【技術領域】

本發(fā)明屬于光學定位技術領域，具體涉及一種光學照片對物體的空間定位系統(tǒng)及方法。

背景技術：

當前的監(jiān)控系統(tǒng)多采用二維平面監(jiān)控，通過監(jiān)視器將各攝像裝置采集的視頻圖像信號獨立進行顯示。這種監(jiān)控方式存在著很多不足，例如直觀性不強、整體性以及交互性不足等等。對于諸如機場、生產基地或其它大型設施等場所，由于建筑內部不同位置的相似性很大，在兩個監(jiān)控地點背景相似的情況下，很難立刻分析出監(jiān)控的地點；二維平面監(jiān)控系統(tǒng)各自獨立的顯示使其缺乏交互性，視頻圖像只能由監(jiān)視器直接輸出，缺乏編輯功能，不能進行功能擴展；攝像裝置數量過多導致無法迅速定位等。以上問題表明，監(jiān)控系統(tǒng)應該向著智能化、交互性強、立體性、功能可擴展性方向發(fā)展。

因此，現有實時監(jiān)控采用的影視監(jiān)控，畫面并不清晰，不能從中準確的得出所要監(jiān)控物體的準確位置，影響用戶及時處置等弊端。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種光學照片對物體的空間定位系統(tǒng)及方法，能夠直接計算得出物體的具體位置，方便用戶及時處置。

本發(fā)明采用以下技術方案：

一種光學照片對物體的空間定位方法，建立空間直角坐標系，在x軸、y軸和z軸平面上分別設置攝像頭，根據物體的灰度值變化確定像素對應物體的質點，分別選取三個攝像頭對應照片中質點在所述空間直角坐標系中的豎直平面，通過三個豎直平面兩兩相交的直線將質點的坐標從空間直角坐標系轉換到平面坐標系中，得到所述質點在x、y、z軸的坐標，對物體進行空間定位得到實際位置。

進一步的，所述空間直角坐標系以b為原點，bc為x軸，ba為y軸，b’b為z軸，建立長方體結構的監(jiān)控空間abcd-a’b’c’d’，通過兩個攝像頭分別確定所述質點在照片上的橫坐標對應的兩條豎線mq和m’q’，兩條所述豎線在空間中分別對應豎直平面pqmn和p’q’m’n’，根據兩個所述豎直平面的交線ss’得到s點的坐標。

進一步的，其特征在于，所述s點的坐標具體為：

其中，θ為豎直平面與水平面的夾角，a為ba的邊長，b為bc的邊長。

進一步的，將所述照片放入每個所述攝像頭的橫向視場中，得到所述豎直平面與視場中心豎直平面的夾角θ為：

其中，m為照片中質點的位置與照片左邊界的距離，n為照片寬度，為攝像機橫向視角的頂角。

進一步的，所述質點在所述交線ss’上，且與水平面垂直。

進一步的，所述質點為所述攝像頭的光軸與所述監(jiān)控空間的交點，所述光軸垂直于所述監(jiān)控空間的一個邊界面。

一種光學照片對物體空間定位方法的系統(tǒng)，包括多個監(jiān)控攝像頭和采用matlab圖像處理的計算單元，所述監(jiān)控攝像頭分別設置在監(jiān)控空間上與所述計算單元連接，所述計算單元根據物體在每個所述監(jiān)控攝像頭的監(jiān)控圖像中的位置通過函數計算得到物體的空間位置。

進一步的，所述監(jiān)控攝像頭至少包括三個。

與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明一種光學照片對物體空間定位的方法，建立空間直角坐標系，在x軸、y軸和z軸平面上分別設置攝像頭，采用matlab圖像處理功能，將圖片處理成矩陣的形式輸出圖片中每個像素的灰度值，當物體的顏色于場景有明顯差異時，可以輕易地通過灰度值的變化確定那些像素對應的是物體的像，從而得到物體的像在照片中的位置，即可得到物體的實際位置。

進一步的，我們要知道物體點的坐標(x和y坐標)可以通過與物體點處在同一豎直線的另外一點(s點)的x和y坐標來進行計算，通過兩個豎直平面的交線得到s點坐標，可以輕易的計算出s點的空間位置坐標。

進一步的，所表述的質點在照片上所對應的豎線如何準確對應到空間豎直平面，最簡單的辦法就是直接將照片放入空間中，當照片的位置剛好充斥整個照相機視場時在，那么圖5中所表示的θ1角就等同于圖4中所表示的物體所在空間豎直平面和照像機視場中心豎直平面的夾角，用這樣的方法變相的讓不容易直接獲取的可以簡單的計算出來。

進一步的，照相機的朝向在空間中是固定的，為了便于計算，本發(fā)明讓照相機的光軸垂直于所監(jiān)控空間(長方體)的一個面并處在這個面的的中心和讓所拍的照片水平，這樣會使照相機視場中心豎直平面與所監(jiān)控空間的一個面垂直。

