一种光学照片对物体的空间定位系统及方法与流程

【技术领域】

本发明属于光学定位技术领域，具体涉及一种光学照片对物体的空间定位系统及方法。

背景技术：

当前的监控系统多采用二维平面监控，通过监视器将各摄像装置采集的视频图像信号独立进行显示。这种监控方式存在着很多不足，例如直观性不强、整体性以及交互性不足等等。对于诸如机场、生产基地或其它大型设施等场所，由于建筑内部不同位置的相似性很大，在两个监控地点背景相似的情况下，很难立刻分析出监控的地点；二维平面监控系统各自独立的显示使其缺乏交互性，视频图像只能由监视器直接输出，缺乏编辑功能，不能进行功能扩展；摄像装置数量过多导致无法迅速定位等。以上问题表明，监控系统应该向着智能化、交互性强、立体性、功能可扩展性方向发展。

因此，现有实时监控采用的影视监控，画面并不清晰，不能从中准确的得出所要监控物体的准确位置，影响用户及时处置等弊端。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种光学照片对物体的空间定位系统及方法，能够直接计算得出物体的具体位置，方便用户及时处置。

本发明采用以下技术方案：

一种光学照片对物体的空间定位方法，建立空间直角坐标系，在x轴、y轴和z轴平面上分别设置摄像头，根据物体的灰度值变化确定像素对应物体的质点，分别选取三个摄像头对应照片中质点在所述空间直角坐标系中的竖直平面，通过三个竖直平面两两相交的直线将质点的坐标从空间直角坐标系转换到平面坐标系中，得到所述质点在x、y、z轴的坐标，对物体进行空间定位得到实际位置。

进一步的，所述空间直角坐标系以b为原点，bc为x轴，ba为y轴，b’b为z轴，建立长方体结构的监控空间abcd-a’b’c’d’，通过两个摄像头分别确定所述质点在照片上的横坐标对应的两条竖线mq和m’q’，两条所述竖线在空间中分别对应竖直平面pqmn和p’q’m’n’，根据两个所述竖直平面的交线ss’得到s点的坐标。

进一步的，其特征在于，所述s点的坐标具体为：

其中，θ为竖直平面与水平面的夹角，a为ba的边长，b为bc的边长。

进一步的，将所述照片放入每个所述摄像头的横向视场中，得到所述竖直平面与视场中心竖直平面的夹角θ为：

其中，m为照片中质点的位置与照片左边界的距离，n为照片宽度，为摄像机横向视角的顶角。

进一步的，所述质点在所述交线ss’上，且与水平面垂直。

进一步的，所述质点为所述摄像头的光轴与所述监控空间的交点，所述光轴垂直于所述监控空间的一个边界面。

一种光学照片对物体空间定位方法的系统，包括多个监控摄像头和采用matlab图像处理的计算单元，所述监控摄像头分别设置在监控空间上与所述计算单元连接，所述计算单元根据物体在每个所述监控摄像头的监控图像中的位置通过函数计算得到物体的空间位置。

进一步的，所述监控摄像头至少包括三个。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种光学照片对物体空间定位的方法，建立空间直角坐标系，在x轴、y轴和z轴平面上分别设置摄像头，采用matlab图像处理功能，将图片处理成矩阵的形式输出图片中每个像素的灰度值，当物体的颜色于场景有明显差异时，可以轻易地通过灰度值的变化确定那些像素对应的是物体的像，从而得到物体的像在照片中的位置，即可得到物体的实际位置。

进一步的，我们要知道物体点的坐标(x和y坐标)可以通过与物体点处在同一竖直线的另外一点(s点)的x和y坐标来进行计算，通过两个竖直平面的交线得到s点坐标，可以轻易的计算出s点的空间位置坐标。

进一步的，所表述的质点在照片上所对应的竖线如何准确对应到空间竖直平面，最简单的办法就是直接将照片放入空间中，当照片的位置刚好充斥整个照相机视场时在，那么图5中所表示的θ1角就等同于图4中所表示的物体所在空间竖直平面和照像机视场中心竖直平面的夹角，用这样的方法变相的让不容易直接获取的可以简单的计算出来。

进一步的，照相机的朝向在空间中是固定的，为了便于计算，本发明让照相机的光轴垂直于所监控空间(长方体)的一个面并处在这个面的的中心和让所拍的照片水平，这样会使照相机视场中心竖直平面与所监控空间的一个面垂直。

