專利名稱：采用參照物高度的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在監(jiān)控環(huán)境采用參照物的高度進(jìn)行 攝像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定的方法，主要用于視頻監(jiān)控環(huán)境下的攝像機(jī)外部參數(shù)精確標(biāo)定。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)逐漸面向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多源化的方向發(fā) 展。其中，智能視頻分析技術(shù)作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的重要手段已經(jīng)成為眾多高校、 公司或科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，智能視頻技術(shù)被廣泛應(yīng) 用于智能交通、樓宇監(jiān)控、倉(cāng)庫(kù)管理等多種室內(nèi)室外應(yīng)用環(huán)境；監(jiān)控分析的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)包括各 類車輛、行人、包裹物體；監(jiān)控分析的主要功能從交通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、車輛違章檢測(cè)，到人員異 常行為報(bào)警、物品遺留或丟失，等等多種方面。是以圖像處理、機(jī)器視覺、模式識(shí)別等多種視 頻和圖像分析技術(shù)為基礎(chǔ)，集數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合的綜 合應(yīng)用集成系統(tǒng)。其中，攝像機(jī)標(biāo)定作為圖像理解和機(jī)器視覺的重要技術(shù)，直接影響到系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控 環(huán)境幾何信息的感知是否準(zhǔn)確，影響到系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的特征包括大小、形狀、位置、運(yùn)動(dòng) 速度等信息的提取是否正確。一個(gè)好的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)該能夠勝任多種應(yīng)用場(chǎng)所，應(yīng) 該具有一個(gè)能夠描述通用環(huán)境的視覺模型。根據(jù)這個(gè)視覺模型而建立的攝像機(jī)標(biāo)定方法也 應(yīng)該具有通用性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。在攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)上，國(guó)內(nèi)外工作者已經(jīng)提出了諸多方法最早有人提出一種多 點(diǎn)擬合法，選擇多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行多次標(biāo)定，每個(gè)標(biāo)定線段描述了在標(biāo)定點(diǎn)附近沿距離向的 變化速率，這樣對(duì)標(biāo)定線組所描述的映射變形曲線進(jìn)行最小二乘擬合而獲得標(biāo)定結(jié)果，但 是該方法具有一定的局限性，在三維空間中，如果這個(gè)標(biāo)定是針對(duì)距離向而作的，那么高度 向上的映射關(guān)系仍然是未知的，因此，為了獲得三維的信息，同時(shí)又要提高精度，標(biāo)定線的 個(gè)數(shù)就會(huì)隨著對(duì)精度的要求而成倍地增加，增大了系統(tǒng)標(biāo)定的復(fù)雜程度，另外同一個(gè)視頻 中出現(xiàn)大量標(biāo)定點(diǎn)也會(huì)影響對(duì)單個(gè)標(biāo)定點(diǎn)有效性的分析；意大利帕爾瑪大學(xué)的ARGO系統(tǒng) 在假定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)已知的前提下求解外部參數(shù)，但是采用了在地面上畫一張已知尺 寸的網(wǎng)格的方法，利用其交點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，該方法很明顯不利于標(biāo)定技術(shù)的推廣；很多實(shí)用 的系統(tǒng)中，例如NICE系統(tǒng)，采用了地平線傾角標(biāo)定線和物體變化范圍描述矩形，通過(guò)設(shè)定 視場(chǎng)中物體近大遠(yuǎn)小的變化范圍或由遠(yuǎn)到近的變化情況來(lái)回避攝像機(jī)標(biāo)定的問(wèn)題，但是如 果不需要對(duì)目標(biāo)尺寸的精確，計(jì)算這種方法顯然是快速有效的；西安交通大學(xué)的研究人員 采用道路面上三條平行線作為標(biāo)定線的方法確定車載攝像機(jī)的外部參數(shù)，該方法很明顯將 