一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法技术

本发明专利技术公开了一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，属于目标检测和定位领域。该方法将单目摄像机的摄像头保持与本车纵向轴线平行的姿态固定安装在车上，保持俯仰角、偏航角一定，测量透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距，并进行路面消失点的检测；然后一方面确定固定点的位置，另一方面标定实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数，同时实时计算摄像机光轴与车道线夹角；再对采集的视频进行实时的射影变换；最后建立实时动态的纵向和横向距离检测模型。本发明专利技术具有计算工作量小、应用范围广、测距精度高、实时性能好的优点。

A monocular vision ranging method based on fixed point projective transformation

The invention discloses a monocular vision ranging method based on fixed point projective transformation, which belongs to the field of target detection and positioning. The camera and the camera to keep the car in parallel to the longitudinal axis of the fixed position installed in the car, keep the pitch angle and yaw angle, the measurement perspective of actual distance and lateral camera focal length graph corresponding to the lower boundary, and the road vanishing point detection; then a fixed point. On the other hand, the actual road overlooking the calibration graph and projective transformation ratio coefficient map between the longitudinal view, at the same time, real-time calculation of camera axis and lane angle; then the projective transformation of the real-time video; and finally establish the vertical and horizontal distance real-time dynamic detection model. The invention has the advantages of small calculation workload, wide application range, high ranging accuracy and good real-time performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法
本专利技术属于目标检测和目标定位
，具体涉及一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法。
技术介绍
随着人工智能的发展，智能驾驶技术近年来成为了国内外研究的热点问题，其中，高级辅助驾驶系统是实现智能驾驶的初级阶段；另外，近些年来交通事故频发，汽车主动安全技术引发人们的关注，而高级辅助驾驶系统作为汽车主动安全技术的智能化象征，其中关键技术是交通目标的识别和测距。目前视觉机器学习方法被广泛运用在目标识别任务上，而目标测距技术是在目标识别任务的基础上发展而成的一项技术。目前，基于毫米波雷达和激光雷达等主动式传感器测距方法，价格昂贵、扫描范围和速度有限，易受外界信号干扰，不适合广泛应用到汽车上。而基于视觉类传感器的测距方法由于价格低廉、信息丰富，则被广泛运用到汽车高级辅助驾驶系统中。现有的视觉测距方法主要分为单目视觉和立体视觉测距。基于立体视觉的测距方法直观明了、测量精度较高，但是这种方法需要融合多个摄像头的信息，计算量大，实现实时测距的成本相对较高，在很大程度上限制了它的应用。基于单目视觉的测距方法，算法简单、计算量小、成本低廉且实时性能更好。目前常用的单目视觉测距方法主要有：数学回归建模法、逆透视坐标变换法、成像几何关系推导法以及以上方法的融合测距法。例如南京航空航天大学的余厚云提出了基于车道线消失点的几何测距模型(余厚云,张为公.基于单目视觉传感器的车距测量与误差分析[J].传感器与微系统，2012，(09):10-13)。中国专利(CN104899554A)公开了一种基于单目视觉的车辆测距方法，采用短距离的小孔成像模型测距和长距离的数学回归模型测距相结合的测距策略。中国专利(CN102661733A)公开了一种基于单目视觉的前方车辆测距方法，采用实时标定摄像机俯仰角的线性插值方法测量前方车辆的距离。上述测距方法的缺点是标定过程复杂、计算量大，没有对摄像头俯仰角、偏航角进行有效的补偿，同时需要测量大量摄像机内外参数而带来了测量误差，另外仅仅针对本车正前方车辆目标的测距，没有考虑车辆在实际行驶过程中前方不同方位检测目标的纵向和横向距离检测问题，使得这些测距方法都存在一定的局限性。
技术实现思路
针对现有单目视觉测距的不足，本专利技术提出一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，相比较其它单目视觉测距方法而言，本专利技术测距算法和标定过程简单、计算量小、易于实现，同时对摄像头俯仰角、偏航角进行实时补偿，提供一种能够对前方不同方位检测目标的纵向、横向距离检测方法，具有实时性能好、应用范围广、精度高的优点。本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，包括以下步骤：步骤一，将单目摄像机固定安装在本车上，且保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，在结构化道路上，保持摄像机俯仰角、偏航角一定，测量出透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距，并进行路面消失点的检测；步骤二，一方面，根据大量反复实验确定道路消失点下方q像素高度为距离检测剔除范围，确定四个固定点位置；另一方面，在透视图上做等距横向标线，标定实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数，同时基于路面消失点，实时计算摄像机光轴与车道线夹角；步骤三，根据确定的固定点，对采集的视频进行实时的射影变换，即透视图坐标点(u,v)与射影变换俯视图坐标点(x,y)之间进行转换；步骤四，结合摄像机光轴与车道线夹角，建立实时动态的纵向、横向距离检测模型。进一步，所述步骤二中的四个固定点，包括过消失点下方q像素高度位置作水平线，分别交透视图左右边界的两点，另外两点是透视图下边界对应的两个角点。