一种采用激光辅助标定的单目相机测距方法与流程
本发明涉及测距计算领域，特别是单目相机的测距计算领域。
背景技术：
目前基于距离的应用和需求场景数量众多，且依赖性很强，例如：道路监控摄像头来判断街上行人距行驶中车辆的距离；行车摄像头判断行驶车辆和前车的距离，以自动保持车距；手机前置摄像头判断被拍摄物体距离摄像头的距离，从而自动虚化背景；vr头戴设备利用单目摄像头映射周边物理环境。
测距标定算法的实现，传统上一般利用双目摄像头，可以准确高效地得到图像中每个物体距离摄像头的距离，但基于双目摄像头的测距存在成本高、计算复杂等缺陷。而单目摄像头在安防、工业生产线和手机中有着非常广泛的应用。单目摄像头的成本不及双目摄像头的一半，并且在部署的时候，尤其在工业界，其与双目摄像头捕获的图像内容基本一致。随着摄像头工业制造水平前所未有的提高，单目摄像头上的稳定性已能够得到有效保障，单目摄像头连续工作不产生故障的概率也已接近双目，输入图像冗余的问题也得到解决。因而采用单目摄像头用于进行精准测距具有广泛的应用前景。
而现有技术中基于单目摄像头的测距方案还存在各类缺陷。在实验条件的理想环境下，单目测距能够在一定程度上完成；但在户外条件下，高精度、高准度的单目测距效果仍然较差。近几年单目测距的算法和过程对相机和真实世界的建模非常复杂，很多方案把相机模型近似成针孔模型，根据针孔成像并利用相似三角形在图像坐标系和真实世界坐标系之间的关系，得到距离从真实世界到图像坐标系的转化矩阵。针孔模型能满足精度不高的应用场景，但不能满足对于高精度的单目测距应用需求，其需要对相机进行完全或者半完全建模，过程较为复杂，且对测距过程中各项实验条件要求较高，若不能按照要求严格执行，则会得到误差较大的测距结果，从而无法满足应用提出的高精度要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对背景技术中存在的问题，提供一种免相机建模的单目相机激光辅助标定测距方法，以实现稳定精准的单目测距。
本发明采用的技术方案如下：一种采用激光辅助标定的单目相机测距方法，其特征在于该方法包括：
步骤1：采用激光投影的方式在前方的平面上标定出一个边长已知的矩形，得到标定矩形；
步骤2：采用单目相机采集包含标定矩形和带测距目标的图像，得到的采集图像，此时采集图像中标定矩形显示为梯形；
步骤3：将步骤2得到的采集图像映射成鸟瞰图,此时鸟瞰图中标定矩形的长宽比与步骤1中标定矩形长宽比相同；根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离；
步骤4：根据待测距目标的性质和测距环境选择不同的计算方法，如下：
a.若待测距目标为工业生产线或静态测距环境，此时参照位置为鸟瞰图中标定矩形的底边及底边的延长线；计算图像中待测距目标到参照位置的像素个数，再根据每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的实际距离；
b.若单目相机位于车辆上，且待测距目标为小型轿车，此时参照位置为鸟瞰图中标定矩形底边的中点；计算图像中待测距目标到参照位置的像素个数，再根据每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的实际距离；
c.若单目相机位于车辆上，且待测距目标为大型运输车或大型客车，此时参照位置为鸟瞰图中标定矩形的中点；计算出一个待测距目标所在的椭圆，所述椭圆以参照位置为椭圆中心，鸟瞰图中标定矩形底边为椭圆形长轴所在边，椭圆长轴为短轴的2倍；则所述椭圆的短轴的一半认定为待测距目标到参照位置的距离，根据短轴的一半所占像素点的个数及每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的实际距离。
进一步的，所述步骤1中标定矩形为正方形。
进一步的，所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：建立鸟瞰图的空白图形，空白图像中直接指定出鸟瞰图中标定矩形的四个顶点，指定出的四个顶点形成矩形的长宽比和步骤1中标定矩形长宽比相同；
步骤3.2：将步骤2采集图像中标定矩形的四个顶点采用如下公式依次对应映射到空白图像中指定出的四个顶点；
步骤3.3：根据步骤3.2中计算得到的四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图；
步骤3.4：根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长实际长度计算出每个像素点代表的实际距离。
