一種基于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及目標(biāo)空間定位方法，尤其涉及一種基于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方 法，屬于智能視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近十多年來視頻監(jiān)控技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，隨處可見各種各樣 的視頻監(jiān)控系統(tǒng)被投入使用，例如在學(xué)校、馬路、地鐵、火車站等地通常都安裝了視頻監(jiān)控 系統(tǒng)，它們?cè)诜乐狗缸锖途S護(hù)社會(huì)公共安全等方面發(fā)揮了重大作用。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展， 人們對(duì)于安全的需求不斷提高，特別是隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、信息與通信、音視頻編解碼等技 術(shù)的日趨成熟與完善，使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。
[0003] 在智能視頻監(jiān)控中，對(duì)場(chǎng)景中的目標(biāo)定位是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)于場(chǎng)景中目標(biāo)的 全局跟蹤和分析尤為重要。現(xiàn)今的三維空間的定位技術(shù)主要是基于兩種攝像機(jī)模型，一種 是非線性模型，考慮了攝像機(jī)鏡頭的非線性畸變，利用攝像機(jī)的內(nèi)外參矩陣進(jìn)行求解，計(jì)算 復(fù)雜度較高，在監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位中很難應(yīng)用，另一種是線性模型，不考慮攝像機(jī)鏡頭畸 變帶來的誤差，直接利用小孔成像的原理，使用射影幾何中的較比不變性，按照投影比例形 成從三維空間到二維圖像的映射，可以在較短時(shí)間內(nèi)得到二維圖像坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的三維空間坐 標(biāo)，其缺點(diǎn)是誤差較大，定位精確無法保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有目標(biāo)空間定位技術(shù)的不足，提供一種基 于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方法，利用攝像機(jī)鏡頭畸變的各向同性的特性，基于攝像機(jī)線 性模型，通過對(duì)圖像中的目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，快速得到所追蹤目標(biāo)準(zhǔn)確的三維空間坐 標(biāo)。同時(shí)結(jié)合GPS等全球定位系統(tǒng)獲得攝像機(jī)位置、場(chǎng)景中心參考點(diǎn)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)的大地絕對(duì) 坐標(biāo)等空間定位輔助信息
[0005] 本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：
[0006] 一種基于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、利用設(shè)置于攝像機(jī)拍攝場(chǎng)景中心位置的參考點(diǎn)以及攝像機(jī)所在位置的大 地絕對(duì)坐標(biāo)，構(gòu)建反映二維圖像坐標(biāo)和大地絕對(duì)坐標(biāo)之間映射關(guān)系的理想線性攝像機(jī)模 型；
[0008] 步驟2、在攝像機(jī)的拍攝場(chǎng)景中的地平面上設(shè)置一組已知大地絕對(duì)坐標(biāo)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)， 各標(biāo)識(shí)點(diǎn)均位于經(jīng)過所述參考點(diǎn)的一條直線上；
[0009] 步驟3、在攝像機(jī)所拍攝的圖像中檢測(cè)出所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)，得到各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的實(shí) 際二維圖像坐標(biāo)；
[0010] 步驟4、利用所述理想線性攝像機(jī)模型，將三維空間中使用大地絕對(duì)坐標(biāo)表示的各 標(biāo)識(shí)點(diǎn)投影至所述圖像中，得到各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的理想二維圖像坐標(biāo)；
[0011] 步驟5、根據(jù)各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)和理想二維圖像坐標(biāo)，計(jì)算出 各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的徑向誤差，并將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的徑向誤差擬合為隨與圖像中心之間距離變化 的徑向誤差曲線；
[0012] 步驟6、在所述攝像機(jī)拍攝的圖像中檢測(cè)出目標(biāo)，得到目標(biāo)在圖像中的實(shí)際二維圖 像坐標(biāo)；利用所述徑向誤差曲線對(duì)目標(biāo)在圖像中的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)進(jìn)行徑向校準(zhǔn)，得到 目標(biāo)在圖像中的理想二維圖像坐標(biāo)；
[0013] 步驟7、根據(jù)目標(biāo)在圖像中的理想二維圖像坐標(biāo)，利用所述理想線性攝像機(jī)模型得 到目標(biāo)的大地絕對(duì)坐標(biāo)。
