基于双目视觉的土地面积快速检测方法及其检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于双目视觉的±地面积快速检测方法及其检测装置，特别设及 的是一种基于双目视觉的±地面积快速检测装置和方法。
【背景技术】
[0002] 传统的±地面积测量方法包括罗盘仪测量法、测绳测量法、全站仪测量法、GI^卫 星定位测量法，人工的方式进行用尺子进行测量，需要多人人配合，对资金资源的投入较 大，在一些偏远地区，GPS的信号强度不够，无法达到测量要求。
[0003] 20世纪80年代美国MIT的Marr把视觉理论应用在双目匹配上，获得两张有视差 的平面图的深度信息，由此为双目立体视觉的发展奠定了理论基础。双目立体视觉技术借 鉴人通过双眼来感知立体空间的能力，经过双目图像采集、图像校正、立体匹配等步骤得到 了视差图，根据映射关系找出双目图像中的同一场景并计算出场景的深度信息，进而获得 改点的Ξ维坐标。通过立体视觉技术进行物体识别与测距，信息量全面，且能获取场景Ξ维 深度信息等多种优势。因此能够快速、准确、简便的对规则的±地和不规则的±地的面积的 获取，起着至关重要的作用。
[0004] 双目立体视觉目前已成为计算机视觉领域的一个重要的研究方向，其测量技术具 有无损、非接触、精确、自动化程度高等优点，其在面积的测量方面已有应用，如工件的面 积、叶片的面积等。 阳0化]±地面积特别是不规则的±地的面积在2D平面的测量仍是一个难W克服的难 题。因此对于复杂的地形环境而言，要获得更为快捷精确的面积值，需在Ξ维空间内对其进 行建立形态模型，到目前为止仍是一个亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有不规则的±地的面积在2D平面的测量中存在的上述缺陷，本发明 提供一种对复杂地形的面积做出快速的计算和测量，检测效率高、快捷、方便等优点的基于 双目视觉的±地面积快速检测方法及其检测装置。 阳007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] 基于双目立体视觉的±地面积快速检测方法，其特征在于：所述的方法包括如下 步骤：
[0009] 步骤S1，采用±地面积测量装置，通过触动ARM11嵌入式处理平台的触发开关，利 用双目摄像机采集场景的左视图和右视图；
[0010] 步骤S2,分别对所述的左视图和右视图进行图像预处理，所述的图像预处理包括 用于去除噪声的平滑滤波和图像的灰度变换；
[0011] 步骤S3,分别对处理过的图像进行特征点的提取和匹配；
[0012] 步骤S4,对配准后的图像对通过坐标提取算法提取特征点的Ξ维坐标；
[0013] 步骤S5,根据面积计算公式计算得到被采集场景的面积；
[0014] 所述的步骤S4中，特征点的Ξ维坐标由W下公式获得，包括图像像素系与世界坐 标系之间的转换；
[0017] 其中，d= 为位视差，χ'为空间任意一点；1和r分别为left和ri曲t的 缩写；f为焦距；D为深度值；了1为两个摄像机之间的距离；S为扭转因子；ku=f/dx;ky= f/dy;ku，ky，s，Uu，v。为相机内部结构参数矩阵；其中[uV1]τ表示特征点在图像上的点的 坐标，U，V分别代表像素值；R为正交单位转换矩阵；Τ为Ξ维平移矢量，[RΤ]为相机的外 参数矩阵；0CΥ?ZJ为在世界坐标系空间任意点Ρ的Ξ维坐标，Ρ分别为左右图像中的成 像一个成像坐标；狂。，Υ。，Ζ。）为在相机坐标系空间任意点Ρ的齐次坐标。
[001引所述的步骤S1中，采用两个CMOS摄像机组成的双目摄像机进行图像的数据采集； 双目摄像机的标定采用ZZhang的平面模板两步法进行标定，求出相机的外在参数[RT]。
[0019] 所述的步骤S2中，图像的平滑滤波处理由如下公式得到：
[0020]
阳021] 式中，[i，j]为图像中的任意一个像素；k，l= 1，0，-1 ;m，n表示卷积模板的大小； f[i，j]为图像的离散输入、h[i，j]为脉冲响应函数的离散输入、錢为卷积运算符、g[i，j] 为滤波后图像的离散输出。
[0022] 所述的步骤S3中用Harris检测方法和Canny边缘探测器来提取左、右图像的角 点和边缘。
[0023] 所述的步骤S3中特征点的匹配采用已知极线几何的对应点匹配。
[0024] 所述的步骤S5中，将所匹配的边界的Ξ维点云投影到一个平面上，各点相连接成 一个不规则的η多边形，通过求多边形的面积来求其±地面积。
[00巧]所述的步骤S5中，利用梯形法求面积法求得η多边形的面积；
[00%] 其中，梯形法求面积公式为：
[0027] 其中，S为所求多边形的面积；（Xi，yi)为变换后的一个顶点，而（xw，心1)为变换 后紧挨着（Xi,yi)顶点的下一个顶点坐标，W其中一个顶点为原点的坐标；Xwi=Xi= 〇，ywi =Υι= 0。