本發(fā)明還公開一種光學照片對物體的空間定位系統(tǒng)，包括監(jiān)控攝像頭和采用matlab圖像處理的計算單元，計算單元根據物體在每個監(jiān)控攝像頭的監(jiān)控圖像中的位置通過函數計算得到物體的空間位置，監(jiān)控攝像頭可以實時地獲取物體相對于每一個攝像機的空間位置關系，這些關系是相互聯(lián)系的，并非獨立存在，必須結合兩個以上的空間位置關系才能準確的得到物體的空間位置，此時就需要能從照片中提取信息的計算單元，matlab善于處理圖像信息，可以通過照片中灰度的變化判斷出照片中物體的位置，結合多張圖片的信息就可以通過這些信息與空間位置的函數關系計算出物體的空間坐標。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明垂直于透鏡的平面成像示意圖；

圖2為本發(fā)明監(jiān)控模型的三維示意圖；

圖3為本發(fā)明監(jiān)控模型的平面示意圖；

圖4為本發(fā)明攝像頭的視場圖；

圖5為本發(fā)明攝像頭的視場等效圖。

【具體實施方式】

本發(fā)明提供了一種光學照片對物體的空間定位系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由監(jiān)控部分和計算部分組成。其中監(jiān)控部分使用普通攝像頭，安放在所監(jiān)控空間的特定位置；計算部分采取matlab圖像處理的功能，監(jiān)控攝像頭分別設置在監(jiān)控空間上與計算單元連接，依據物體在監(jiān)控圖像中的位置通過函數計算得到物體的空間位置。將平面圖像信息轉換為位置空間坐標的形式輸出，使監(jiān)控結果更為直觀。

具體如下：

1、確定一個點的位置

假設物體是一個三維空間的一個質點，要確定這個質點的空間位置就要得到3個空間坐標。這里我們采用笛卡爾坐標系來表示，假設物體的空間位置坐標為(x，y，z)，那么有三個未知變量就需要至少3個相互獨立的方程來得出坐標的解，需要至少三個攝像頭才能準確的得出物體的空間位置。

2、攝像機成像特點

請參閱圖1所示，利用凸透鏡成像原理，攝像機的成像機制也是凸透鏡成像。凸透鏡成像存在這樣一個特點，通過凸透鏡光心的光線不會改變傳播方向，直線到達像平面。那么就可以通過這一特點得到以下結論：

①空間中的一個質點與成像于一點且這一點唯一確定；

②空間中的一個通過光心的平面的像為一條直線。

3、通過攝像確定質點的位置

由于通過單獨的攝像頭寫出坐標的方程過于復雜而且容易存在誤差，直接求解3個坐標的存在一定得困難，本方法利用成像特點的第②條，將空間問題改為平面問題進行求解，具體如下：

請參閱圖2所示，照片是凸透鏡所成像的放大，在照片上一條豎線也就是相平面的一條豎線對應的物為一個豎直平面，以攝像頭p1的光軸垂直于所監(jiān)控空間(長方體abcd-a’b’c’d’)的黑點為質點，以b為原點，bc為x軸，ba為y軸，b’b為z軸建立空間直角坐標系，后續(xù)計算過程統(tǒng)一使用這個坐標系。

取質點在照片上的橫坐標所對應是豎線，在空間中對應的豎直平面pqmn，而且質點所在位置(x，y，z)在平面pqmn上，同理在另一個角度p2攝像頭所取照片，得到質點所在位置(x，y，z)在豎直平面p’q’m’n’上。

平面pqmn和平面p’q’m’n’相交于直線ss’，且質點在直線上，直線ss’與水平面垂直。也就是說s點的x坐標和y坐標與質點一致。點s在x，y方向上的坐標即質點的x，y坐標。

s點坐標的求解過程如下：

請參閱圖3所示，在平面abcd中，p1、p2點為攝像頭。給定ab邊長為a、bc邊長為b，m和m’分別在bc和ab的中點。

設s點坐標(x，y)可以得到以下等式：

整理(1)(2)兩式可以的到：

請參閱圖4所示，取攝像頭的橫向視場圖，三角形為等腰三角形，圖中θ1就是需要求得的夾角，為攝像機橫向視角的頂角。

用照片來代替視場中的事物得到圖5所示的三角形，照片中質點的位置與照片左邊界的距離為m，照片寬度為n，其中，n、都是已知常量，通過照片可以得到的大小。

通過幾何關系得出如下關系：

同理可得

式中m’為p2攝像頭所拍照片的質點位置。

將(5)(6)式代入(3)(4)式即可得到x和y的值

若在圖1中abcd平面再添加一攝像頭p3，利用p2和p3的關系，重復上述過程就可以得到z軸的坐標，利用x和z的關系也就是在abb'a'面和abcd面安裝攝像頭獲取x和z的關系，z的表達式為：

其中，c為aa’的長度，n，m和m'是另外一組照片的數據，不同于在計算x，y坐標時的值

當物體的顏色于場景有明顯差異時，可以輕易地通過灰度值的變化確定那些像素對應的是物體的像，從而得到物體的像在照片中的位置即式(5)(6)中m和m’的值代入(7)(8)并且把另外一組裝置測得的m和m’代入(9)便可得到物體的實際位置。