標(biāo)定技術(shù)的使用范圍限制在了交通標(biāo)志線清晰的公路上；中科院自動(dòng)化所的研究人員對(duì)標(biāo) 定線段和世界坐標(biāo)系地平面的映射關(guān)系進(jìn)行了分析，僅用變換矩陣的方法就求解出了世界 坐標(biāo)系地平面兩點(diǎn)之間的間距，但是該方法雖然計(jì)算精度高，卻沒有使用到高度信息，只能 用作對(duì)標(biāo)定平面的兩點(diǎn)間距的測(cè)量，并不能做到真正的三維立體測(cè)量；南京大學(xué)的研究人 員采用了多種算法對(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)逐一求解，建立了基于消失點(diǎn)的視覺模型并進(jìn)行了嚴(yán)密推導(dǎo)，但是所依賴的標(biāo)定手段是采用了公路左右一對(duì)的六九標(biāo)志線，并且該方法只能采 用位于世界坐標(biāo)系地平面上相互平行的標(biāo)定線段，同樣將攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的應(yīng)用范圍限制 在了道路標(biāo)志線清晰豐富的公路上。在實(shí)際應(yīng)用中，視覺模型的精確和標(biāo)定方法的限制只是攝像機(jī)標(biāo)定的一個(gè)方面。 由于攝像機(jī)標(biāo)定是在圖像中進(jìn)行的，圖像分辨率本身就影響著標(biāo)定精確度，帶來(lái)了不可避 免的誤差。另外，工作人員標(biāo)定時(shí)選點(diǎn)的誤差也會(huì)影響到標(biāo)定結(jié)果。因此，需要設(shè)計(jì)一種能 夠滿足精確的視覺模型，而且使用方便快捷的攝像機(jī)標(biāo)定方法，盡量減少人為誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種采用參照物高度的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法， 該方法具有面向多種監(jiān)控環(huán)境、設(shè)置方式方便快捷和標(biāo)定測(cè)量結(jié)果精確等特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種采用參照物高度的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法，其從透視投影模型出發(fā)， 根據(jù)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的安裝方式建立世界坐標(biāo)系；提出了一種在該世界坐標(biāo)系中加入遠(yuǎn)消失點(diǎn) 和下消失點(diǎn)描述透視投影形變的視覺模型，以及在該視覺模型基礎(chǔ)上建立世界坐標(biāo)系、攝 像機(jī)坐標(biāo)系、圖像投影坐標(biāo)系的方式；該方法的組成部份包含如下內(nèi)容a)基于透視投影模型的坐標(biāo)系建立方法。b)基于遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)描述透視投影形變的視覺模型。c)基于上述模型的參照物鉛垂高度標(biāo)定點(diǎn)選取方法。d)基于參照物鉛垂高度的攝像機(jī)高度、俯視角、放大系數(shù)計(jì)算方法。e)基于參照物鉛垂方向的地平線傾角標(biāo)定工具設(shè)計(jì)；f)基于透視投影模型的立體測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)和使用方法，包含參照物高度測(cè)量 尺、地平面兩點(diǎn)間距離測(cè)量尺、景深重構(gòu)框架顯示等三種工具的設(shè)計(jì)和使用。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法，其包括如下步驟(a)獲取監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視頻圖像；(b)在上述圖像中尋找二個(gè)以上具有明顯鉛垂方向信息的參照物，要求參照物鉛 錘方向兩個(gè)端點(diǎn)距離超過(guò)15像素；(c)根據(jù)這些參照物的鉛垂方向，采用地平線傾角標(biāo)定工具確定地平線傾角；(d)在圖像中手動(dòng)標(biāo)注上述參照物沿鉛垂方向的底端點(diǎn)和頂端點(diǎn)，從而確定高度 標(biāo)定線段；(e)根據(jù)高度標(biāo)定線段計(jì)算遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下消失點(diǎn)在圖像平面中的投影坐標(biāo)；(f)根據(jù)(e)步所得消失點(diǎn)坐標(biāo)和高度標(biāo)定線段計(jì)算攝像機(jī)安裝高度、俯視角、放 大系數(shù)；(g)利用立體測(cè)量軟件，檢驗(yàn)高度標(biāo)定線的設(shè)置是否合理。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其所述基于遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下消失點(diǎn)的視覺模型描述與 相關(guān)坐標(biāo)系建立，其建立方式參看