本发明还公开一种光学照片对物体的空间定位系统，包括监控摄像头和采用matlab图像处理的计算单元，计算单元根据物体在每个监控摄像头的监控图像中的位置通过函数计算得到物体的空间位置，监控摄像头可以实时地获取物体相对于每一个摄像机的空间位置关系，这些关系是相互联系的，并非独立存在，必须结合两个以上的空间位置关系才能准确的得到物体的空间位置，此时就需要能从照片中提取信息的计算单元，matlab善于处理图像信息，可以通过照片中灰度的变化判断出照片中物体的位置，结合多张图片的信息就可以通过这些信息与空间位置的函数关系计算出物体的空间坐标。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明垂直于透镜的平面成像示意图；

图2为本发明监控模型的三维示意图；

图3为本发明监控模型的平面示意图；

图4为本发明摄像头的视场图；

图5为本发明摄像头的视场等效图。

【具体实施方式】

本发明提供了一种光学照片对物体的空间定位系统，整个系统由监控部分和计算部分组成。其中监控部分使用普通摄像头，安放在所监控空间的特定位置；计算部分采取matlab图像处理的功能，监控摄像头分别设置在监控空间上与计算单元连接，依据物体在监控图像中的位置通过函数计算得到物体的空间位置。将平面图像信息转换为位置空间坐标的形式输出，使监控结果更为直观。

具体如下：

1、确定一个点的位置

假设物体是一个三维空间的一个质点，要确定这个质点的空间位置就要得到3个空间坐标。这里我们采用笛卡尔坐标系来表示，假设物体的空间位置坐标为(x，y，z)，那么有三个未知变量就需要至少3个相互独立的方程来得出坐标的解，需要至少三个摄像头才能准确的得出物体的空间位置。

2、摄像机成像特点

请参阅图1所示，利用凸透镜成像原理，摄像机的成像机制也是凸透镜成像。凸透镜成像存在这样一个特点，通过凸透镜光心的光线不会改变传播方向，直线到达像平面。那么就可以通过这一特点得到以下结论：

①空间中的一个质点与成像于一点且这一点唯一确定；

②空间中的一个通过光心的平面的像为一条直线。

3、通过摄像确定质点的位置

由于通过单独的摄像头写出坐标的方程过于复杂而且容易存在误差，直接求解3个坐标的存在一定得困难，本方法利用成像特点的第②条，将空间问题改为平面问题进行求解，具体如下：

请参阅图2所示，照片是凸透镜所成像的放大，在照片上一条竖线也就是相平面的一条竖线对应的物为一个竖直平面，以摄像头p1的光轴垂直于所监控空间(长方体abcd-a’b’c’d’)的黑点为质点，以b为原点，bc为x轴，ba为y轴，b’b为z轴建立空间直角坐标系，后续计算过程统一使用这个坐标系。

取质点在照片上的横坐标所对应是竖线，在空间中对应的竖直平面pqmn，而且质点所在位置(x，y，z)在平面pqmn上，同理在另一个角度p2摄像头所取照片，得到质点所在位置(x，y，z)在竖直平面p’q’m’n’上。

平面pqmn和平面p’q’m’n’相交于直线ss’，且质点在直线上，直线ss’与水平面垂直。也就是说s点的x坐标和y坐标与质点一致。点s在x，y方向上的坐标即质点的x，y坐标。

s点坐标的求解过程如下：

请参阅图3所示，在平面abcd中，p1、p2点为摄像头。给定ab边长为a、bc边长为b，m和m’分别在bc和ab的中点。

设s点坐标(x，y)可以得到以下等式：

整理(1)(2)两式可以的到：

请参阅图4所示，取摄像头的横向视场图，三角形为等腰三角形，图中θ1就是需要求得的夹角，为摄像机横向视角的顶角。

用照片来代替视场中的事物得到图5所示的三角形，照片中质点的位置与照片左边界的距离为m，照片宽度为n，其中，n、都是已知常量，通过照片可以得到的大小。

通过几何关系得出如下关系：

同理可得

式中m’为p2摄像头所拍照片的质点位置。

将(5)(6)式代入(3)(4)式即可得到x和y的值

若在图1中abcd平面再添加一摄像头p3，利用p2和p3的关系，重复上述过程就可以得到z轴的坐标，利用x和z的关系也就是在abb'a'面和abcd面安装摄像头获取x和z的关系，z的表达式为：

其中，c为aa’的长度，n，m和m'是另外一组照片的数据，不同于在计算x，y坐标时的值

当物体的颜色于场景有明显差异时，可以轻易地通过灰度值的变化确定那些像素对应的是物体的像，从而得到物体的像在照片中的位置即式(5)(6)中m和m’的值代入(7)(8)并且把另外一组装置测得的m和m’代入(9)便可得到物体的实际位置。