一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法

摘要

一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，主要步骤：第一步，初始化；第二步，建立实际直角坐标系XOY；第三步，测量矩形图样实际边长；第四步，建立图像直角坐标系；第五步，计算单幅图像中心点Q′坐标；第六步，计算点Q1′、点Q2′坐标；第七步，计算摄像机尺度因子；第八步，计算摄像机安装高度、角度；第九步，计算距离检测模型参数；第十步，实现单幅图像距离检测；第十一步，实现实际距离坐标转换为图像坐标。本发明是一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，首次直接利用实际中矩形图样的相对边长信息及其在单幅图像中对应的坐标信息，进行摄像机标定和距离检测模型的建立，解决了视频图像距离检测的问题。

主权项

1.一种基于矩形图样的视频图像距离检测方法，其特点在于，按照以下步骤实施：步骤1、初始化设备，通过摄像机拍摄视频图像，获取单幅图像；步骤2、记摄像机光心为点O₀，记点O₀在道路平面中的投影点为点O，在摄像机拍摄范围内的道路平面中，选取一个矩形图样，顺时针记矩形图样的四个顶点为A、B、C、D，记A、B、C、D在单幅图像中的投影点为A′、B′、C′、D′，其中使得单幅图像中点A′位于四边形A′B′C′D′的左上角，则直线A′B′与直线C′D′相交于一点，记为Q′₁，直线A′D′与直线B′C′相交于一点，记为Q′₂，过点O作Y轴，使得Y轴与向量在实际中对应的方向平行，过点O作X轴，使得X轴与在实际中对应的方向平行，建立道路平面中的实际直角坐标系XOY，以与道路平面竖直向上为Z轴，建立实际的三维空间坐标系；步骤3、分别测量矩形图样ABCD在X方向和Y方向的实际边长，即线段AB和AD的长度，记测量结果为s₁、s₂；步骤4、对于拍摄获取的单幅图像，以单幅图像左上角为原点O′₁，横向向右为X′₁轴，垂直向下为Y′₁轴，并以一个像素点数目为单位长度，建立图像直角坐标系X′₁O′₁Y′₁，记下单幅图像中四边形A′B′C′D′四个顶点分别对应的图像坐标，记为点A′(x₁，y₁)，点B′(x₂，y₂)，点C′(x₃，y₃)，点D′(x₄，y₄)；步骤5、利用得到的单幅图像，求出单幅图像的大小，记为m*n，记下单幅图像中心点Q′的图像坐标(u，v)，其中u＝n/2，v＝m/2，记直线O₀Q′和道路平面的交点为点Q，则即为摄像机拍摄的方向；步骤6、在单幅图像中，分别求出点Q′₁和点Q′₂的图像坐标，点Q′₁、点Q′₂即是单幅图像上，分别对应于实际直角坐标系XOY的X轴方向和Y轴方向的消失点，其中消失点指的是实际中的平行线经过透视投影后在单幅图像中汇聚的那一点：6.1)在单幅图像中，分别求出直线A′B′和直线C′D′的方程，分别记为a₁x+b₁y+c₁＝0，a₂x+b₂y+c₂＝0，6.2)解方程组方程组的解记为(u₁，v₁)，此即点Q′₁的坐标，6.3)在单幅图像中，分别求出直线A′D′和直线B′C′的方程，分别记为a₃x+b₃y+c₃＝0，a₄x+b₄y+c₄＝0， 6.4)解方程组方程组的解记为(u₂，v₂)，此即点Q′₂的坐标；步骤7、求出摄像机焦距和像素点物理长度的比值，此比值即为摄像机尺度因子d_f，其中假设摄像机横坐标和纵坐标方向的像素点物理长度相同：7.1)在单幅图像中，求出点Q′和点Q′₁之间的像素点数目L₁＝((u₁-u)²+(v₁-v)²)^1/2，求出点Q′和点Q′₂之间的像素点数目L₂＝((u₂-u)²+(v₂-v)²)^1/2，求出点Q′₁和点Q′₂之间的像素点数目L₃＝((u₂-u₁)²+(v₂-v₁)²)^1/2，7.2)求出摄像机尺度因子d_f＝((L₃²-L₁²-L₂²)/2)^1/2；步骤8、求出摄像机安装角度：8.1)在实际三维坐标系中，求出和X轴方向的夹角α₁，和Y轴方向的夹角α₂，其中α₁＝arctan(L₁/d_f)，α₂＝arctan(L₂/d_f)，8.2)在实际三维坐标系中，求出在ZOX平面内的投影方向相对于X轴的下倾角β₁，求出在ZOY平面内的投影方向相对于Y轴方向的下倾角β₂，求出在XOY平面内的投影方向与X轴方向的夹角γ₁、与Y轴方向的夹角γ₂：β₁＝arccos((d_f⁴/(L₁²+d_f²)/(d_f²-d_f⁴/(L₂²+d_f²)))^1/2)，β₂＝arccos((d_f⁴/(L₂²+d_f²)/(d_f²-d_f⁴/(L₁²+d_f²)))^1/2)，                                                     ；γ₁＝arctan((L₂²+d_f²)_1/2/(L₁²+d_f²)^1/2)，γ₂＝arctan((L₁²+d_f²)^1/2/(L₂²+d_f²)^1/2)步骤9、计算距离检测模型中的系数和摄像机安装高度：9.1)在单幅图像中，分别求出直线Q′Q′₁和直线Q′Q′₂的方程，分别记为a₀₁x+b₀₁y+c₀₁＝0，a₀₂x+b₀₂y+c₀₂＝0，9.2)解方程组得到的解即为单幅图像中直线A′B′和直 线Q′Q′₂的交点坐标，记为点A′₀₂(x₅，y₅)，解方程组得到的解即为单幅图像中直线C′D′和直线Q′Q′₂的交点坐标，记为点C′₀₂(x₆，y₆)，9.3)解方程组得到的解即为单幅图像中直线A′D′和直线Q′Q′₁的交点坐标，记为点A′₀₁(x₇，y₇)，解方程组得到的解即为单幅图像中直线B′C′和直线Q′Q′₁的交点坐标，记为点C′₀₁(x₈，y₈)，9.5)在单幅图像中，求出点A′₀₁、点C′₀₁到点Q′₁的像素点数目t₁、t₂，求出点A′₀₂、点C′₀₂到点Q′₂的像素点数目t₃、t₄：t₁＝((u₁-x₇)²+(v₁-y₇)²)^1/2，t₂＝((u₁-x₈)²+(v₁-y₈)²)^1/2，                             ，t₃＝((u₂-x₅)²+(v₂-y₅)²)^1/2，t₄＝((u₂-x₆)²+(v₂-y₆)²)^1/29.6)求出距离检测模型中的系数k₂₁、k₂₂，公式如下：k₂₁＝s₁t₁t₂/|t₁-t₂|，                     ，k₂₂＝s₂t₃t₄/|t₃-t₄|9.7)求出摄像机安装高度h：h＝(k₂₂L₂sin(β₁)/d_f/|t₃-t₄|+k₂₁L₁ sin(β₂)/d_f/|t₁-t₂|)/2，9.8)求出距离检测模型中的系数k₁₁，k₁₂，公式如下：k₁₁＝-k₂₁L₁ tan(α₁)/d_f/|t₁-t₂|，                                  ；k₁₂＝-k₂₂L₂ tan(α₂)/d_f/|t₃-t₄|步骤10、对于单幅图像中的道路平面内一点P′(x₁₁，y₁₁)，将其转换为实际直角坐标系XOY中对应的实际点P(p₁，p₂)，检测实际中点P与点O之间的距离l_p：10.1)在单幅图像中，分别求出直线P′Q′₁和直线P′Q′₂的方程，分别记为a₁₁x+b₁₁y+c₁₁＝0，a₁₂x+b₁₂y+c₁₂＝0， 10.2)解方程组得到的解即为单幅图像中直线P′Q′₁和直线Q′Q′₂的交点坐标，记为P′₂(x₁₂，y₁₂)，10.3)解方程组得到的解即为单幅图像中直线P′Q′₂和直线Q′Q′₁的交点坐标，记为点P′₁(x₁₃，y₁₃)，10.4)在单幅图像中，求出点P′₁到点Q′₁的像素点数目t₁₁，求出点P′₂到点Q′₂的像素点数目t₁₂，公式如下：t₁₁＝((u₁-x₁₃)²+(v₁-y₁₃)²)^1/2，                                 ，t₁₂＝((u₂-x₁₂)²+(v₂-y₁₂)²)^1/210.5)求出实际中点P的实际距离坐标P(p₁，p₂)，公式如下：p₁＝k₁₁+k₂₁/t₁₁，                      ，p₂＝k₁₂+k₂₂/t₁₂则实际中点P与点O之间的距离为l_p＝(p₁²+p₂²)^1/2；步骤11、对于实际直角坐标系XOY中对应的实际点G(g₁，g₂)，将其转换为单幅图像中的点G′(x₂₁，y₂₁)：11.1)在单幅图像中，设直线G′Q′₁与直线Q′Q′₂交点为点G′₂(x₂₂，y₂₂)，直线G′Q′₂与直线Q′Q′₁交点为点G′₁(x₂₃，y₂₃)，设点G′₁到点Q′₁的像素点数目为t₂₁，点G′₂到点Q′₂的像素点数目为t₂₂，并由公式t₂₁＝k₂₁/(g₁-k₁₁)，t₂₂＝k₂₂/(g₂-k₁₂)，求出t₂₁、t₂₂，11.2)由于点G′₁位于线段Q′Q′₁上，点G′₂位于线段Q′Q′₂上，通过t₂₁、t₂₂和点G′₂(x₂₂，y₂₂)、点G′₁(x₂₃，y₂₃)之间的关系t₂₁＝((u₁-x₂₃)²+(v₁-y₂₃)²)^1/2，t₂₂＝((u₂-x₂₂)²+(v₂-y₂₂)²)^1/2，反求出点G′₁和点G′₂的图像坐标，11.3)在单幅图像中，分别求出直线G′₂Q′₁和直线G′₁Q′₂的方程，分别记为 a₂₂x+b₂₂y+c₂₂＝0，a₂₁x+b₂₁y+c₂₁＝0，11.4)解方程组得到方程组的解，即为单幅图像中的点G′(x₂₁，y₂₁)。