进一步的，所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：建立鸟瞰图的空白图形，将位于采集图像中标定矩形的左下顶点和右下顶点不进行映射变换直接复制进鸟瞰图；
步骤3.2：根据步骤1中标定矩形的长宽比，确定鸟瞰图中标定矩形的左上顶点和右上顶点在鸟瞰图的位置；然后采用如下公式进行映射，得到映射矩阵：
步骤3.3：根据步骤3.1和步骤3.2中四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图；
步骤3.4：根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离。
进一步的，所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：识别出采集图像中待测距目标，确定待测距目标所占用的像素点和待测距目标的下底边；
步骤3.2：建立鸟瞰图的空白图形，将位于采集图像中标定矩形的左下顶点和右下顶点不进行映射变换直接复制进鸟瞰图；
步骤3.3：根据步骤1中标定矩形的长宽比，确定鸟瞰图中标定矩形的左上顶点和右上顶点的位置；采用如下公式进行映射，得到映射矩阵：
步骤3.4：根据步骤3.2和步骤3.3中四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中除待测距目标所占用像素点外其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图，得到待测距目标处空白的鸟瞰图；
步骤3.5：将步骤3.1确定的待测距目标不进行映射变换直接复制进鸟瞰图中待测距目标处的空白区域，使步骤3.1确定的待测距目标的下底边中点与鸟瞰图中空白区域的下底边中点重合；
步骤3.6：根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长实际长度计算出每个像素点代表的实际距离。
进一步的，所述步骤5中待测距目标到参照位置的距离，表示待测距目标的下底边中点到参照位置的距离。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用激光辅助标定替换相机建模的单目相机测距方案，减少了对实验环境的依赖，在不同地区、道路条件、天气情况下，均可有效得到准确稳定的单目摄像头测距结果。
2、本发明提供的免相机建模的单目激光辅助标定测距方案利用了激光辅助标定过程，其实现简单，对标定准度的提高有明显作用。
3、本发明提供的免相机建模的单目激光辅助标定测距方案摆脱了对单目rgb传感器建模的复杂过程，把对于相机建模的必要性巧妙地转化为陆地水平面和相机鸟瞰平面之间的透视投影关系，极大减少了因相机建模不准确而产生的测距误差，同时精简了单目测距的过程。
附图说明
图1为本发明一种采用激光辅助标定的单目相机测距方法的流程图。
图2为本发明实施例一提供的映射变换后的鸟瞰图。
图3为本发明实施例一在鸟瞰图中画出直线等距线效果图。
图4为本发明实施例二的投影标定矩形的示意图。
图5为本发明实施例二在采集图像中画出圆形等距线效果图。
图6为本发明实施例三在采集图像中画出椭圆形等距线效果图。
具体实施方式
发明技术方案的流程图如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：采用激光投影的方式在前方的平面上标定出一个边长已知的矩形，得到标定矩形；
步骤2：采用单目相机采集包含标定矩形和带测距目标的图像，得到的采集图像，此时采集图像中标定矩形显示为梯形；
步骤3：将步骤2得到的采集图像映射成鸟瞰图,此时鸟瞰图中标定矩形的长宽比与步骤1中标定矩形长宽比相同；根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离；
步骤4：根据待测距目标的性质和测距环境选择不同的计算方法，并计算实际距离。
实施例一
一种采用激光辅助标定的单目相机测距方法，其特征在于该方法包括：
步骤1：采用激光投影的方式在笔记本电脑键盘上标定出一个边长为5厘米的正方形；
步骤2：采用单目相机，采集包含标定正方形和笔记本电脑键盘的图像，得到采集图像，此图像中标定正方形显示为梯形；
步骤3：将步骤2采集图像映射成鸟瞰图，如图2所示,根据鸟瞰图中标定正方形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离；
步骤3.1：建立鸟瞰图的空白图形，空白图像中直接指定鸟瞰图中标定正方形的四个顶点；
