一种面向车道线识别的坐标变换方法技术

本发明专利技术公开了一种面向车道线识别的坐标变换方法，在高质量的图像采集系统

【技术实现步骤摘要】
一种面向车道线识别的坐标变换方法


[0001]本专利技术涉及图像坐标系与世界坐标系的变换方法，具体涉及一种面向车道线识别的坐标变换方法
。

技术介绍

[0002]图像坐标系与世界坐标系的变换方法作为车道线识别系统的基础，主要用于实现提高自然场景下世界坐标系与计算机数字图像存储器坐标系之间的变换的精度，进而提高基于车载摄像机的车道线识别系统的识别精度
。
通用摄像机模型除了要考虑世界坐标系，摄像机坐标系和像平面坐标系之间的变换关系以外，还要考虑摄像机光学成像镜头所产生的几何畸变和
3D
空间连续点在
2D
像平面上的成像，然后存储到计算机存储器中
(M*N)
所产生的离散点和坐标参考点的变化，该变换方法较为复杂且精度不高
。
[0003]经过调研分析，目前面向车道线识别在算法中大都采用了世界坐标变换的算法来进行车道线识别和报警控制，而基于图像坐标的报警算法在小车上不可避免存在识别误差，原因是图像的底部实际上是距离车前几米的地方，其图像上的坐标不能实际反映车轮位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
为采集高质量的前视视频，构建车载前方视频图像采集系统；
S2.
首先分析并推导面向车道线识别算法中通用坐标变换过程；
S3.
针对通用坐标变换过程中问题，分析并推导出图像坐标系与世界坐标系的转换方法；
S4.
分析上一步坐标变换方法中存在的问题，以这三个问题为指导方向，给出优化坐标变换的方法；
S5.
考虑到以上坐标变换方法中设定摄像头安装理想
、
摄像头光轴线垂直于车辆且存在固定俯仰角的条件，进一步简化坐标转换方法；
S6.
为简化坐标转换方法，根据
CCD
和
CMOS
芯片的物理尺寸规格，计算出坐标转换公式中的参数值；
S7.
根据镜头成像理论，通过光轴中心线的物体在图像上成像于图像中心点原理，通过标定测量
tan
γ0的值直接应用于转换公式计算；设计并分析六种
tan
γ0的标定方法，选择最优
tan
γ0的标定方法，将标定值带入坐标转换公式，即实现面向车道线识别的高精度的坐标转换
。2.
根据权利要求1所述的一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，步骤
S1
的具体实现方法如下：考虑到图像质量和检测系统的稳定性，选用工业相机作为系统的图像采集模块，采用吸盘固定在前挡风玻璃，摄像头外壳设置为可调整上下俯仰角和左右偏向角，摄像头的镜头选用可变焦镜头，其能够调整拍摄图像的亮度和颜色的饱和度
。3.
根据权利要求1所述的一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，步骤
S2
的具体实现方法如下：
S201.
通用摄像机模型除了要考虑世界坐标系，摄像机坐标系和像平面坐标系之间的变换关系以外，还要考虑摄像机光学成像镜头所产生的几何奇变和
3D
空间连续点在
2D
像平面上的成像，然后存储到计算机存储器中所产生的离散点和坐标参考点的变化；将客观场景到数字图像的成像变换分解为四步：
(1)
从世界坐标系
W(X,Y,Z)
到摄像机
3D
坐标系
C(x,y,z)
之间的变换；
(2)
从到摄像机
3D
坐标系
C(x,y,z)
到无畸变的像平面坐标系
C(x
’
,y
’
)
之间的变换；
(3)
从无畸变的像平面坐标系
C(x
’
,y
’
)
到存在光学成像畸变的实际像平面坐标系
E(x*,y*)
之间的变换；
(4)
从存在光学成像畸变的实际像平面坐标系
E(x*,y*)
到计算机数字图像存储器坐标系
F(M,N)
之间的变换；
S202.
分析并推导车辆坐标系与摄像头坐标系变换；为了得到图像坐标与地面坐标的映射关系，首先建立车辆坐标系和摄像头坐标系；其中，摄像头坐标系固定于摄像头镜头中心，车辆坐标系固结于车辆前轴中心在水平面的垂直投影处；首先将车辆坐标系
O
w
平移
X
，
Y
，
Z
，然后绕
Z
轴旋转
α
，得旋转矩阵
R1；再将坐标轴绕新的
X
轴旋转
θ
，得旋转矩阵
R2；最后将坐标轴绕新
Y
轴旋转
β
，得旋转矩阵
R3，将以上3次旋转合并，得旋转矩阵
R
，并得到新的坐标系
O
C
，即为摄像头坐标系；假设地面是平面，推出两个坐标系之间的转换关系为：
其中，为旋转矩阵；
t
＝
[t
1 t
2 t3]
T
，为平移矩阵；转换为齐次坐标，有
