基于模板的单目视觉目标空间定位方法技术

基于模板的单目视觉目标空间定位方法，属于空间定位技术领域，用于解决目标定位失效、定位准确度低的问题，技术要点是：定义标定模板，检测标定模板图像空间二维位置，将标定模板图像空间二维坐标系映射到三维空间坐标系，根据标定模板在图像平面内的投影推导其在三维空间中相对摄像头的距离与方位以对单目视觉目标标定。效果是：采用模板代替运动目标，对模板进行检测、定向以及测距，计算复杂度低，能够快速有效的定位运动目标。

Template based monocular vision object location method

Monocular vision target location method based on template, which belongs to the technical field of space positioning, target location, failure to solve the problem of low positioning accuracy, the technical key points are: define the calibration template, testing calibration template image space 2D position, the calibration template image space coordinates mapped to 3D space coordinate system, according to the projection formula the calibration template in the image plane of the camera relative in the three-dimensional space distance and azimuth based on monocular vision calibration target. The effect is that the template is used instead of moving target, and the template is detected, directional and ranging. The computational complexity is low, and the moving object can be located quickly and effectively.

【技术实现步骤摘要】
基于模板的单目视觉目标空间定位方法
本专利技术属于空间定位
，具体的说是一种基于模板的单目视觉目标空间定位方法。技术背景目标的准确定位对于目标的识别以及图像的理解与分析起着十分重要的作用，复杂背景中的目标定位在军事、工业监控、交通控制管理等领域有着重要的应用。对于目标定位方面的研究，JorgeLob等提出结合惯性信息与视觉的三维重建方法，利用惯性传感器与双目视觉结合来恢复地平面及与之垂直线段的三维参数；中科院沈阳自动化研究所的郝颖明等在目标上预设一些人工标志点，根据双目立体视觉来对环境的三维信息进行获取，实时计算出移动机器人相对标志物的位置关系；石玉洁对视频监控中双视角运动目标三维空间定位技术进行研究，基于SURF算法来提取特征点，并在户外的环境中引入GPS来建立统一坐标系实现目标定位。单目视觉通过单目摄像机进行空间定位的一种定位技术。目前新的方法不断产生，随着多种学科的交叉引用，更促进单目视觉目标定位方法不断发展。现有目标定位方法主要利用视觉特征建立目标标定模型，通过目标投影定位确定目标空间位置。颜色、纹理、边缘、光流等视觉特征易于提取，但易受环境因素影响，特征稳定性不好，导致目标定位失效，定位准确度低。小波特征、局部特征、特征基等虽然能够增强定位的准确性，但特征提取算法计算复杂度高，不利于实时目标定位。定位速度快、精准度高、鲁棒性强的定位算法是目前单目视觉目标定位方法的研究重点。
技术实现思路
为了解决现有目标定位方法通过目标投影定位确定目标空间位置时，其颜色、纹理、边缘、光流等视觉特征虽易于提取，但易受环境因素影响，特征稳定性不好，导致目标定位失效、定位准确度低的问题。本专利技术技术方案如下：一种基于标定模板的单目视觉目标标定方法：定义标定模板，检测标定模板图像空间二维位置，将标定模板图像空间二维坐标系映射到三维空间坐标系，根据标定模板在图像平面内的投影推导其在三维空间中相对摄像头的距离与方位以对单目视觉目标标定。进一步的，所述定义标定模板，包括如下步骤：采用对角黑色正方形方块为模板基本形式，定义中心点与顶点，并定义中心点与顶点的完备性，对顶点与中心点编码。进一步的，所述定义中心点与顶点的完备性的具体步骤是：根据模板形式，定义中心点或顶点的四象限分区，四个分区分别记为I1、I2、I3、I4，对任意中心点或顶点在任意i方向上等间距选取的n个像素点，其均值为对应中心点或顶点在I1分区的像素均值为：同理，以此求出中心点或顶点四个分区的像素均值中心点或顶点完备性定义如下：完备中心点或顶点：半完备中心点或顶点：不完备中心点或顶点：均不存在；其中，TH1表示图像中对角黑色方块或者对角白色区域像素的相似程度，TH2表示图像中黑白区域像素的差异程度。