步骤3.2：将步骤2采集图像中标定正方形的四个顶点采用如下公式依次对应映射到鸟瞰图中标定正方形的四个顶点；
步骤3.3：步骤3.2中四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图；
步骤3.4：根据鸟瞰图中标定正方形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际长度；
步骤4：此时测距参照位置为鸟瞰图中标定正方形的底边延长线；计算图像中待测距目标到参照位置的像素个数，再根据每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的距离，如图3所示，采用直线等距线，5cm为等距线的步长，可以计算出笔记本电脑上任何点到参照位置的距离，本实施例计算得到笔记本电脑键盘的宽度为30cm。
实施例二
本实施例单目相机位于车辆上，且待测距目标为小型家用轿车，该方法包括：
步骤1：采用激光投影的方式在前方的路面投影出相互垂直的两条激光，投影方法如图4所示，在其中竖边平行于路面的延伸方向，以这两条激光为基准标定出一个底边为1m、竖边为1.5m的标定矩形；
步骤2：采用单目相机，采集包含标定矩形和带测距目标的图像，得到采集图像，采集图像中标定矩形显示为梯形，确定出采集图像中标定矩形的四个顶点p1、p2、p3、p4；
步骤3：将步骤2采集图像映射成鸟瞰图,鸟瞰图中标定矩形的长宽比与步骤1中标定矩形的长宽比相同；根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离；
步骤3.1：建立鸟瞰图的空白图形，以标定矩形右下顶点p3、左下顶点p4不进行映射变换直接映射到鸟瞰图中；
步骤3.2：根据步骤1中标定矩形的长宽比，确定标定矩形的左上顶点p1和右上顶点p2在鸟瞰图的位置；采用如下公式进行映射，得到映射矩阵：
步骤3.3：根据步骤3.1和步骤3.2中标定矩形四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图；
步骤3.4：根据鸟瞰图中标定矩形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际长度。
步骤4：此时测距参照位置为鸟瞰图中标定矩形底边的中点；计算图像中待测距目标到参照位置的像素个数，再根据每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的距离；如图5所示，本发实施例以2.5m为步长在采集图像中画出了圆形等距线。
实施例三
本实施例单目相机位于车辆上，且待测距目标为大型运输车辆；包括如下步骤：
步骤1：采用激光投影的方式在前方的路面标定出一个边长为4m的正方形；
步骤2：采用单目相机，采集包含标定正方形和带测距目标的图像，得到采集图像，采集图像中标定正方形显示为梯形；
步骤3：将步骤2采集图像映射成鸟瞰图，根据鸟瞰图中标定正方形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际距离；
步骤3.1：识别出采集图像中待测距目标，确定待测距目标所占用的像素点和待测距目标的下底边；
步骤3.2：建立鸟瞰图的空白图形，将采集图像中标定正方形的右下顶点和左下顶点直接复制到鸟瞰图中；
步骤3.3：根据正方形边长相等，确定出鸟瞰图中标定正方形的左上顶点和右上顶点在鸟瞰图的位置；采用如下公式进行映射，得到映射矩阵：
步骤3.4：根据步骤3.2和步骤3.3中标定正方形四个顶点的映射矩阵，推算出采集图像中除待测距目标所占用的像素点外的其余像素点的映射矩阵，并将这些像素点映射到鸟瞰图，得到待测距目标处空白的鸟瞰图；
步骤3.5：将步骤3.1确定的待测距目标直接复制到鸟瞰图的待测距目标处的空白区域，使步骤3.1确定的待测距目标的下底边中点与鸟瞰图中空白区域的下底边中点重合；
步骤3.6：根据鸟瞰图中标定正方形的周长所占像素点个数和周长的实际长度计算出每个像素点代表的实际长度。
步骤4：此时参照位置为鸟瞰图中标定正方形的中点；计算出一个待测距目标所在的椭圆，所述椭圆以参照位置为椭圆中心，鸟瞰图中标定正方形底边为椭圆形长轴所在边，椭圆长轴为短轴的2倍；则所述椭圆的短轴的一半认定为待测距目标到参照位置的距离，根据短轴的一半所占像素点的个数及每个像素点代表的实际距离，计算出待测距目标到参照位置的实际距离；如图6所示，本实施例以5米的步长在采集图像中画出了椭圆等距线。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！