[0014] 上述技術(shù)方案利用攝像機(jī)鏡頭畸變的各向同性的特性，通過一組預(yù)先設(shè)定的標(biāo)識(shí) 點(diǎn)來獲取在攝像機(jī)線性模型中圖像中任一點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)相對(duì)于理想坐標(biāo)的徑向誤差曲線， 然后利用所獲得的徑向誤差曲線對(duì)圖像中的目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行徑向校正，最后根據(jù)校正后的目 標(biāo)坐標(biāo)，利用攝像機(jī)線性模型計(jì)算出目標(biāo)的實(shí)際三維空間GPS坐標(biāo)。在鏡頭畸變所導(dǎo)致的 成像誤差中，徑向畸變是主導(dǎo)因素，切向畸變產(chǎn)生的影響很小，可以忽略不計(jì)。因此上述技 術(shù)方案中僅考慮了徑向誤差的校正，但仍可達(dá)到較高的定位精度。為了進(jìn)一步提高定位精 度，本發(fā)明基于相同的發(fā)明思路，又提出了一種考慮切向畸變的改進(jìn)技術(shù)方案，具體如下：
[0015] 一種基于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟1、利用設(shè)置于攝像機(jī)拍攝場(chǎng)景中心位置的參考點(diǎn)以及攝像機(jī)所在位置的大 地絕對(duì)坐標(biāo)，構(gòu)建反映二維圖像坐標(biāo)和大地絕對(duì)坐標(biāo)之間映射關(guān)系的理想線性攝像機(jī)模型 大地絕對(duì)坐標(biāo)；
[0017] 步驟2、在攝像機(jī)的拍攝場(chǎng)景中的地平面上設(shè)置兩組已知大地絕對(duì)坐標(biāo)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)， 每一組標(biāo)識(shí)點(diǎn)位于同一條直線上，且兩組標(biāo)識(shí)點(diǎn)所在的兩條直線相交于所述參考點(diǎn)；
[0018] 步驟3、在攝像機(jī)所拍攝的圖像中檢測(cè)出所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)，得到各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的實(shí) 際二維圖像坐標(biāo)；
[0019] 步驟4、利用所述理想線性攝像機(jī)模型，將三維空間中使用大地絕對(duì)坐標(biāo)表示的各 標(biāo)識(shí)點(diǎn)投影至所述圖像中，得到各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的理想二維圖像坐標(biāo)；
[0020] 步驟5、根據(jù)各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)和理想二維圖像坐標(biāo)，計(jì)算出 各標(biāo)識(shí)點(diǎn)在圖像中的徑向誤差和切向誤差，并將每一組標(biāo)識(shí)點(diǎn)的徑向誤差、切向誤差分別 擬合為隨與圖像中心之間距離變化的徑向誤差曲線、切向誤差曲線；利用兩條相交于圖像 中心的直線將圖像劃分為四個(gè)區(qū)域，使得其中一組標(biāo)識(shí)點(diǎn)的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)、理想二維 圖像坐標(biāo)均位于兩個(gè)相對(duì)的區(qū)域中，另外一組標(biāo)識(shí)點(diǎn)的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)、理想二維圖像 坐標(biāo)均位于另外兩個(gè)相對(duì)的區(qū)域中；
[0021] 步驟6、在所述攝像機(jī)拍攝的圖像中檢測(cè)出目標(biāo)，得到目標(biāo)在圖像中的實(shí)際二維圖 像坐標(biāo)；根據(jù)目標(biāo)在圖像中所處的區(qū)域，選擇位于該區(qū)域中的那一組標(biāo)識(shí)點(diǎn)所擬合出的切 向誤差曲線，同時(shí)任意選擇一條徑向誤差曲線；然后利用所選擇的徑向誤差曲線、切向誤差 曲線對(duì)目標(biāo)在圖像中的實(shí)際二維圖像坐標(biāo)進(jìn)行徑向校準(zhǔn)、切向校準(zhǔn)，得到目標(biāo)在圖像中的 理想二維圖像坐標(biāo)；
[0022] 步驟7、根據(jù)目標(biāo)在圖像中的理想二維圖像坐標(biāo)，利用所述理想線性攝像機(jī)模型得 到目標(biāo)的大地絕對(duì)坐標(biāo)。
[0023] 進(jìn)一步地，所述基于單攝像機(jī)的目標(biāo)空間定位方法，圖像中標(biāo)識(shí)點(diǎn)的檢測(cè)首先通 過Vibe目標(biāo)檢測(cè)方法得到標(biāo)識(shí)點(diǎn)的像素級(jí)邊緣，然后對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的像素級(jí)邊緣的灰度梯度 值進(jìn)行高斯擬合，求解高斯函數(shù)的最高值，即得到更為精確的亞像素級(jí)標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像坐標(biāo)。
[0024] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] 本發(fā)明跳過傳統(tǒng)標(biāo)定方法中繁瑣的非線性標(biāo)定過程，從誤差補(bǔ)償?shù)慕嵌冗M(jìn)行分 析，直接根據(jù)線性針孔模型求解，然后對(duì)基于鏡頭特性對(duì)求解得到的估算值進(jìn)行誤差補(bǔ)償 和校正，可以在定位精確很高的情況下，將運(yùn)算時(shí)間縮短60%到70%，從而可達(dá)到對(duì)移動(dòng) 目標(biāo)實(shí)時(shí)定位的效果，實(shí)用性更高。
【附圖說明】
[0026] 圖1是攝像機(jī)鏡頭成像原理的三維模型；
[0027] 圖2是攝像機(jī)鏡頭成像原理的二維簡(jiǎn)化模型；
[0028] 圖3是尚斯擬合的不意圖；
[0029] 圖4是攝像機(jī)鏡頭畸變的原理不意圖；
[0030] 圖5是徑向誤差曲線；
[0031] 圖6是切向誤差曲線；
[0032] 圖7是鏡頭的總體畸