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CN110779491A - 一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN110779491A
CN110779491A CN201910949411.8A CN201910949411A CN110779491A CN 110779491 A CN110779491 A CN 110779491A CN 201910949411 A CN201910949411 A CN 201910949411A CN 110779491 A CN110779491 A CN 110779491A
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CN
China
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monocular camera
target
horizontal plane
telescopic bracket
image
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CN201910949411.8A
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Inventor
高发钦
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Suzhou Wave Intelligent Technology Co Ltd
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Suzhou Wave Intelligent Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本申请公开了一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：对单目摄像机进行参数标定，获取单目摄像机的内参数；对单目摄像机的转动角度刻度进行标定；通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标；通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机光轴与用于固定单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取伸缩支架的当前高度；根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算目标在水平面上的位置。本申请提供的上述方法简单易行，成本低廉，测距范围广，不需要左右摄像机对应点匹配，具有很高的应用价值。

Description

一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及视觉测量技术领域，特别是涉及一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在人们实际生产过程中或机器人感知外部环境时，需要获取空间中特定目标的位置或者距离。很多时候要测量的目标由于不能直接接触测量，需要使用非接触测量的方式，常用的有超声波测距、激光雷达测距和视觉测距。超声波测距分辨率低，速度慢，反射面是平面，适用场景少。激光雷达成本较高，阴雨天，浓雾等天气无法工作。视觉测距具有分辨率高、适用场景广、实时性强、成本低廉等优点，传统的有双目立体视觉，但是双目摄像机定位需要两个摄像机采集的图像对应点匹配，需要外参数标定。被测目标的距离和双目摄像机的距离不能差别太大，不然影响测距的精度，当双目摄像机的基线距离确定后，测距的范围也就固定了。单个摄像机采集的图像，不能恢复目标的深度信息，需要已知测量目标的实际尺寸，才能测量距离信息。
因此，如何使空间测距方法简单化且成本低，测距范围广，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质，方法简单易行，成本低廉，测距范围广，不需要左右摄像机对应点匹配。其具体方案如下：
一种水平面上目标测距的方法，包括：
对单目摄像机进行参数标定，获取所述单目摄像机的内参数；
对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定；
通过所述单目摄像机采集目标的图像，并获取所述目标在采集的所述图像中的图像坐标；
通过标定的所述转动角度刻度读取所述单目摄像机光轴与用于固定所述单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取所述伸缩支架的当前高度；
根据获取的所述内参数和所述图像坐标，以及读取的所述当前高度和所述当前夹角角度，计算所述目标在水平面上的位置。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，对所述单目摄像机进行参数标定，具体包括：
采用张正友棋盘格标定法对所述单目摄像机进行参数标定。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，所述内参数包括成像平面的光心像素坐标，以及分别在所述成像平面的x方向和y方向上以像素为单位的焦距长度。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定，具体包括：
将用于固定所述单目摄像机的伸缩支架调整到最低高度；
将所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的夹角角度转动到最大角度；
在水平面上移动标定物的位置，直到所述标定物的图像坐标位于所述光心像素坐标时，测量所述标定物与用于固定所述伸缩支架的水平底座之间的距离；
根据所述伸缩支架的最低高度和测量得到的所述距离，计算出所述夹角角度的最大角度值；
