基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，屬于計算機(jī)視覺技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 夜間路面物體的準(zhǔn)確定位是汽車自動駕駛、機(jī)器人自動行走等應(yīng)用中必須面對的 問題。傳統(tǒng)的道路上障礙物的識別與定位通常是利用雙目視覺等原理實現(xiàn)的。雙目視覺方 法需要兩個攝像機(jī)來成像，并且需要圖像匹配算法來實現(xiàn)障礙物的識別與定位。由于道路 一般是一個理想的平面，可以采用單目視覺技術(shù)來實現(xiàn)物體的識別與定位。相比于雙目視 覺技術(shù)，單目視覺具有結(jié)構(gòu)簡單、易于標(biāo)定、運(yùn)用靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于機(jī)器人導(dǎo)航、無 人機(jī)控制以及工業(yè)測量等諸多領(lǐng)域。
[0003] 相對于白天，夜間的道路是一種較為不同的環(huán)境。夜間的道路主要依賴路燈、汽車 前照燈等人工光源的照射。路面上的物體在這些較強(qiáng)的人工光源照射下往往會留下較濃的 陰影。陰影顏色單一，且一般會在同一平面上。因此，對于夜間的道路，與其直接對路面上 色彩不一、形狀各異的三維物體進(jìn)行定位，不如改為利用物體的陰影來實現(xiàn)定位。這就涉及 到物體和其陰影的分割問題。傳統(tǒng)上，將物體與陰影分離出來的方法主要有顏色不變法、紋 理不變法、區(qū)域亮度變化法等。但這些算法一般只適用于某一較理想環(huán)境，受攝像頭自動增 益引起的失真、量化失真以及電子噪聲等干擾影響以及場景變化的影響，導(dǎo)致定位準(zhǔn)確度 不高。本專利采用基于圖像灰度值的方法進(jìn)行陰影檢測，即通過設(shè)定閾值來檢測陰影，具有 適應(yīng)性強(qiáng)、計算速度快的優(yōu)點(diǎn)。物體的陰影檢測出來以后，采用單目定位技術(shù)即可實現(xiàn)夜間 物體定位。
[0004] 與以往技術(shù)中直接定位物體不同，本發(fā)明通過定位物體的陰影來實現(xiàn)夜間物體的 定位，充分利用到了路面的平坦性以及陰影的易識別性。該方法不僅簡單易行、準(zhǔn)確度高， 還能實現(xiàn)自動化運(yùn)行?？梢酝茝V到汽車的夜間路面障礙物定位、機(jī)器人夜間行走等方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，充分利用路面的平坦 性以及陰影的易識別性來實現(xiàn)夜間物體的精確定位。通過拍攝夜間物體圖片、對圖片進(jìn)行 預(yù)處理、提取物體陰影等步驟得到了夜間物體與相機(jī)間的準(zhǔn)確距離。本發(fā)明采用基于圖像 灰度值的方法進(jìn)行陰影檢測，即通過設(shè)定閾值來檢測陰影。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 基于陰影的夜間物體單目定位裝置，包括固定框、放置在地面上的標(biāo)定板，所述標(biāo) 定板建立有世界坐標(biāo)系，所述固定框上安裝有照明燈、攝像機(jī)，攝像機(jī)連接計算機(jī)。
[0008] 基于陰影的夜間物體單目定位方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一：計算攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，建立世界坐標(biāo)系得到外參數(shù)和基礎(chǔ)矩陣；
[0010] 步驟二：測量出攝像機(jī)的在地面平面上的投影點(diǎn)C的世界坐標(biāo)；
[0011] 步驟三：根據(jù)定位要求，拍攝圖片；
[0012] 步驟四：對圖片進(jìn)行線性灰度拉伸變換，利用大津法分割得到圖片中的陰影，最后 利用物體陰影邊緣點(diǎn)數(shù)和面積識別，并且分割出物體陰影；
[0013] 步驟五：取出圖片中所需定位物體的點(diǎn)P ;
[0014] 步驟六：計算出取出點(diǎn)P的世界坐標(biāo)，計算出世界坐標(biāo)系點(diǎn)P沿地面至攝像機(jī)中心 投影點(diǎn)C的距離，其中取出的點(diǎn)P和計算出的距離，分別為定位點(diǎn)和定位距離。
[0015] 通過以上步驟實現(xiàn)物體實時定位。
[0016] 定位裝置啟動前，固定攝像機(jī)。在平坦的路面上于攝像機(jī)視角范圍內(nèi)放置一個標(biāo) 定板，通過攝像機(jī)獲取多張含有各個角度的標(biāo)定板清晰成像的圖片，再運(yùn)用Matlab中的 toolbox_calib工具箱計算得到攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
[0017] 選取標(biāo)定板一個格點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0點(diǎn)，建立世界坐標(biāo)系0ΧΥΖ，其中X軸平行于定位 裝置運(yùn)動方向，Y軸垂直于定位裝置運(yùn)動方向，Z軸垂直于路面平面，在后續(xù)過程中保持?jǐn)z 像機(jī)的位置不變。測量出攝像機(jī)中心投影在路面平面上（C)點(diǎn)的世界坐標(biāo)（X c，YdO)。