[0028] 一种专用于上述所述的基于双目视觉的±地面积快速检测方法的检测装置，包括 两个CMOS摄像机、用于支撑CMOS摄像机的支撑架、图像采集处理装置模块、数据传输电缆、 USB接口模块、ARM11嵌入式处理平台、供ARM11嵌入式处理平台用电的电源模块、LCD控制 模块、LCD显示模块W及Flash&DRAM，所述的CMOS摄像机分别与图像采集处理装置模块、 ARM11嵌入式处理平台连接，所述的图像采集处理装置模块分别与CMOS摄像机、ARM11嵌入 式处理平台双向连接；所述的ARMll嵌入式处理平台分别与LCD控制模块、Flash&DRAM双 向连接，所述的LCD控制模块与LCD显示模块连接。
[0029] 所述的两个CMOS摄像机由相同型号的工业数字摄像机组成；所述的CMOS摄像机 与图像采集处理装模块之间的数据传输电缆长度在5m W内。
[0030] 所述的图像采集处理装模块与ARM11嵌入式处理平台之间通过5m W内的数据传 输电缆连接或无线通信模块进行传输。
[0031] 本发明的有益效果体现在：通过本发明的测量装置和测量方法能够快速的实现对 ±地面积的准确测量，解决了二维图像计算不规则±地的面积运一难题，不仅为±地面积 的快速测量提供了技术支持，而且还为道路铺设面积的费用估算、为工程建筑施工量的估 算提供了技术支持。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明实施方式双目立体视觉测定Ξ维坐标的原理图；
[0033] 图2是依据本发明实施方式的基于双目视觉的±地面积的快速检测方法图像处 理流程图；
[0034] 图3是依据本发明实施方式双目立体视觉测量对应点的匹配过程图；
[0035] 图4是依据本发明实施方式的基于双目视觉的±地面积的快速检测装置的结构 图。
【具体实施方式】
[0036] 下面将依据附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作详细阐述。W下实施例由 于阐述解释本发明，而不能理解为用来限制本发明的范围。
[0037] 本发明的基本原理为：基于双目立体视觉的±地面积的快速检测，利用的是左视 图与右视图之间的视差关系，对获得的图像对进行平滑滤波去噪处理，对两幅图像进行特 征点的捜寻，并对特征点进行立体匹配，根据公式计算出该点的Ξ维坐标，通过对大量的特 征点进行投影得其一个不规则的多边形，进而梯形法求面积法求出该±地的面积。
[0038] 为了对本发明的上述原理更加深刻的理解，下面我们讲结合附图对本发明的原理 做详细阐述。
[0039] 如图1所示，本发明的特征点的Ξ维坐标测量基本原理为：利用左视图与右视图 之间的视差关系，根据双目视觉测距的原理如图3所示，我们根据Ξ角关系可W计算出该 特征点的Ξ维坐标。
[0040] 在实施例中，特征点的Ξ维坐标由W下公式获得，包括图像像素系与世界坐标系 之间的转换。
[0041 ]
[0042]
[0043] 其中，d=χ?-χ'，为位视差，χ?，xt为空间任意一点P分别为左右图像中的成像一个 成像坐标；1和r分别为left和ri曲t的缩写；f为焦距；D为深度值；Ti为两个摄像机之 间的距离；S为扭转因子；ku=f/dx;kv=f/dy;k。，kv，S，U。，V。为相机内部结构参数矩阵； 其中[uV1]τ表示特征点在图像上的点的坐标，u，v分别代表像素值；R为正交单位转换矩 阵；T为Ξ维平移矢量，[RT]为相机的外参数矩阵；0CY。，ZJ为在世界坐标系空间任意点 P的Ξ维坐标；狂。，Y。，Z。）为在相机坐标系空间任意点P的齐次坐标。
[0044] 如图2所示，为本发明实施方式的基于双目视觉的±地面积的快速检测方法图像 处理流程图，包括：图像数据采集、图像平滑滤波、特征点的提取、特征点的匹配、坐标提取 算法、面积计算，各步骤的具体算法描述如下：
[0045] 步骤S1中，图像的数据采集，由两个CMOS摄像机组成的双目摄像机，其双目摄像 机的标定是采用Z化ang的平面模板两步法进行标定，求出相机的外在参数[RΤ]，ΖZhang 的平面模板两步法的计算流程如下：
[0046] (1)初始化崎变参数为0。选取图像中屯、附近崎变较小的点，将它们的世界坐标值 和图像坐标值作为已知条件代入，由线性方法求摄像机的内外参数。
[0047] (2)利用优化算法对摄像机的内外参数进行求精。
[0048] (3)将第（2)步计算出来的内外参数作为初始值，然后选取模板平面上的所有点， 建立一个优化模型求得摄像机的内部参数，外部参数W及崎变参数的最优解。
[0049] 所述实施例中通过开关ARM人机交互平台上的触发开关获得左视图像与右视图 像。
[0050] 步骤S2中，由光学成像系统生成的二维图像，包含各种随机噪声和崎变，因此需 对原始图进行预处理，W改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度