将计算出的所述最大角度值进行均分，并对均分后的每个刻度的角度做上标记。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，在计算所述目标在水平面上的位置之前，还包括：
建立O-XYZ空间坐标系，以所述水平底座与所述伸缩支架的固定点为原点，所述伸缩支架为Z轴，所述水平面为X轴和Y轴所在平面，所述单目摄像机光轴经过所述X轴，则所述目标在所述水平面上的位置坐标为(X,Y)。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，采用下述公式计算所述目标在所述水平面上的位置坐标：：
Figure BDA0002225288970000031
其中，(X,Y)表示所述目标在所述水平面上的位置坐标；α1表示所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的当前夹角角度；H表示所述伸缩支架的当前高度；α2表示所述目标在X轴的投影点和光心的连线与所述单目摄像机光轴之间的夹角角度；(u,v)表示所述图像坐标；(u0,v0)表示所述光心像素坐标；fx表示在成像平面的x方向上以像素为单位的焦距长度；fy表示在成像平面的y方向上以像素为单位的焦距长度。
本发明实施例还提供了一种水平面上目标测距的装置，包括：水平底座，固定在所述水平底座上且高度可调节的伸缩支架，固定在所述伸缩支架顶端且俯仰角度可调节用于采集目标的图像的单目摄像机；还包括：
参数标定模块，用于对所述单目摄像机进行参数标定，获取所述单目摄像机的内参数；
角度标定模块，用于对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定；
坐标获取模块，用于获取所述目标在采集的所述图像中的图像坐标；
数据读取模块，用于通过标定的所述转动角度刻度读取所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取所述伸缩支架的当前高度；
位置计算模块，用于根据获取的所述内参数和所述图像坐标，以及读取的所述当前高度和所述当前夹角角度，计算所述目标在水平面上的位置。
优选地，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的装置中，还包括：
坐标系建立模块，用于建立O-XYZ空间坐标系，以所述水平底座与所述伸缩支架的固定点为原点，所述伸缩支架为Z轴，所述水平面为X轴和Y轴所在平面，所述单目摄像机光轴经过所述X轴，则所述目标在所述水平面上的位置坐标为(X,Y)。
本发明实施例还提供了一种水平面上目标测距的设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质，包括：对单目摄像机进行参数标定，获取单目摄像机的内参数；对单目摄像机的转动角度刻度进行标定；通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标；通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机光轴与用于固定单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取伸缩支架的当前高度；根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算目标在水平面上的位置。
本申请提供的上述方法基于单目摄像机，通过标定获取单目摄像机的内参数，对单目摄像机转动角度刻度进行标定，使用单目摄像机采集目标图像，根据目标图像的图像坐标计算水平面上目标空间位置，可以根据目标的图像坐标调节伸缩支架的高度和单目摄像机光轴的俯仰角度，操作简单易行，成本低廉，测距范围广，算法简单，实现性强，非接触测量，不需要左右摄像机对应点匹配，具有很高的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水平面上目标测距的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的单目摄像机的成像模型示意图；
图3为执行本发明实施例提供的水平面上目标测距的方法中的步骤S102对应的装置结构示意图；
图4为执行本发明实施例提供的水平面上目标测距的方法中的步骤S103至步骤S105对应的装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种水平面上目标测距的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、对单目摄像机进行参数标定，获取单目摄像机的内参数；
需要了解的是，该步骤获得的内参数是为了给计算水平面上目标的空间位置提供依据；
S102、对单目摄像机的转动角度刻度进行标定；
在本发明中，单目摄像机光轴与用于固定单目摄像机的伸缩支架之间的夹角角度(即单目摄像机光轴的俯仰角度)可调节，这里对摄像机转动角度刻度进行标定，做上标记，是为了之后方便读取出调节后的光轴与伸缩支架之间的夹角角度值，给计算水平面上目标的空间位置提供依据；
S103、通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标；
在执行该步骤的过程中，需要调节用于固定单目摄像机的伸缩支架的高度，以及调节单目摄像机光轴与伸缩支架之间的夹角角度，直至可以采集到目标的图像；
S104、通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机光轴与用于固定单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取伸缩支架的当前高度；
S105、根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算目标在水平面上的位置。