进一步的，所述对顶点与中心点编码的具体步骤是：标定模板中心点O的4个分区上的像素均值分别记根据像素均值确定4个分区的编码，其中黑色用0编码，白色用1编码；确定顶点各分区像素均值对任一顶点进行编码，其中黑色用0编码，白色用1编码；根据中心点及顶点四个分区的像素均值确定其颜色进行编码。进一步的，所述推导标定模板在三维空间中相对摄像头的距离与方位，包括如下步骤：使用模板标定摄像机，确定初始标定参数；使标定模板与待测目标绑定，进行图像采集；搜索该采集图像角点，提取完备及半完备的中心点和顶点，计算采集图像中的其中一对中心点与顶点的欧氏像素距离；确定单目视觉采集到的采集图像中心点；根据所述采集图像的标定模板的中心点与顶点欧氏像素距离，及初始标定参数，计算采集图像中心点与摄像机中心的欧氏像素距离；计算采集图像中心点与标定模板中心点的欧氏像素距离；依上述采集图像中心点与摄像机中心的欧氏像素距离及采集图像中心点与标定模板中心点的欧氏像素距离，计算标定模板中心与摄像机中心的距离、方位角。进一步的，所述使用标定模板标定摄像机，确定初始标定参数，包括如下步骤：将标定模板中心点O点放置于摄像机镜头组中心轴线上，平行于镜头平面；标定模板由近至远连续水平平移拍照取样，得到各距离上的标定图像，分别对每张标定图像检测所有角点，提取完备中心点、半完备中心点、完备顶点与半完备顶点，根据顶点编码匹配对应中心点与顶点，获取中心点及顶点坐标；计算标定图像中B、O两点的欧氏像素距离dBO，标定图像中E、O两点的欧氏像素距离dEO：其中，顶点O(x0,y0)、顶点B(xB,yB)、顶点E(xE,yE)；dl表示黑块顶点与中心点间欧氏像素距离：dl＝E(dBO，dEO)(3)确定初始标定参数βi：其中，DKO为标定图像中心点O与摄像机中心点K的欧氏空间距离。进一步的，所述根据所述采集图像的标定模板的中心点与顶点欧氏像素距离，及初始标定参数，计算采集图像中心点与摄像机中心的欧氏像素距离的具体步骤是：采集图像的中心点记为P(x,y)，根据所述采集图像的标定模板的中心点与顶点欧氏像素距离dl，及初始标定参数βi，计算采集图像中心点P与摄像机中心点K的欧氏空间距离DKP：DKP＝βi×dl(5)。进一步的，所述计算采集图像中心点与标定模板中心点的欧氏像素距离的具体步骤是：标定模板中心点O(x0,y0)与采集图像中心点P(x,y)的欧氏像素距离为dOP：其中：(x0,y0)为采集图像中模板中心点O点坐标。进一步的，所述计算标定模板中心与摄像机中心的距离、方位角的具体步骤是：标定模板中心点与摄像机中心的欧氏空间距离D与方位角α：有益效果：现有目标定位方法需要额外辅助传感器或测距设备，需要进行坐标系变换或重新建模，计算复杂度高，无法实时为后续处理提供精确的目标参数信息，致使目标跟踪、目标识别、语音定位等处理计算失效，同时，测试成本过高，多传感器信息融合也会降低准确度，对优化算法要求更高，不利于实时性要求高、以及低功耗的小型设备采用。本专利技术针对现有目标空间定位技术中，摄像机标定方法复杂，无法实现实时、准确定位目标的问题，提供一种基于标定模板的单目视觉目标空间定位方法(后简称中的模板也为标定模板)，根据模板在图像平面内的投影推导其在三维空间中相对摄像头的距离与方位，当模板紧邻放置于运动目标前面时，可等效地对被测定运动目标进行定位，以此辅助后续的视频图像运动目标跟踪、运动目标定位、麦克风声源阵列定位以及行人目标定位等研究。该方法仅利用单目摄像头/摄像机为采集前端即可实现对运动目标的初始化定位工作，省去采用激光测距仪、红外测距仪等辅助定位手段所带来的坐标系变换步骤，降低测试测量设备成本，提高实时定位测量效率。本专利技术所述方法以模板替代运动目标进行辅助定向、测距，利用模板标定摄像机推导计算初始参数，检测模板中心在图像中的位置，即模板图像空间二维位置，根据初始标定参数将模板图像空间二维坐标系映射到三维空间坐标系，以此获取目标空间位置(包括方向角和距离)。目标空间位置的确定能够克服在重叠和部分遮挡的情况下，运动目标在图像平面不能被准确识别的缺点，特别是在行人检测、声源阵列定向中实际应用时，作为有益的辅助初始定位参数获取手段，更突显其工程实用价值。附图说明图1I型和II型标定模板示意图；图2任意方向等距取点示意图；图3中心点完备性示意图(n＝1)；图4中心点O编码示意图；图5顶点E编码示意图；图6摄像头标定方法示意图；图7模板定位示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，定义标定模板，检测标定模板图像空间二维位置，将标定模板图像空间二维坐标系映射到三维空间坐标系，根据标定模板在图像平面内的投影推导其在三维空间中相对摄像头的距离与方位以对单目视觉目标标定。