圖1，包括如下步驟1)基于透視投影模型設(shè)計(jì)視覺模型，結(jié)合監(jiān)控?cái)z像機(jī)的通用架設(shè)角度，提出了利 用遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)解釋透視投影形變的方法，即在世界坐標(biāo)系中存在這樣一類直線， 即平行于地平面且平行于由攝像機(jī)光軸與攝像機(jī)垂線確定的平面的直線，所有這類直線在圖像中的映射直線會(huì)相交于遠(yuǎn)消失點(diǎn)；在世界坐標(biāo)系中所有平行于攝像機(jī)高度鉛垂線的 直線，其在圖像中的映射直線會(huì)相交于下消失點(diǎn)；根據(jù)以上分析，以透視投影模型為基礎(chǔ)， 引入兩個(gè)消失點(diǎn)來(lái)描述透視形變，從而提出新的視覺模型，并建立世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo) 系、圖像投影坐標(biāo)系，如圖1 ；2)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)軸標(biāo)記為Xw-Yw-Zw ；如圖1所示世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于攝像機(jī) 鉛垂方向的正下方；距離向Yw指向遠(yuǎn)方，與攝像機(jī)光軸相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖像中心點(diǎn)(xc， yc)；左右向Xw指向右方，Xw和Yw組成了地平面；高度向Zw是由原點(diǎn)出發(fā)指向攝像機(jī)光 心，垂直于地平面的直線；攝像機(jī)光心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就是(0，0，hD)，其中hD是攝 像機(jī)架設(shè)高度；3)攝像機(jī)坐標(biāo)系以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)，當(dāng)攝像機(jī)俯視角度為0，且攝像機(jī)高度為 0時(shí)，攝像機(jī)豎直向上放置于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)上；攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸標(biāo)記為Xs-Ys-h ； 其中Xs軸與Xw軸重合，Ys軸與Yw軸重合，Zs軸與Zw軸重合；當(dāng)攝像機(jī)高度為hD時(shí)，沿 Zw軸平移攝像機(jī)坐標(biāo)系到點(diǎn)(0，0，hD)；當(dāng)攝像機(jī)俯視角度為alpha時(shí)，以Xs為軸，順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)坐標(biāo)系alpha度，得到變換后的攝像機(jī)坐標(biāo)系，如圖1中攝像機(jī)架設(shè)示意；4)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算以及攝像機(jī)畸變矯正，采用棋盤格法解決；5)圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸上；圖像平面平行于像平面，垂直于攝像機(jī) 光軸，如圖1中陰影區(qū)所示；圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)軸標(biāo)記為乂^與^軸平行方向相同，X與Xs 軸平行方向相同；圖像坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的映射關(guān)系取決于攝像機(jī)CCD采樣像素點(diǎn)間 距與對(duì)應(yīng)的成像點(diǎn)實(shí)際間距的比值；通過(guò)對(duì)成像變換方程中幾個(gè)系數(shù)的組合，最終，定義圖 像點(diǎn)像素間距到像平面兩點(diǎn)間距的放大系數(shù)a、b，假設(shè)攝像機(jī)沿水平軸的放大系數(shù)和沿豎 直軸的放大系數(shù)相同即a = b，那么只需計(jì)算一個(gè)放大系數(shù)a。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其所述下消失點(diǎn)是圖像坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)，其世界 坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位于世界坐標(biāo)系Zw軸方向正下方無(wú)限遠(yuǎn)處，也就是攝像機(jī)光心正下方無(wú) 限遠(yuǎn)處；在圖像坐標(biāo)系中，所有物體的鉛垂方向延長(zhǎng)線都會(huì)相交于下消失點(diǎn)，如圖2中最下 端的會(huì)聚點(diǎn)；當(dāng)攝像機(jī)向下俯視時(shí)，在圖像中參照物鉛垂方向延長(zhǎng)線會(huì)相交于一個(gè)下消失 點(diǎn)；當(dāng)攝像機(jī)向上仰視時(shí)，參照物鉛垂方向延長(zhǎng)線會(huì)相交于上消失點(diǎn)，上消失點(diǎn)同樣位于世 界坐標(biāo)系Zw軸方向正上方無(wú)限遠(yuǎn)處；上消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)在幾何上都位于穿過(guò)攝像機(jī)光 心，垂直于地平面的直線上。