。根据上述成像参数对两次成像进行关联计算，获得当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单目摄像机的3D空间测量方法，其特征在于，该方法包括：分别对地面上的待测点和辅助测试点对焦，获取对应成像参数,其中，所述辅助测试点位于摄像机光轴在地面的投影线上，所述待测点与所述辅助测试点物距不同，且两次成像的摄像机安装参数不变；根据所述待测点和所述辅助测试点的成像参数，对两次成像进行关联计算，获得所述待测点的相对坐标，所述相对坐标的参考坐标系为，以摄像机安装支点在地面的投影为原点，以该支点与地面的垂线为Y轴，以摄像机光轴沿地面的投影为X轴，以与X轴和Y轴垂直的方向为Z轴。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝晖，
申请(专利权)人：浙江宇视科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33