【技术特征摘要】
1.一种基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，定义标定模板，检测标定模板图像空间二维位置，将标定模板图像空间二维坐标系映射到三维空间坐标系，根据标定模板在图像平面内的投影推导其在三维空间中相对摄像头的距离与方位以对单目视觉目标标定。2.如权利要求1所述的基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，所述定义标定模板，包括如下步骤：采用对角黑色正方形方块为模板基本形式，定义中心点与顶点，并定义中心点与顶点的完备性，对顶点与中心点编码。3.如权利要求2所述的基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，所述定义中心点与顶点的完备性的具体步骤是：根据模板形式，定义中心点或顶点的四象限分区，四个分区分别记为I1、I2、I3、I4，对任意中心点或顶点在任意i方向上等间距选取的n个像素点，其均值为对应中心点或顶点在I1分区的像素均值为：同理，以此求出中心点或顶点四个分区的像素均值中心点或顶点完备性定义如下：完备中心点或顶点：半完备中心点或顶点：不完备中心点或顶点：均不存在；其中，TH1表示图像中对角黑色方块或者对角白色区域像素的相似程度，TH2表示图像中黑白区域像素的差异程度。4.如权利要求2所述的基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，所述对顶点与中心点编码的具体步骤是：标定模板中心点O的4个分区上的像素均值分别记根据像素均值确定4个分区的编码，其中黑色用0编码，白色用1编码；确定顶点各分区像素均值对任一顶点进行编码，其中黑色用0编码，白色用1编码；根据中心点及顶点四个分区的像素均值确定其颜色进行编码。5.如权利要求1或2所述的基于标定模板的单目视觉目标标定方法，其特征在于，所述推导标定模板在三维空间中相对摄像头的距离与方位，包括如下步骤：使用模板标定摄像机，确定初始标定参数；使标定模板与待测目标绑定，进行图像采集；搜索该采集图像角点，提取完备及半完备的中心点和顶点，计算采集图像中的其中一对中心点与顶点的欧氏像素距离；确定单目视觉采集到的采集图像中心点；根据所述采集图像的标定模板的中心点与顶点欧氏像素距离，及初始标定参数，计算采集图像中心点与摄像机中心的欧氏像素距离；计算采集图像中心点与标定模板中心点的欧氏像素距离；依上述采集图像中心点与摄像机中心的欧氏像素距离及采集图像中心点与标定模板中心点的欧氏...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛琳，杨大伟，吴俊伟，刘冠群，姬梦婷，郭超，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21