CN103115613B - 一种空间三维定位方法 - Google Patents

Abstract

一种空间三维定位方法，包括设置过程和定位过程，所述设置过程建立图像像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，所述标定板上映射点定义为在摄像头上成像的实际空间点与摄像头连线交标定板的交点；所述定位过程采用图像处理技术识别出目标物体的二维坐标，利用所述对应关系计算出标定板上映射点的三维坐标，再连接摄像头和标定板上映射点形成两条空间直线，其交点即为目标物体。本发明提供一种在精度要求不高的场合可以适用的实现物体空间三维定位的方法，通过手动移动标定板建立所述对应关系，并结合一些测量数据定位目标物体，避免了复杂繁琐的摄像头标定过程，定位方法简单直接，易于实现。

Description

一种空间三维定位方法

技术领域

本发明涉及图像处理和机器视觉技术领域，特别涉及一种利用两个摄像头实现的空间三维定位方法。

背景技术

利用两个摄像头实现物体的空间三维定位方法通常采用双目立体视觉技术，由成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差来获取物体三维几何信息。如200910108185.7“一种物体三维定位方法及摄像机”、201210075073.8“一种空间三维定位技术操作系统”涉及理想状态下的定位方法，即假设两个摄像头完全相同，具有相同的焦距，光轴完全平行，镜头不存在成像畸变，则根据相似三角形原理，利用物体在两个摄像头成像平面上的图像坐标p₁(x_l，y_l)，p₂(x_r，y_r)、摄像头焦距f、两个摄像头之间的距离b，即可求得物体三维坐标(x_w，y_w，z_w)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_w={\mathrm{bx}}_l/(x_l-x_r)\\ y_w={\mathrm{by}}_l/(x_l-x_r)\\ z_w=\mathrm{bf}/(x_l-x_r)\end{array}\right.$

实际上，让两个摄像头的光轴完全平行是无法做到的，因此理想状态下实现的定位存在较大的误差。为了提高精度，双目立体视觉技术通常先对摄像头进行标定，即确定世界坐标系中的物体与它在摄像头的成像平面上的像点之间的位置对应关系，再由两个摄像头同时采集目标物体的位置图像，由标定获取的摄像头内外参数完成物体的三维定位，如华中科技大学刘晶晶硕士论文“基于双目立体视觉的三维定位技术研究”、201110390863.0“基于双目立体视觉的空间定位方法”。摄像头标定是从二维图像获得三维信息的关键环节，精度高，但算法过于复杂，操作过于繁琐。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种在精度要求不高的场合可以适用的实现物体空间三维定位的方法，避免复杂的摄像头标定过程，通过手动移动标定板确定图像像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，并利用所述对应关系及一些测量数据实现被测物体的空间三维定位。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种空间三维定位方法，包括设置过程和定位过程两部分，所述设置过程包括如下步骤：

(1)准备一个长宽比与摄像头拍摄出的图像分辨率长宽比相同的黑白格相间的标定板；

(2)安装两个摄像头，使其光轴基本平行，测量并记录下两个摄像头之间的距离；

(3)分别对两个摄像头做如下相同处理：打开摄像头，沿着摄像头光轴移动所述标定板并观察所述摄像头拍摄的图像，保证标定板中心处于图像中心位置上，移动标定板直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像，此时测量并记录下标定板与摄像头之间的距离；

(4)分别建立每个摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，所述标定板上映射点定义为在摄像头上成像的实际空间点与摄像头连线交标定板的交点；

所述定位过程包括如下步骤：

(1)同时打开两个摄像头，拍摄包含需要定位的目标物体图像；

(2)由图像处理技术分别从两幅目标物体图像中识别出目标物体，并计算出两幅图像中目标物体的二维坐标；

(3)根据所述设置过程建立的摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，由两幅图像中目标物体的二维坐标，分别计算出两个标定板上映射点的三维坐标；

(4)连接摄像头与对应标定板上映射点形成两条空间直线；

(5)计算两条空间直线的交点，作为目标物体的三维坐标。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明一种空间三维定位方法通过建立图像像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系定位目标物体，定位方法简单直接，易于理解；

2、本发明一种空间三维定位方法避免了复杂繁琐的摄像头标定过程，通过手动移动标定板确定图像像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，易于操作实现。

附图说明

图1为本发明一种空间三维定位方法使用的标定板。

图2为本发明一种空间三维定位方法设定的空间三维坐标系。

图3为本发明一种空间三维定位方法中移动标定板直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像时拍摄出的标定板图像。