消失點(diǎn)的描述參看圖2和圖3，其中圖3利用側(cè)視視角描述了 下消失點(diǎn)在世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其所 述遠(yuǎn)消失點(diǎn)是圖像坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)，其世界坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位于地平線上，如圖2中最 上端點(diǎn)所示；在圖像中平行于地平面的任何一對(duì)平行線都會(huì)相交于某一個(gè)地平線點(diǎn)，這個(gè) 點(diǎn)是一個(gè)透視形變消失點(diǎn)；遠(yuǎn)消失點(diǎn)位于通過(guò)攝像機(jī)光軸并且垂直于地平面的平面與地平 線的交點(diǎn)。圖3利用側(cè)視視角描述了遠(yuǎn)消失點(diǎn)在世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其所述遠(yuǎn)消失點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，是在圖像上利用手動(dòng) 確定二個(gè)以上參照物沿鉛垂方向的頂點(diǎn)和底點(diǎn)，標(biāo)定線設(shè)置方法參看圖2和圖5 ；包括首 先對(duì)參照物頂點(diǎn)與底點(diǎn)的像素距離根據(jù)所代表的高度進(jìn)行歸一化，歸一化時(shí)只移動(dòng)頂點(diǎn)坐 標(biāo)，底點(diǎn)不變；然后將任意兩個(gè)參照物作為一組，在圖像坐標(biāo)系中基于透視形變?cè)碛?jì)算出 對(duì)應(yīng)的透視形變消失點(diǎn)坐標(biāo)；由于該消失點(diǎn)位于地平線上，以此確定地平線方程；根據(jù)獲得的地平線傾斜角度來(lái)修正地平線角度，結(jié)合遠(yuǎn)消失點(diǎn)的定義即遠(yuǎn)消失點(diǎn)位于通過(guò)攝像 機(jī)光軸且垂直于地平面的平面上，計(jì)算出遠(yuǎn)消失點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、地平線。所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其所述基于參照物鉛垂高度的攝像機(jī)標(biāo)定包括利 用已經(jīng)求得的遠(yuǎn)消失點(diǎn)圖像坐標(biāo)，以及歸一化后的參照物頂點(diǎn)坐標(biāo)和底點(diǎn)坐標(biāo)，分別構(gòu)建 兩條輔助直線，圖4從側(cè)面視角描述了這兩條輔助線的繪制方法以及對(duì)應(yīng)交點(diǎn)的位置，通 過(guò)分析兩條直線與穿過(guò)攝像機(jī)光軸并且垂直于遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下消失點(diǎn)連線的平面的交點(diǎn)的 幾何關(guān)系獲得聯(lián)立方程
權(quán)利要求
1.一種采用參照物高度的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于從透視投影模型出發(fā)，根據(jù)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的安裝方式建立世界坐標(biāo)系；提出了一種在該 世界坐標(biāo)系中加入遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)描述透視投影形變的視覺模型，以及在該視覺模型 基礎(chǔ)上建立世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像投影坐標(biāo)系的方式；該方法的組成部份包含如 下內(nèi)容(a)基于透視投影模型的坐標(biāo)系建立方法。(b)基于遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)描述透視投影形變的視覺模型。(c)基于上述模型的參照物鉛垂高度標(biāo)定點(diǎn)選取方法。(d)基于參照物鉛垂高度的攝像機(jī)高度、俯視角、放大系數(shù)計(jì)算方法。