專利名稱：單副圖像測量前景高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明方法涉及一種通過單攝像頭傳回的圖片，自動測量前景物體高度的新方 法，廣泛適用于單攝像頭估測前景高度的問題，如草的高度估測，牛羊高度的估測等 等；同時，本方法考慮到現(xiàn)實中前景不一定都垂直的情況，對于傾斜前景也給出了比較 好的估測精度。
背景技術(shù)：
隨著計算軟硬件的發(fā)展，利用計算機(jī)視覺方法對場景進(jìn)行測量已發(fā)展成為計算 機(jī)視覺中的一個重要課題，計算機(jī)視覺測量已弓I起越來越多的學(xué)者興趣和關(guān)注。目前計 算機(jī)視覺測量方法主要有下面幾種一是通過同一場景的兩幅或多幅圖像，重建場景 的三維結(jié)構(gòu)，得到前景物體的三維數(shù)據(jù)從而達(dá)到測量目的。這種方法的估測精度對圖像 間匹配點的定位精度要求很高，這樣參數(shù)誤差都會對測量的結(jié)果的影響就比較大，但是 圖像匹配點的精確定位又是計算機(jī)視覺領(lǐng)域的經(jīng)典難題；二是采用單幅圖像測量方法， 通過圖像平面和世界坐標(biāo)系間的投影矩陣計算出物體的三維結(jié)構(gòu)，這種方法避開了圖像 間匹配點的定位問題，從而有比較高的測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了通過單幅圖像測量前景物體的高度，實現(xiàn)了對傾斜物體高 度的較高精度測量。擴(kuò)展了單幅圖像測量的應(yīng)用范圍。本發(fā)明公開了一種利用單攝像頭傳回的圖片，自動測量前景物體高度的新方 法。此方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，在計算前景高度的過程中，首先通過標(biāo)定，取得圖 像平面和世界坐標(biāo)系之間像素點的映射關(guān)系，即計算出單應(yīng)矩陣HgMatix，豎直方向 的消影點mv，橫向的消影點mx，縱向的消影點my，進(jìn)而計算出世界坐標(biāo)系和圖像平面 坐標(biāo)系之間的投影矩陣ProMatix;然后，取得前景區(qū)域的高點highnod和低點lownod，再 計算絕對高點truehigh和highnod點對應(yīng)的投影點truelow ；最后計算出絕對高點truehigh 的Z值和lownod與truelow所對應(yīng)的時間坐標(biāo)點之間的距離值，通過勾股定理，就可取得 前景物體高度的較精確的估計值。此方法解決了傾斜前景物體的高度測量問題，提高前 景物體高度估計測量的精確度；又由于本方法采用的是單攝像頭的測量方法，降低了實 際應(yīng)用時的成本。本發(fā)明方法的條件和步驟如下1.所需設(shè)備待校正的成像系統(tǒng)，的普通PC機(jī)，標(biāo)定模版；其中成像系統(tǒng)可以 是相機(jī)或攝像機(jī)等(本文采用的是攝像頭)；標(biāo)定模版為自制的黑白起棋盤板。2.實現(xiàn)步驟本發(fā)明方法(010)部分，得到世界坐標(biāo)系的地平面與圖像平面之間的單應(yīng)矩陣 Hg，以及垂直方向的消影點mvPoint，橫向消影點mxPoint，縱向消影點myPoint，具體
步驟如下
步驟C011:開始，利用攝像頭拍攝標(biāo)定模板包含的棋盤紙，這里要拍攝的包含 兩個方向的標(biāo)定模板圖像，水平放置即放置在地平面上的標(biāo)定模板圖像plane—Img，和垂 直地平面放置的垂直模板圖像vertical—Img。通過普通PC機(jī)讀取包含這兩個方向的標(biāo)定 模板的圖片——之后攝像頭固定不動。步驟C012:對于水平放置的標(biāo)定模板圖像plane—Img，找到模板圖像plane— Img上的角點及其在圖像平面上的坐標(biāo)COmer[i*j]，并顯示出來；對于垂直放置的標(biāo)定 模板圖像vertical—Img，找到模板圖像vertical—Img上的角點及其在圖像平面上的坐標(biāo) corner—l[i*j]，并顯示出來；其中i = 1，2，…，m，這里m表示網(wǎng)格上橫向角點個數(shù)，