图4为本发明一种空间三维定位方法移动标定板示意图。

图5为本发明一种空间三维定位方法原理图。

图6为本发明一种空间三维定位方法示意图。

图中符号：

摄像头C1、摄像头C2、摄像头C1和摄像头C2之间距离d_{cam1_cam2}、移动标定板直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像时标定板与摄像头C1和C2之间的距离d_cb1和d_cb2、目标物体P、摄像头C1成像平面V1、摄像头C2成像平面V2、摄像头C1对应的标定板平面B1、摄像头C2对应的标定板平面B2、P与C1的连线交成像平面V1于点P′₁、P与C1的连线交标定板平面B1于点P″₁、P与C2的连线交成像平面V2于点P′₂、P与C2的连线交标定板平面B2于点P″₂。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

具体实施方式

本实施例的一种空间三维定位方法，包括设置过程和定位过程两部分，所述设置过程包括如下步骤：

(1)准备一个长宽比与摄像头拍摄出的图像分辨率长宽比相同的黑白格相间的标定板；

设摄像头拍摄图像的分辨率为M×N，标定板的宽高分别为BoardWidth和BoardHeight，则要求

$\frac{\mathrm{BoardWidth}}{\mathrm{BoardHeight}}=\frac{M}{N}---\left(1\right)$

本实施例摄像头拍摄图像的分辨率为1024×768，标定板参见图1，为8×6的黑白格相间的硬纸板，宽高分别为40cm和30cm，满足公式(1)。

(2)安装两个摄像头，使其光轴基本平行，测量并记录下两个摄像头之间的距离d_{cam1_cam2}；

为叙述方便，建立空间直角坐标系，参见图2，水平方向为Z轴，垂直方向为Y轴，垂直于YZ平面的为X轴，以摄像头C1所在的位置为坐标原点O(0，0，0)，则摄像头C2所在位置坐标为(0，d_{cam1_cam2}，0)。

(3)分别对两个摄像头做如下相同处理：打开摄像头，沿着摄像头光轴移动所述标定板并观察所述摄像头拍摄的图像，保证标定板中心处于图像中心位置上，移动标定板直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像，参见图3，此时测量并记录下标定板与摄像头之间的距离d_cb1和d_cb2，参见图4。

(4)分别建立每个摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，所述标定板上映射点定义为在摄像头上成像的实际空间点与摄像头连线交标定板的交点；

以摄像头C1为例，摄像头采用的是与人的视觉系统类似的透视投影成像模型。参见图5，基本的透视投影模型由视点和视平面两部分构成，视点位置可以看作是摄像头所放置的位置，视平面有无穷多个。摄像头的成像平面V1是一个视平面，在所述设置过程中，当标定板沿着摄像头光轴移动时，标定板所在平面都是视平面，直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像时，标定板所在平面B1同样是一个视平面。对于现实世界中的任意一点P与视点C1的连线交成像平面所在视平面V1于点P′₁，P′₁是P在成像平面上的成像点；P与视点C1的连线交标定板所在视平面B1于点P″₁，P″₁为所述标定板上映射点。

对于摄像头C1，选取图像的左下方的像素点为原点O1，图像的水平边方向为x1轴，图像的垂直边方向为y1轴。通过对照表的方式，记录下当不存在镜头畸变时，所述摄像头C1拍摄的图像像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，P′₁表示摄像头C1拍摄的图像上的像素点二维坐标，P″₁表示标定板上映射点三维坐标。

P′₁(0，0)→P″₁(-BoardWidth/2，-BoardHeight/2，d_cb1)

P′₁(M/8，0)→P″₁(-BoardWidth/2+BoardWidth/8，-BoardHeight/2，d_cb1)

P′₁(M/4，0)→P″₁(-BoardWidth/2+BoardWidth/4，-BoardHeight/2，d_cb1)

P′₁(3*M/4，0)→P″₁(-BoardWidth/2+3*BoardWidth/8，-BoardHeight/2，d_cb1)

P′₁(M/2，0)→P″₁(0，-BoardHeight/2，d_cb1)

P′₁(0，N/6)→P″₁(-BoardWidth/2，-BoardHeight/2+BoardWidth/6，d_cb1)

P′₁(M/8，N/6)→P″₁(-BoardWidth/2+BoardWidth/8，-BoardHeight/2++BoardHeight/6，d_cb1)

本实施例摄像头拍摄图像的分辨率为1024×768，标定板的宽高分别为40cm和30cm，当不存在镜头畸变时，所述摄像头C1拍摄的图像上的像素点二维坐标与标定板上映射点三维坐标之间的对照表如下：

P′₁(0，0)→P″₁(-20，-15，d_cb1)

P′₁(128，0)→p″₁(-15，-15，d_cb1)

P′₁(256，0)→P″₁(-10，-15，d_cb1)

P′₁(384，0)→P″₁(-5，-15，d_cb1)

P′₁(512，0)→P″₁(0，-15，d_cb1)