(e)基于參照物鉛垂方向的地平線傾角標(biāo)定工具設(shè)計(jì)；(f)基于透視投影模型的立體測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)和使用方法，包含參照物高度測(cè)量尺、地 平面兩點(diǎn)間距離測(cè)量尺、景深重構(gòu)框架顯示等三種工具的設(shè)計(jì)和使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于，包括如下步驟(a)獲取監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視頻圖像；(b)在上述圖像中尋找二個(gè)以上具有明顯鉛垂方向信息的參照物，要求參照物鉛錘方 向兩個(gè)端點(diǎn)距離超過(guò)15像素；(c)根據(jù)這些參照物的鉛垂方向，采用地平線傾角標(biāo)定工具確定地平線傾角；(d)在圖像中手動(dòng)標(biāo)注上述參照物沿鉛垂方向的底端點(diǎn)和頂端點(diǎn)，從而確定高度標(biāo)定 線段；(e)根據(jù)高度標(biāo)定線段計(jì)算遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下消失點(diǎn)在圖像平面中的投影坐標(biāo)；(f)根據(jù)(e)步所得消失點(diǎn)坐標(biāo)和高度標(biāo)定線段計(jì)算攝像機(jī)安裝高度、俯視角、放大系數(shù)；(g)利用立體測(cè)量軟件，檢驗(yàn)高度標(biāo)定線的設(shè)置是否合理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述基于遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下 消失點(diǎn)的視覺模型描述與相關(guān)坐標(biāo)系建立，包括如下步驟(1)基于透視投影模型設(shè)計(jì)視覺模型，結(jié)合監(jiān)控?cái)z像機(jī)的通用架設(shè)角度，提出了利用遠(yuǎn) 消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)解釋透視投影形變的方法，即在世界坐標(biāo)系中存在這樣一類直線，即平 行于地平面且平行于由攝像機(jī)光軸與攝像機(jī)垂線確定的平面的直線，所有這類直線在圖像 中的映射直線會(huì)相交于遠(yuǎn)消失點(diǎn)；在世界坐標(biāo)系中所有平行于攝像機(jī)高度鉛垂線的直線， 其在圖像中的映射直線會(huì)相交于下消失點(diǎn)；根據(jù)以上分析，以透視投影模型為基礎(chǔ)，引入兩 個(gè)消失點(diǎn)來(lái)描述透視形變，從而提出新的視覺模型，并建立世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖 像投影坐標(biāo)系；(2)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)軸標(biāo)記為Xw-Yw-Zw；世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于攝像機(jī)鉛垂方向的正 下方；距離向Yw指向遠(yuǎn)方，與攝像機(jī)光軸相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖像中心點(diǎn)(Xc，yc)；左右向Xw 指向右方，Xw和Yw組成了地平面；高度向Zw是由原點(diǎn)出發(fā)指向攝像機(jī)光心，垂直于地平面 的直線；攝像機(jī)光心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就是(0，0，hD)，其中hD是攝像機(jī)架設(shè)高度；(3)攝像機(jī)坐標(biāo)系以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)，當(dāng)攝像機(jī)俯視角度為0，且攝像機(jī)高度為0時(shí)， 攝像機(jī)豎直向上放置于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)上；攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸標(biāo)記為Xs-Ys-h ；其中 Xs軸與Xw軸重合，Ys軸與Yw軸重合，Zs軸與Zw軸重合；當(dāng)攝像機(jī)高度為hD時(shí)，沿Zw軸平移攝像機(jī)坐標(biāo)系到點(diǎn)(0，0，hD)；當(dāng)攝像機(jī)俯視角度為alpha時(shí)，以Xs為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 攝像機(jī)坐標(biāo)系alpha度，得到變換后的攝像機(jī)坐標(biāo)系；(4)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的計(jì)算以及攝像機(jī)畸變矯正，采用棋盤格法解決；(5)圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸上；圖像平面平行于像平面，垂直于攝像機(jī)光 軸；圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)軸標(biāo)記為X-Y，Y與k軸平行方向相同，X與Xs軸平行方向相同；圖像 坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的映射關(guān)系取決于攝像機(jī)CCD采樣像素點(diǎn)間距與對(duì)應(yīng)的成像點(diǎn)實(shí) 際間距的比值；通過(guò)對(duì)成像變換方程中幾個(gè)系數(shù)的組合，最終，定義圖像點(diǎn)像素間距到像平 面兩點(diǎn)間距的放大系數(shù)a、b，假設(shè)攝像機(jī)沿水平軸的放大系數(shù)和沿豎直軸的放大系數(shù)相同 即a = b，那么只需計(jì)算一個(gè)放大系數(shù)a。