在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，首先对单目摄像机进行参数标定，获取单目摄像机的内参数；然后对单目摄像机的转动角度刻度进行标定；之后通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标；随后通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机光轴与伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取伸缩支架的当前高度；最后根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算目标在水平面上的位置。通过上述步骤可以得出水平面上目标的空间位置，整个操作简单易行，成本低廉，测距范围广，不需要左右摄像机对应点匹配，具有很高的应用价值。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，步骤S101对单目摄像机进行参数标定，具体可以包括：采用张正友棋盘格标定法对单目摄像机进行参数标定。如图2所示，内参数包括成像平面xy的光心像素坐标O1(u0,v0)，以及分别在成像平面的x方向和y方向上以像素为单位的焦距长度fx、fy。图2中Oc-XcYcZc为单目摄像机的摄像机坐标系，Oc为摄像机的光心，作为摄像机坐标系的原点，p为目标在图像中的图像坐标，P为目标在摄像机坐标系中的坐标，为目标相对于Zc轴在XcOZc平面上的偏角。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，步骤S102对单目摄像机的转动角度刻度进行标定，具体可以包括：如图3所示，将用于固定单目摄像机1的伸缩支架2调整到最低高度h；将单目摄像机1光轴与伸缩支架2之间的夹角角度转动到最大角度；在水平面上移动标定物4的位置，直到标定物4的图像坐标位于光心像素坐标(u0,v0)时，测量标定物4与用于固定伸缩支架2的水平底座3之间的距离l；根据伸缩支架2的最低高度h和测量得到的距离l，计算出单目摄像机1光轴与伸缩支架2之间的夹角角度的最大角度值；将计算出的最大角度值进行均分，并对均分后的每个刻度的角度做上标记。
具体地，可以采用下述公式计算出单目摄像机1光轴与伸缩支架2之间的夹角角度的最大角度值：
Figure BDA0002225288970000061
其中，α表示单目摄像机光轴与伸缩支架之间的夹角角度的最大角度，l表示标定物与水平底座之间的距离，h表示伸缩支架的最低高度。
将计算出的最大角度α均分成n份，则每个刻度的角度大小为
Figure BDA0002225288970000071
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，步骤S103通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标，具体可以包括：如图4所示，调节伸缩支架2的高度为H，调节单目摄像机1光轴与伸缩支架之间的夹角角度至α1，使得单目摄像机1能够采集到目标的图像，并且识别出目标在图像中的图像坐标(u,v)。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的方法中，在执行步骤S105计算目标在水平面上的位置之前，如图4所示，还包括：
建立O-XYZ空间坐标系，以水平底座与伸缩支架的固定点为原点，伸缩支架为Z轴，水平面为X轴和Y轴所在平面，单目摄像机光轴经过X轴，则目标在水平面上的位置坐标为(X,Y)。
接下来，执行步骤S105时，采用下述公式计算目标在水平面上的位置坐标：
Figure BDA0002225288970000072
其中，(X,Y)表示目标在水平面上的位置坐标；α1表示单目摄像机光轴与伸缩支架之间的当前夹角角度；H表示伸缩支架的当前高度；α2表示目标在X轴的投影点和光心的连线与单目摄像机光轴之间的夹角角度；(u,v)表示图像坐标；(u0,v0)表示光心像素坐标；fx表示在成像平面的x方向上以像素为单位的焦距长度；fy表示在成像平面的y方向上以像素为单位的焦距长度。
需要注意的是，α2和Y的推导公式如下：
Figure BDA0002225288970000073
Figure BDA0002225288970000074
由上述公式就可以计算出水平面上目标的空间位置，算法简单，实现性强，且是非接触测量，对不能到达的目标也能测量。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种水平面上目标测距的装置，由于该水平面上目标测距的装置解决问题的原理与前述一种水平面上目标测距的方法相似，因此该水平面上目标测距的装置的实施可以参见水平面上目标测距的方法的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，本发明实施例提供的水平面上目标测距的装置，如图4所示，包括：水平底座3，固定在水平底座3上且高度可调节的伸缩支架2，固定在伸缩支架2顶端且俯仰角度可调节用于采集目标的图像的单目摄像机1；还包括：
参数标定模块，用于对单目摄像机1进行参数标定，获取单目摄像机1的内参数；
角度标定模块，用于对单目摄像机1的转动角度刻度进行标定；
坐标获取模块，用于获取目标在采集的图像中的图像坐标；
数据读取模块，用于通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机1光轴与伸缩支架2之间的当前夹角角度，同时读取伸缩支架2的当前高度；
位置计算模块，用于根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算出目标在水平面上的位置。
在本发明实施例提供的上述水平面上目标测距的装置中，通过上述部件的相互作用，可以计算出目标在水平面上的位置，操作简单，成本低廉，具有很高的应用价值。
关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。
相应的，本发明实施例还公开了一种水平面上目标测距的设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现前述实施例公开的水平面上目标测距的方法。