j = 1, 2，…，n,這里n表示網(wǎng)格上縱向角點個數(shù)；步驟C013 接著上步C012得出的COmer[i*j]，假定找到的第一個角點坐標(biāo)對應(yīng) 的地平面齊次坐標(biāo)為(0，0，0，1)，第二個角點坐標(biāo)對應(yīng)的地平面齊次坐標(biāo)為(0，1， 0，1)，依次類推，找出每個圖像平面上角點對應(yīng)的地平面坐標(biāo)。根據(jù)這些相對應(yīng)的點， 計算出圖像平面與地平面之間的單應(yīng)矩陣HgMatix。步驟C014:接著C012得出的COrner[i*j]，分別擬合橫向直線和縱向直線，由擬 合出的一系列橫向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即橫向消影點mxPoint;由擬合 出的一系列縱向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即縱向消影點myPoint;步驟C015 接著C012得出的corner—l[i*j]，擬合出縱向直線，由擬合出的一系 列縱向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即垂直方向的消影點mvPoint;本發(fā)明方法(020)部分，計算攝像頭的內(nèi)部參數(shù)Intri和世界坐標(biāo)系與圖像平面坐 標(biāo)系之間的投影矩陣ProMatix，具體步驟如下步驟C021:根據(jù)步驟C013得到的單應(yīng)矩陣Hg和步驟C015得到的mvPoint，由 單應(yīng)矩陣與攝像頭內(nèi)參數(shù)之間的關(guān)系、旋轉(zhuǎn)矩陣的特性，列出三組線性方程，計算出內(nèi) 部參數(shù)Intri。步驟C022 根據(jù)步驟CO 13得到的單應(yīng)矩陣HgMatix和步驟CO 15得到的 mvPoint,以及步驟C021得出的Intri，由單應(yīng)矩陣HgMatix與投影矩陣ProMatix、垂直 方向消影點mvPoint之間的關(guān)系，計算出世界坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的投影矩陣 ProMatix o本發(fā)明方法(030)部分，計算前景的高度high具體步驟如下步驟C031 對于前景的提取，不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的方法。本文采用的是高 斯混合模型的前景提取法，提取前景區(qū)域front—Img。步驟C032 計算垂直消影點mvPoint和前景區(qū)域front—Img所有點之間的距離，
取最大值hH和最小值1H對應(yīng)的圖像點。如果消影點的縱向值大于零，則取最大值對 應(yīng)的點為最高點highnod，最小值對應(yīng)的圖像點為最低點lownod ；如消影點的縱向值小于 零，則相反。步驟C033:計算C032中最大值hH和最小值1H的差值length，在最低點lownod
和垂直消影點mvPoint連線上，從最低點lownod向最高點所在方向取長度為length的線 段，交點為絕對高點truehigh ； 步驟C034 垂直消影點mvPoint與最高點highnod的連線L1，橫向消影點 mxPoint與最低點lownod的連線L2，縱向消影點myPoint與最低點lownod的連線L3 ；分別計算L1與L2的交點P1和L1與L3的交點P2 ；再計算lownod與P1的距離和lownod 與P2的距離，取其距離值小者對應(yīng)的交點(P1或P2)作為絕對低點truelow ；步驟C035 根據(jù)單應(yīng)矩陣HgMatix計算最低點lownod和絕對低點truelow在 地平面上的坐標(biāo)，并計算出在地平面上的距離lengthL ；由算出的最低點lownod對應(yīng)在 地平面上的坐標(biāo)和絕對高點truehigh，計算出絕對高點truehigh在世界坐標(biāo)系上的Z值 truehighZ ；步驟C036:上步的lengthL和truehighZ，根據(jù)勾股定理，計算出圖像上最高點
highnod和最低點lownod對應(yīng)的世界坐標(biāo)系中的距離，即前景的高度high。有益效果本發(fā)明的目的是提供一種能夠計算任意放置(包括傾斜放置)物體的高度。其 優(yōu)點在于采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，方法靈活，易于實現(xiàn)，成本較低；同時使用該方法簡 單通用，對于任意相機(jī)或攝像機(jī)，任意分辨率的圖像都可使用。


圖1為水平標(biāo)定模板圖像plane—Img，和垂直模板圖像vertical—Img ；圖2為地平面上的橫向消影點mxPoint和縱向消影點myPoint與各個角點的連 線，垂直消影點mvPoint與各個角點的連線；圖3為系統(tǒng)處理計算時的流程4為前景所在測量區(qū)域圖像和計算的結(jié)果顯示圖。