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述下消失點(diǎn)是圖像坐 標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)，其世界坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位于世界坐標(biāo)系Zw軸方向正下方無(wú)限遠(yuǎn)處，也就 是攝像機(jī)光心正下方無(wú)限遠(yuǎn)處；在圖像坐標(biāo)系中，所有物體的鉛垂方向延長(zhǎng)線都會(huì)相交于 下消失點(diǎn)；當(dāng)攝像機(jī)向下俯視時(shí)，在圖像中參照物鉛垂方向延長(zhǎng)線會(huì)相交于一個(gè)下消失點(diǎn)； 當(dāng)攝像機(jī)向上仰視時(shí)，參照物鉛垂方向延長(zhǎng)線會(huì)相交于上消失點(diǎn)，上消失點(diǎn)同樣位于世界 坐標(biāo)系Zw軸方向正上方無(wú)限遠(yuǎn)處；上消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)在幾何上都位于穿過(guò)攝像機(jī)光心， 垂直于地平面的直線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述遠(yuǎn)消失點(diǎn)是圖像坐 標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)，其世界坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位于地平線上；在圖像中平行于地平面的任何一 對(duì)平行線都會(huì)相交于某一個(gè)地平線點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)是一個(gè)透視形變消失點(diǎn)；遠(yuǎn)消失點(diǎn)位于通過(guò) 攝像機(jī)光軸并且垂直于地平面的平面與地平線的交點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述遠(yuǎn)消失點(diǎn)的圖 像坐標(biāo)，是在圖像上利用手動(dòng)確定二個(gè)以上參照物沿鉛垂方向的頂點(diǎn)和底點(diǎn)；包括首先 對(duì)參照物頂點(diǎn)與底點(diǎn)的像素距離根據(jù)所代表的高度進(jìn)行歸一化，歸一化時(shí)只移動(dòng)頂點(diǎn)坐 標(biāo)，底點(diǎn)不變；然后將任意兩個(gè)參照物作為一組，在圖像坐標(biāo)系中基于透視形變?cè)碛?jì)算出 對(duì)應(yīng)的透視形變消失點(diǎn)坐標(biāo)；由于該消失點(diǎn)位于地平線上，以此確定地平線方程；根據(jù)獲 得的地平線傾斜角度來(lái)修正地平線角度，結(jié)合遠(yuǎn)消失點(diǎn)的定義即遠(yuǎn)消失點(diǎn)位于通過(guò)攝像 機(jī)光軸且垂直于地平面的平面上，計(jì)算出遠(yuǎn)消失點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述基于參照物鉛垂高 度的攝像機(jī)標(biāo)定包括利用已經(jīng)求得的遠(yuǎn)消失點(diǎn)圖像坐標(biāo)，以及歸一化后的參照物頂點(diǎn)坐 標(biāo)和底點(diǎn)坐標(biāo)，分別構(gòu)建兩條輔助直線，通過(guò)分析兩條直線與穿過(guò)攝像機(jī)光軸并且垂直于 遠(yuǎn)消失點(diǎn)與下消失點(diǎn)連線的平面的交點(diǎn)的幾何關(guān)系獲得聯(lián)立方程 χ b(x-xc)(Zv-hD) w a cos a-\-{yc- y) sin a Y _ (Zw 二 hD)[(yc-y)cosa + a sin a] wa cos a + (yc- y) sin aXwpl = Xwp 2Zwp I-Zwp 2 = Ien其中，Ien為高度標(biāo)定線段代表的高度值，Xwpl、Xwp2、Zwpl、Zwp2分別為頂點(diǎn)連線和底 點(diǎn)連線與中平面交點(diǎn)PI、P2的世界坐標(biāo)值；再代入歸一化后的參照物高度，求解攝像機(jī)架設(shè)高度；利用遠(yuǎn)消失點(diǎn)坐標(biāo)和攝像機(jī)架設(shè)高度的計(jì)算結(jié)果，代入視覺模型中求解放大系數(shù) 和攝像機(jī)俯視角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述基于參照物鉛垂方 