S203.
分析并推导摄像头坐标系与成像平面坐标系变换；设设
P(xc,yc,zc)
是摄像头坐标系中任意一点，根据小孔成像原理，其在相平面上的投影为
P
’
(x
’
,y
’
)
，根据相似三角型原理，坐标变换公式为：上述公式为非线性的，在此引入齐次坐标方法将其表示为线性矩阵形式；笛卡尔坐标系下的坐标
P
＝
[x
c
,y
c
,z
c
]
的齐次矩阵形式为：
P
ch
＝
[kx
c
,ky
c
,kz
c
,k]
；由
Oc
到
O
’
的变换矩阵为透视变换矩阵和平移变换矩阵的叠加，得到：透视变换矩阵和平移变换矩阵的叠加，得到：透视变换矩阵和平移变换矩阵的叠加，得到：不考虑畸变，则有：
[x
”ꢀ
y
”ꢀ
1]
T
＝
E3[x' y' 1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)S204.
成像平面坐标系与图像坐标系变换，摄像机成像平面到最终的计算机图像的坐标包括缩放和平移，变换矩阵为：
将上述变换矩阵合成，形成摄像头内参变换矩阵，有综合
S201
～
S203
的处理步骤，得到摄像头变换公式
R
w
‑
c
(4*4)
为外参变换矩阵，包含6个独立参数；
R
c
‑
uv
(3*3)
为内参变换矩阵，包含4个独立变量
。4.
根据权利要求1所述的一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，步骤
S3
的具体实现方法如下：
S301.
面向车道线识别的坐标变换算法中采用世界坐标变换的算法来进行车道线识别和报警控制，对坐标变换公式进行进一步优化；
S302.
给出图像坐标系和摄像机坐标系的
Y
轴方向的成像模型；设
O
点是摄像机的光心，矩形
abcd
是图像的成像平面，其宽度为
W
，高度为
H
，矩形
abcd
所对应的路面区域是梯形
ABCD
，
OOC
即为摄像机的安装高度
h
；在路面上任取一点
P
，其坐标为
(Px
，
Py)
，
P
点在图像中的对应点为
p
，其坐标为
(px
，
py)
，推导两个坐标系转换公式的过程等同于推导
(Px
，
Py)
和
(px
，
py)
之间的对应关系；之间的对应关系；之间的对应关系；之间的对应关系；由此推导出两个坐标系纵坐标之间在
Y
轴上转换的关系；
S303.
与
S302
类似，下面推导出两个坐标系横坐标之间的关系，给出图像坐标系和摄像机坐标系的
X
轴方向的成像模型，根据几何关系，推导出如下公式：轴方向的成像模型，根据几何关系，推导出如下公式：轴方向的成像模型，根据几何关系，推导出如下公式：且有如下关系：
P
x
＝
PQ
＝
OQtan
β1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
把式
(18)
和
(19)
代入式
(20)
，经过整理得到两个坐标系横坐标之间的转换公式，如式
(21)
所示；由此，得到式
(15)
和
(21)
共同组成了摄像机坐标系和图像坐标系之间的坐标转换公式
。5.
根据权利要求1所述的一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，步骤
S4
分析坐标转换算法中存在的问题具体如下：坐标转换算法中存在以下三个问题：
(1)
视场角的假设，缺乏支撑，实际需要的是像方视场角，而使用时用的是物方视场角；
(2)
视场角的取值方法，容易造成较大的计算偏差；
(3)
没有考虑摄像头安装偏差和车辆运动造成角度偏差；以这三个问题为指导方向，给出优化坐标变换的方法
。6.
根据权利要求1所述的一种面向车道线识别的坐标变换方法，其特征在于，步骤
S5
中，设定摄像头安装理想
、
摄像头光轴线垂直于车辆且存在固定俯仰角的条件，进一步简化坐标转换方法，分析坐标转换算法中的具体实现方法如下：
S501.
设
O
点是摄像机的光心，矩形
abcd
是图像的成像平面，其宽度为
W
，高度为
H
，矩形
abcd
所对应的路面区域是梯形
ABCD
，
OO
C
即为摄像机的安装高度
h
；在路面上任取一点
P
，其坐标为
(P
x
，
P
y
)
，
P
点在图像中的对应点为
p
，其坐标为
(p
x
，
p
y
)
，
P
点在
CCD<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓艳，唐圣金，郭君斌，杨文可，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：