具體實施例方式由圖3所示的前景物體高度計算的流程分為三部分。一、(010)部分，得到世界坐標(biāo)系的地平面與圖像平面之間的單應(yīng)矩陣Hg，以 及垂直方向的消影點mvPoint，橫向消影點mxPoint，縱向消影點myPoint 首先，利用攝像頭拍攝包含兩個方向的標(biāo)定模板圖像——水平放置即放置 在地平面上的標(biāo)定模板圖像plane—Img，和垂直地平面放置的垂直模板圖像vertical— Img (C011)；然后，分別找到模板圖像的角點及其在圖像平面上的坐標(biāo)COmer[i*j]、 corner—l[i*j]，并顯示出來(C012)；接著，找出每個圖像平面上角點對應(yīng)的地平面坐標(biāo)。根據(jù)這些相對應(yīng)的點，計 算出圖像平面與地平面之間的單應(yīng)矩陣HgMatiX(C013)；由comer[i*j]分別擬合橫向直線 和縱向直線，由擬合出的一系列橫向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即橫向消影 點mxPoint;由擬合出的一系列縱向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即縱向消影點 myPoint(C014)；由corner—l[i*j]，擬合出縱向直線，由擬合出的一系列縱向直線，應(yīng)用 最小二乘，算出它們的交點即垂直方向的消影點mVPOint(C015)；圖1所示為原始標(biāo)定圖像plane—Img和vertical—Img，圖2所示為各向消影點與各 個角點的連線。二、(020)部分，由單應(yīng)矩陣與攝像頭內(nèi)參數(shù)之間的關(guān)系、旋轉(zhuǎn)矩陣的特性， 列出三組線性方程，計算出內(nèi)部參數(shù)Intri(C021)；由單應(yīng)矩陣HgMatix與投影矩陣ProMatix,垂直方向消影點mvPoint之間的關(guān)系，計算出世界坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之 間的投影矩陣ProMatix(C022)。三、(030)部分，計算前景的高度high。首先取得前景的最高點highnod和最低 點lownod (C032)，然后求得絕對高點truehigh (C033)和絕對低點truelow (C034)，接著計
算出絕對高點truehigh在世界坐標(biāo)系上的Z值truehighZ(C035)；最后由勾股定理計算出 最高點與最低點在世界坐標(biāo)系中的距離即前景高度值high(C036).圖4為使用本發(fā)明方法對某個前景的計算結(jié)果。
權(quán)利要求
1.單副圖像測量前景高度的方法，設(shè)備由待校正的成像系統(tǒng)，普通PC機(jī)，標(biāo)定模版 組成；其中成像系統(tǒng)可以是相機(jī)或攝像機(jī)等(本文采用的是攝像頭)；標(biāo)定模版為自制的 黑白起棋盤板。其步驟如下 1.實現(xiàn)步驟本發(fā)明方法(OlO)部分，得到世界坐標(biāo)系的地平面與圖像平面之間的單應(yīng)矩陣Hg， 以及垂直方向的消影點mvPoint，橫向消影點mxPoint，縱向消影點myPoint，具體步驟如 下步驟COll 開始，利用攝像頭拍攝標(biāo)定模板包含的棋盤紙，這里要拍攝的包含兩個 方向的標(biāo)定模板圖像，水平放置即放置在地平面上的標(biāo)定模板圖像plane—Img，和垂直地 平面放置的垂直模板圖像vertical—Img。通過普通PC機(jī)讀取包含這兩個方向的標(biāo)定模板 的圖片——之后攝像頭固定不動。步驟C012 對于水平放置的標(biāo)定模板圖像plane—Img，找到模板圖像plane—Img 上的角點及其在圖像平面上的坐標(biāo)comer[i*j]，并顯示出來；對于垂直放置的標(biāo)定模 板圖像vertical—Img，找到模板圖像vertical—Img上的角點及其在圖像平面上的坐標(biāo) corner—l[i*j]，并顯示出來；其中i = 1，2，…，m，這里m表示網(wǎng)格上橫向角點個數(shù)， j = 1, 2，…，η,這里η表示網(wǎng)格上縱向角點個數(shù)；步驟C013:接著上步C012得出的COrner[i*j]，假定找到的第一個角點坐標(biāo)對應(yīng)的 地平面齊次坐標(biāo)為(0，0，0，1)，第二個角點坐標(biāo)對應(yīng)的地平面齊次坐標(biāo)為(0，1，0， 1)，依次類推，找出每個圖像平面上角點對應(yīng)的地平面坐標(biāo)。根據(jù)這些相對應(yīng)的點，計 算出圖像平面與地平面之間的單應(yīng)矩陣HgMatix。