向的地平線傾角標(biāo)定工具設(shè)計(jì)，包括1)采用地平線傾角設(shè)置工具確定地平線；地平線傾角設(shè)置工具繪制了兩個(gè)控制點(diǎn)，穿 過(guò)兩個(gè)控制點(diǎn)繪制了一條直線，該直線表示一條與地平線平行的直線，其傾角代表地平線 的傾角；2)繪制一條垂直于第1)步所得直線并穿過(guò)圖像中心的直線；3)第幻步所得直線表示穿過(guò)攝像機(jī)光軸且垂直于地平面的平面在圖像中的投影，該 直線稱為鉛垂方向標(biāo)志線；4)移動(dòng)工具的兩個(gè)控制點(diǎn)在圖像中選取合適的鉛垂方向角度，使工具中鉛垂方向標(biāo)志 線的傾斜方向盡量與圖像中標(biāo)志線附近的參照物鉛垂方向重合，或者地平線標(biāo)志線盡量與 地平線平行；由此設(shè)置攝像機(jī)以光軸為旋轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述基于透視投影模型 的立體測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)和使用方法，包括設(shè)計(jì)基于透視投影模型的立體測(cè)量軟件操作界 面；及采用本發(fā)明計(jì)算所得的參數(shù)標(biāo)定結(jié)果作為輸入，通過(guò)透視投影成像模型進(jìn)行驗(yàn)算的 方法；根據(jù)驗(yàn)算需要，該軟件包含地平面兩點(diǎn)間距離測(cè)量工具、參照物高度測(cè)量工具、景 深重構(gòu)框架，等三個(gè)工具(a)地平面兩點(diǎn)間距離測(cè)量工具手動(dòng)指定圖像中地平面上的兩個(gè)端點(diǎn)，該工具會(huì)在 兩個(gè)端點(diǎn)的連線上顯示這兩點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的距離；(b)參照物高度測(cè)量工具該工具有如下用法1)手動(dòng)選擇參照物的底點(diǎn)和頂點(diǎn)，工具會(huì)自動(dòng)計(jì)算并顯示出參照物在世界坐標(biāo)系中的高度；2)拉動(dòng)工具控制點(diǎn)的上端點(diǎn)指定一個(gè)固定高度值之后，在圖像中貼著地平面移動(dòng)該工 具，該工具的高矮會(huì)隨距離攝像頭的遠(yuǎn)近而變化；而無(wú)論該工具的高矮如何變化，其代表的 高度值不變；3)另外，穿過(guò)該工具兩個(gè)端點(diǎn)的連線的直線會(huì)始終指向下消失點(diǎn)，在測(cè)量物體高度時(shí) 該工具會(huì)始終保持與被測(cè)參照物的鉛垂方向重合；(c)景深重構(gòu)框架該工具用于查看由攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)重構(gòu)的世界坐標(biāo)系中的框架在 圖像坐標(biāo)系上的投影效果；該工具首先根據(jù)事先設(shè)定的像素間距，向世界坐標(biāo)系作映射； 用映射后距離作為單位間隔，在世界坐標(biāo)系中繪制了一個(gè)等間隔三維網(wǎng)格，再將這個(gè)網(wǎng)格 投影回圖像中；根據(jù)圖像中該網(wǎng)格整體的傾角、網(wǎng)格孔洞的大小以及網(wǎng)格側(cè)壁的傾斜角度， 我們可以粗略看出重構(gòu)的框架是否符合圖像中場(chǎng)景的真實(shí)情況。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述(b)中2、步，其工 具的高矮也能夠反映出在世界坐標(biāo)系中具有相同底點(diǎn)位置并且具有相同高度的參照物在 圖像中映射的高度。
全文摘要
一種采用參照物高度的監(jiān)控?cái)z像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定方法，包括基于遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)的視覺模型描述與相關(guān)坐標(biāo)系建立；基于參照物鉛垂信息的遠(yuǎn)消失點(diǎn)和下消失點(diǎn)在圖像平面中的投影坐標(biāo)計(jì)算方法；基于參照物高度標(biāo)定的攝像機(jī)高度、俯視角、放大系數(shù)計(jì)算方法；基于參照物鉛垂方向的地平線傾角標(biāo)定工具；基于透視投影模型的立體測(cè)量軟件，以及等高度變化尺、地平面距離測(cè)量尺、景深重構(gòu)框架等三種用于立體測(cè)量的工具。本發(fā)明的標(biāo)定方法操作簡(jiǎn)便，運(yùn)算快捷，測(cè)量精度高。參照物可以為行人、家具或汽車，不需要設(shè)置特殊地面標(biāo)志線。本發(fā)明方法允許攝像機(jī)安裝在低矮地勢(shì)，拍攝俯視角度略微向上，只要視頻中能夠看清參照物底部，明確地平面坐標(biāo)系即可。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102103747SQ200910242758
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者孫彪, 張 浩, 胡文龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所