P′₁(0，128)→P″₁(-20，-10，d_cb1)

P′₁(128，128)→P″₁(-15，-10，d_cb1)

但是，一般摄像头拍摄的图像都存在畸变，实际P′₁(x，y)由图像处理技术的角点检测算法可以求出。将摄像头C1拍摄的图像上的角点二维坐标与标定板上映射点三维坐标的对应关系记为f₁：P′₁(x，y)→P″₁(x，y，z)。

所述定位过程包括如下步骤：

(1)同时打开两个摄像头，拍摄包含需要定位的目标物体图像；

(2)由图像处理技术分别从两幅目标物体图像中识别出目标物体，并计算出两幅图像中目标物体的二维坐标；

(3)根据所述设置过程建立的摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，由两幅图像中目标物体的二维坐标，分别计算出两个标定板上映射点的三维坐标；

利用公式(2)根据所述设置过程建立的摄像头C1拍摄的图像上的像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系f₁，求出摄像头C1拍摄的图像上目标物体所对应的标定板上映射点的三维坐标P″₁(x″，y″，z″)。其中，(x′，y′)为目标物体在摄像头C1拍摄的图像中的二维坐标，(x′_near，y′_near)为离检测出的目标物体(x′，y′)最近的角点坐标，f_1x(x′_near，y′_near)为标定板上映射点的x坐标，f_1y(x′_near，y′_near)为标定板上映射点的y坐标。

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}-f_{1x}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})=(x^{\′}-{x^{\′}}_{\mathrm{near}})\×(\mathrm{BoardWidth}/M)\\ y^{\′\′}-f_{1y}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})=(y^{\′}-{y^{\′}}_{\mathrm{near}})\×(\mathrm{BoardHeight}/N)\\ z^{\′\′}=f_{1z}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})=d_{\mathrm{cb}1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

同理，利用公式(3)根据所述设置过程建立的摄像头C2拍摄的图像上的像素坐标与标定板上映射点空间坐标之间的对应关系f₂，求出摄像头C2拍摄的图像上目标物体所对应的标定板上映射点的三维坐标P″₂(x″，y″，z″)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}-f_{2x}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})=(x^{\′}-{x^{\′}}_{\mathrm{near}})\×(\mathrm{BoardWidth}/M)\\ y^{\′\′}-f_{2y}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})-d_{\mathrm{cam}1\_\mathrm{cam}2}=(y^{\′}-{y^{\′}}_{\mathrm{near}})\×(\mathrm{BoardHeight}/N)\\ z^{\′\′}=f_{2z}({x_{\mathrm{near}}}^{\′},{y_{\mathrm{near}}}^{\′})=d_{\mathrm{cb}2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(4)连接摄像头与对应标定板上映射点形成两条空间直线；

参见图6，连接C1和P″₁、C2和P″₂分别形成两条空间直线。

(5)计算两条空间直线的交点，作为目标物体的三维坐标。

两条空间直线交点为目标物所在位置，由于误差的存在，两条空间直线可能无交点，因此以两条空间直线的中垂线中点作为目标物体的三维坐标。所述两条空间直线中垂线中点计算方法为空间立体几何范畴，不再详述。

所述设置过程中标定板的黑白相间的格子越多，定位精确度越高。

Claims (1)

1.一种空间三维定位方法，包括设置过程和定位过程两部分，所述设置过程包括如下步骤：

(1)准备一个长宽比与摄像头拍摄出的图像分辨率长宽比相同的黑白格相间的标定板；

(2)安装两个摄像头，使其光轴基本平行，测量并记录下两个摄像头之间的距离；

(3)分别对两个摄像头做如下相同处理：打开摄像头，沿着摄像头光轴移动所述标定板并观察所述摄像头拍摄的图像，保证标定板中心处于图像中心位置上，移动标定板直至标定板完全填充所述摄像头拍摄的图像，此时测量并记录下标定板与摄像头之间的距离；

(4)分别建立每个摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，所述标定板上映射点定义为在摄像头上成像的实际空间点与摄像头连线交标定板的交点；

所述定位过程包括如下步骤：

(1)同时打开两个摄像头，拍摄包含需要定位的目标物体图像；

(2)由图像处理技术分别从两幅目标物体图像中识别出目标物体，并计算出两幅图像中目标物体的二维坐标；

(3)根据所述设置过程建立的摄像头拍摄的图像上的像素坐标与对应标定板上映射点空间坐标之间的对应关系，由两幅图像中目标物体的二维坐标，分别计算出两个标定板上映射点的三维坐标；

(4)连接摄像头与对应标定板上映射点形成两条空间直线；

(5)计算两条空间直线的交点，作为目标物体的三维坐标。