步驟C014:接著C012得出的COmer[i*j]，分別擬合橫向直線和縱向直線，由擬合出 的一系列橫向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即橫向消影點mxPoint;由擬合出的 一系列縱向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即縱向消影點myPoint;步驟C015:接著C012得出的comer—l[i*j]，擬合出縱向直線，由擬合出的一系列縱 向直線，應(yīng)用最小二乘，算出它們的交點即垂直方向的消影點mvPoint;本發(fā)明方法(020)部分，計算攝像頭的內(nèi)部參數(shù)Intri和世界坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系 之間的投影矩陣ProMatix，具體步驟如下步驟C021:根據(jù)步驟C013得到的單應(yīng)矩陣Hg和步驟C015得到的mvPoint，由單應(yīng) 矩陣與攝像頭內(nèi)參數(shù)之間的關(guān)系、旋轉(zhuǎn)矩陣的特性，列出三組線性方程，計算出內(nèi)部參 數(shù) Intri。步驟C022 根據(jù)步驟C013得到的單應(yīng)矩陣HgMatix和步驟C015得到的mvPoint， 以及步驟C021得出的Intri，由單應(yīng)矩陣HgMatix與投影矩陣ProMatix、垂直方向消影點mvPoint之間的關(guān)系，計算出世界坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的投影矩陣ProMatix。 本發(fā)明方法(030)部分，計算前景的高度high具體步驟如下 步驟C031:對于前景的提取，不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的方法。本文采用的是高斯混 合模型的前景提取法，提取前景區(qū)域front—Img。步驟C032:計算垂直消影點mvPoint和前景區(qū)域front—Img所有點之間的距離，取最 大值hH和最小值IH對應(yīng)的圖像點。如果消影點的縱向值大于零，則取最大值對應(yīng)的點 為最高點highnod，最小值對應(yīng)的圖像點為最低點Iownod ；如消影點的縱向值小于零，貝Ij相反。步驟C033 計算C032中最大值hH和最小值IH的差值length，在最低點Iownod和 垂直消影點mvPoint連線上，從最低點Iownod向最高點所在方向取長度為length的線段， 交點為絕對高點truehigh ；步驟C034 垂直消影點mvPoint與最高點highnod的連線Ll，橫向消影點mxPoint與 最低點Iownod的連線L2，縱向消影點myPoint與最低點Iownod的連線L3 ；分別計算Ll 與L2的交點Pl和Ll與L3的交點P2 ；再計算Iownod與Pl的距離和Iownod與P2的距 離，取其距離值小者對應(yīng)的交點(Pl或P2)作為絕對低點truelow;步驟C035 根據(jù)單應(yīng)矩陣HgMatix計算最低點Iownod和絕對低點truelow在地平面 上的坐標(biāo)，并計算出在地平面上的距離IengthL;由算出的最低點Iownod對應(yīng)在地平面上 的坐標(biāo)和絕對高點truehigh，計算出絕對高點truehigh在世界坐標(biāo)系上的Z值truehighZ ； 步驟C036:上步的IengthL和truehighZ，根據(jù)勾股定理，計算出圖像上最高點 highnod和最低點Iownod對應(yīng)的世界坐標(biāo)系中的距離，即前景的高度high。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用單攝像頭傳回的圖片，自動測量前景物體高度的新方法。此方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，在計算前景高度的過程中，首先通過標(biāo)定，取得圖像平面和世界坐標(biāo)系之間像素點的映射關(guān)系，即計算出單應(yīng)矩陣HgMatix，豎直方向的消影點mv，橫向的消影點mx，縱向的消影點my，進(jìn)而計算出世界坐標(biāo)系和圖像平面坐標(biāo)系之間的投影矩陣ProMatix；然后，取得前景區(qū)域的高點highnod和低點lownod，再計算絕對高點truehigh及高點highnod在地平面上的投影點即絕對低點truelow；最后計算出絕對高點truehigh的Z值和lownod與truelow所對應(yīng)的時間坐標(biāo)點之間的距離值，通過勾股定理，就可取得前景物體高度的較精確的估計值。此方法解決了傾斜前景物體的高度測量問題，提高前景物體高度估計測量的精確度；又由于本方法采用的是單攝像頭的測量方法，降低了實際應(yīng)用時的成本。
文檔編號G01B11/03GK102012213SQ201010267518
公開日2011年4月13日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者傅博, 李文輝, 齊剛 申請人:吉林大學(xué)