关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
进一步的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现前述公开的水平面上目标测距的方法。
关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备、存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
本发明实施例提供的一种水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质，包括：对单目摄像机进行参数标定，获取单目摄像机的内参数；对单目摄像机的转动角度刻度进行标定；通过单目摄像机采集目标的图像，并获取目标在采集的图像中的图像坐标；通过标定的转动角度刻度读取单目摄像机光轴与用于固定单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取用于固定单目摄像机的伸缩支架的当前高度；根据获取的内参数和图像坐标，以及读取的当前高度和当前夹角角度，计算出目标在水平面上的位置。本发明提供的上述方法操作简单易行，成本低廉，测距范围广，算法简单，实现性强，非接触测量，不需要左右摄像机对应点匹配，具有很高的应用价值。
最后，还需要说明的是，在本文中，关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的水平面上目标测距的方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水平面上目标测距的方法，其特征在于，包括：
对单目摄像机进行参数标定，获取所述单目摄像机的内参数；
对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定；
通过所述单目摄像机采集目标的图像，并获取所述目标在采集的所述图像中的图像坐标；
通过标定的所述转动角度刻度读取所述单目摄像机光轴与用于固定所述单目摄像机的伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取所述伸缩支架的当前高度；
根据获取的所述内参数和所述图像坐标，以及读取的所述当前高度和所述当前夹角角度，计算所述目标在水平面上的位置。
2.根据权利要求1所述的水平面上目标测距的方法，其特征在于，对所述单目摄像机进行参数标定，具体包括：
采用张正友棋盘格标定法对所述单目摄像机进行参数标定。
3.根据权利要求2所述的水平面上目标测距的方法，其特征在于，所述内参数包括成像平面的光心像素坐标，以及分别在所述成像平面的x方向和y方向上以像素为单位的焦距长度。
4.根据权利要求3所述的水平面上目标测距的方法，其特征在于，对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定，具体包括：
将用于固定所述单目摄像机的伸缩支架调整到最低高度；
将所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的夹角角度转动到最大角度；
在水平面上移动标定物的位置，直到所述标定物的图像坐标位于所述光心像素坐标时，测量所述标定物与用于固定所述伸缩支架的水平底座之间的距离；
根据所述伸缩支架的最低高度和测量得到的所述距离，计算出所述夹角角度的最大角度值；
将计算出的所述最大角度值进行均分，并对均分后的每个刻度的角度做上标记。
5.根据权利要求4所述的水平面上目标测距的方法，其特征在于，在计算所述目标在水平面上的位置之前，还包括：
建立O-XYZ空间坐标系，以所述水平底座与所述伸缩支架的固定点为原点，所述伸缩支架为Z轴，所述水平面为X轴和Y轴所在平面，所述单目摄像机光轴经过所述X轴，则所述目标在所述水平面上的位置坐标为(X,Y)。
6.根据权利要求5所述的水平面上目标测距的方法，其特征在于，采用下述公式计算所述目标在所述水平面上的位置坐标：
Figure FDA0002225288960000021
其中，(X,Y)表示所述目标在所述水平面上的位置坐标；α1表示所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的当前夹角角度；H表示所述伸缩支架的当前高度；α2表示所述目标在X轴的投影点和光心的连线与所述单目摄像机光轴之间的夹角角度；(u,v)表示所述图像坐标；(u0,v0)表示所述光心像素坐标；fx表示在成像平面的x方向上以像素为单位的焦距长度；fy表示在成像平面的y方向上以像素为单位的焦距长度。
7.一种水平面上目标测距的装置，其特征在于，包括：水平底座，固定在所述水平底座上且高度可调节的伸缩支架，固定在所述伸缩支架顶端且俯仰角度可调节用于采集目标的图像的单目摄像机；还包括：
参数标定模块，用于对所述单目摄像机进行参数标定，获取所述单目摄像机的内参数；
角度标定模块，用于对所述单目摄像机的转动角度刻度进行标定；
坐标获取模块，用于获取所述目标在采集的所述图像中的图像坐标；
数据读取模块，用于通过标定的所述转动角度刻度读取所述单目摄像机光轴与所述伸缩支架之间的当前夹角角度，同时读取所述伸缩支架的当前高度；
位置计算模块，用于根据获取的所述内参数和所述图像坐标，以及读取的所述当前高度和所述当前夹角角度，计算所述目标在水平面上的位置。
8.根据权利要求7所述的水平面上目标测距的装置，其特征在于，还包括：
坐标系建立模块，用于建立O-XYZ空间坐标系，以所述水平底座与所述伸缩支架的固定点为原点，所述伸缩支架为Z轴，所述水平面为X轴和Y轴所在平面，所述单目摄像机光轴经过所述X轴，则所述目标在所述水平面上的位置坐标为(X,Y)。
9.一种水平面上目标测距的设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的水平面上目标测距的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的水平面上目标测距的方法。
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