[0018] 對攝像機(jī)獲取的圖像分幀處理，分離含有標(biāo)定板的圖片并保存下來；結(jié)合第二步 中建立的世界坐標(biāo)系，再次利用Matlab中的toolbox_calib工具箱計算出攝像機(jī)外參數(shù)和 基礎(chǔ)矩陣：
[0019]
[0020] 取走標(biāo)定板，通過攝像機(jī)獲取含有物體的圖片；然后對圖片進(jìn)行線性灰度拉伸以 增強(qiáng)背景與物體的對比度。
[0021] 在攝像機(jī)視角范圍內(nèi)，運(yùn)用大津法分割圖片并產(chǎn)生一個二值化的圖片。利用 Matlab中的brareaopen函數(shù)對圖像中"縫隙"、"孔洞"進(jìn)行去除。利用Matlab中的imclose 函數(shù)進(jìn)行閉運(yùn)算對大區(qū)域中的縫隙進(jìn)行填充，同時平滑邊界。
[0022] 利用Matlab中的bwboundaries函數(shù)得到得到元胞數(shù)組，其數(shù)組中包含所有陰影 邊緣的坐標(biāo)，并算出每個連通域的邊長和面積。設(shè)置合適的邊長閾值和面積閾值得到攝像 機(jī)中含有物體的目標(biāo)物體陰影的邊緣信息。
[0023] 運(yùn)用Matlab中的max函數(shù)找到像素坐標(biāo)系中橫坐標(biāo)最大的點(diǎn)，并通過find函數(shù) 確定對應(yīng)點(diǎn)的像素坐標(biāo)（s，t)。
[0024] 攝像機(jī)成像平面像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的映射關(guān)系為：
[0025]
[0026] 其中u、V是圖像中某一點(diǎn)的像素坐標(biāo)；P是縮放因子；H是基礎(chǔ)矩陣；Xw、Y w是圖 像中該點(diǎn)對應(yīng)在傳送帶平面上的世界坐標(biāo)。
[0027] 根據(jù)所求出的物體陰影中在世界坐標(biāo)系中橫坐標(biāo)Xp值可計算出攝像機(jī)和物體的 水平距離L，即可實現(xiàn)夜間物體的實時定位：
[0028] L = Xp-Xc
[0029] 其中Xc是攝像機(jī)中心的在傳送帶平面上的投影點(diǎn)（C)的X軸坐標(biāo)。
[0030] 本發(fā)明一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，與有技術(shù)技術(shù)相比，有如 下的有益效果：
[0031] 1)、本發(fā)明的方法采用單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行平面標(biāo)定和測距，實現(xiàn)夜間物體的定位。 整個系統(tǒng)只需要一個標(biāo)定板，一臺計算機(jī)和一臺攝像機(jī)就可以完成目標(biāo)產(chǎn)品的定位，避免 了雙目視覺中三維立體匹配的困難。具有環(huán)境適應(yīng)性好、設(shè)備簡單，代價較低、測量過程快 捷和測量數(shù)據(jù)比較客觀的優(yōu)點(diǎn)。
[0032] 2)、本發(fā)明充分利用路面的平坦性以及陰影的易識別性來實現(xiàn)夜間物體定位。與 以往技術(shù)中直接定位物體不同，本發(fā)明通過定位物體的陰影來實現(xiàn)夜間物體的定位。采用 基于張正友的平面標(biāo)定方法，并通過數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)了在夜間物體的準(zhǔn)確定位。該 方法不僅簡單易行、準(zhǔn)確度高，還能實現(xiàn)自動化運(yùn)行?？梢酝茝V到汽車的夜間路面障礙物定 位、機(jī)器人夜間行走等方面。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2為本發(fā)明中定位示意圖。
[0035] 圖3為本發(fā)明中經(jīng)過圖像分割后含有物體陰影的圖片。
[0036] 圖4為本發(fā)明提取到的物體陰影。
[0037] 圖中：1-照明燈，2-攝像頭，3-物體，4-計算機(jī)，5-物體陰影，6-地面，7-固定框， "一"表示裝置運(yùn)動方向。
【具體實施方式】
[0038] 如圖1所示，基于陰影的夜間物體單目定位裝置，包括固定框7、放置在地面6上的 標(biāo)定板，所述標(biāo)定板建立有世界坐標(biāo)系，所述固定框7上安裝有照明燈1、攝像機(jī)2,攝像機(jī) 2連接計算機(jī)4。
[0039] 如圖2中所示，在地面6內(nèi)放置有標(biāo)定板。通過標(biāo)定板建立世界坐標(biāo)系，實現(xiàn)精確 定位。
[0040] 基于陰影的夜間物體單目定位方法，包括以下步驟：
[0041] 步驟一：計算攝像機(jī)2的內(nèi)參數(shù)，建立世界坐標(biāo)系得到外參數(shù)和基礎(chǔ)矩陣；
[0042] 步驟二：測量出攝像機(jī)2的在地面平面上的投影點(diǎn)C的世界坐標(biāo)；
[0043] 步驟三：根據(jù)定位要求，拍攝圖片；
[0044] 步驟四：對圖片進(jìn)行線性灰度拉伸變換，利用大津法分割得到圖片中