进一步，所述步骤二中摄像机光轴与车道线夹角的计算公式为：γ＝arctan[(2u1-W)/2fx]，其中γ为摄像机光轴与车道线夹角，u1为透视图中消失点的横向坐标，W为透视图在水平方向的像素数量，fx为摄像机横向焦距。进一步，所述步骤二中实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数满足其中d为某一横向标线至本车车头前端的实际距离，h′为射影变换俯视图像素高度，常数e为所求的纵向比例系数。进一步，所述步骤三中透视图坐标点(u,v)与射影变换俯视图坐标点(x,y)之间的转换公式为：其中单应性矩阵为由四个固定点确定的3×3的矩阵。进一步，所述步骤四中，结合摄像机光轴与车道线夹角所得的纵向、横向距离公式分别为：其中，e为实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数，b为透视图下边界所对应的实际距离的一半，H、W分别表示透视图的像素的高和宽，(xp,yp)表示射影变换俯视图中所求目标的坐标，±分别表示检测目标在本车纵向轴线的右侧和左侧，γ为摄像机光轴与车道线夹角。进一步，所述步骤一中测量摄像机横向焦距采用张正友标定法，用Opencv实现。进一步，所述步骤一中路面消失点的检测采用基于车道线检测的权值聚类算法。本专利技术运用基于固定点的射影变换，自动标定出单应性矩阵；通过实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的线性关系，建立等距映射，确定纵向比例系数，同时建立了实时的摄像机光轴和车道线夹角计算模型，最后建立了实时动态的纵向、横向距离检测模型，属于融合测距法，可以为驾驶员超车、换道、跟车行驶、上坡以及转弯等提供前方不同方位检测目标的横向和纵向距离，本专利技术的技术优点是：1、方法简单、计算量小、易于实现，本专利技术利用基于固定点的射影变换，将测距问题转化成几何模型基础上的线性问题，不需要进行复杂的建模回归。2、测量精度高，本专利技术利用可自动调节摄像头俯仰角、偏航角的单目摄像机实现动态的实时补偿，以保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，同时仅仅需要测量透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距，不需要标定其它摄像机内外参数，剔除了部分误差大的像素，保证了测距的精度。3、应用范围广，本专利技术针对前方不同方位的检测目标，适合与多目标检测任务相结合，能够检测前方不同方位不同目标的纵向和横向距离，具有更广的应用范围。附图说明图1为本专利技术的测距方法具体实施的流程图；图2为固定点确定的示意图，图2(a)为透视图中确定固定点示意图，图2(b)为固定点对应的射影变换俯视图；图3为标定纵向比例系数的过程示意图，图3(a)为摄像机采集的透视图，图3(b)为射影变换得到的俯视图；图4为摄像机光轴和车道线夹角计算示意图；图5为建立纵向、横向距离模型的过程示意图，图5(a)为分析测距模型建立的透视示意图，图5(b)为对应的道路俯视模拟示意图，图5(c)为射影变换得到的俯视示意图。具体实施方式本专利技术的流程图如图1所示，首先标定透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距并进行路面消失点的检测，然后确定四个固定点，同时标定实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数以及实时计算摄像机光轴和车道线夹角，然后对采集的视频进行实时的射影变换，最后结合摄像机光轴和车道线夹角与固定点的射影变换，建立实时动态的纵向、横向距离检测模型。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细的说明。一、测量透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距并进行路面消失点的检测首先将车辆停放在平直的道路上，将单目摄像机固定安装在车辆上，调节摄像头与本车纵向轴线平行，通过一个在车前移动的物体，找到透视图的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，其特征在于，采用相机座固定、摄像头可自动调节俯仰角和偏航角的单目摄像机，实现动态的补偿以保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，通过射影变换建立透视图与射影变换俯视图之间的线性关系，考虑车辆在行驶过程中不可避免的存在前方多方位的检测目标，建立了摄像机光轴与车道线夹角变化时的纵向及横向距离计算模型；具体步骤如下：步骤一，将单目摄像机固定安装在本车上，且保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，在结构化道路上，保持摄像机俯仰角、偏航角一定，测量出透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距，并进行路面消失点的检测；步骤二，一方面，根据大量反复实验确定道路消失点下方q像素高度为距离检测剔除范围，确定四个固定点位置；另一方面，在透视图上做等距横向标线，标定实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数，同时基于路面消失点，实时计算摄像机光轴与车道线夹角；步骤三，根据确定的固定点，对采集的视频进行实时的射影变换，即透视图坐标点(u,v)与射影变换俯视图坐标点(x,y)之间进行转换；步骤四，结合摄像机光轴与车道线夹角，建立实时动态的纵向、横向距离检测模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，其特征在于，采用相机座固定、摄像头可自动调节俯仰角和偏航角的单目摄像机，实现动态的补偿以保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，通过射影变换建立透视图与射影变换俯视图之间的线性关系，考虑车辆在行驶过程中不可避免的存在前方多方位的检测目标，建立了摄像机光轴与车道线夹角变化时的纵向及横向距离计算模型；具体步骤如下：步骤一，将单目摄像机固定安装在本车上，且保持摄像头与本车纵向轴线平行的姿态，在结构化道路上，保持摄像机俯仰角、偏航角一定，测量出透视图下边界所对应的实际距离和摄像机横向焦距，并进行路面消失点的检测；步骤二，一方面，根据大量反复实验确定道路消失点下方q像素高度为距离检测剔除范围，确定四个固定点位置；另一方面，在透视图上做等距横向标线，标定实际道路俯视图与射影变换俯视图之间的纵向比例系数，同时基于路面消失点，实时计算摄像机光轴与车道线夹角；步骤三，根据确定的固定点，对采集的视频进行实时的射影变换，即透视图坐标点(u,v)与射影变换俯视图坐标点(x,y)之间进行转换；步骤四，结合摄像机光轴与车道线夹角，建立实时动态的纵向、横向距离检测模型。2.根据权利要求1所述的一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，其特征在于，所述步骤二中的四个固定点，包括过消失点下方q像素高度位置作水平线，分别交透视图左右边界的两点，另外两点是透视图下边界对应的两个角点。3.根据权利要求1所述的一种基于固定点射影变换的单目视觉测距方法，其特征在于，所述步骤二中摄像机光轴与车道线夹角的计...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，后士浩，晏晓娟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32