一种确定立体相机高度与俯仰角的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及立体视觉领域，尤其涉及一种确定立体相机高度与俯仰角的方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 立体相机可以获取观测目标的三维信息，在三维空间中，很多二维图像上难以处 理的问题可以更容易地解决，如目标准确定位、实际尺寸、距离、速度等。立体相机是实现立 体视觉系统的一种主要策略，在智能交通、智慧城市等安防领域具有重要的应用价值和发 展潜力。立体相机重建的三维图像一般体现在以立体相机的某个相机光心为原点建立的相 机坐标系中。在一些实际应用中需要获得三维图像中的前景目标在环境中的相对位置，这 就需要在环境中选择一个基准坐标系来描述立体相机的位置，该坐标系成为世界坐标系， 并需要计算相机坐标系相对世界坐标系的映射关系，从而确定前景目标在环境中的相对位 置。相机坐标系和世界坐标系之间的映射关系包含高度与俯仰角在内的6个自由度。并且， 在大多数应用中，只需要立体相机相对于世界坐标系中参考面的高度与俯仰角信息。
[0003] 传统的使用标定板及其它标定物的方法获得完整的6个自由度的相机坐标系与世 界坐标系对应关系。该方法需要借助标定物，并需要多次挪动标定物，以获取多组图像对从 而进行处理，效率低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种确定立体相机高度与俯仰角的方法及装置，以解决现有 技术需要借助标定物，处理效率低的问题。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明实施例提供了一种确定立体相机高度与俯仰角的方法，立体相机的基线与 参考面平行，立体相机的各光轴平行且视野里包括所述参考面，包括：
[0007] 使用预先标定得到的所述立体相机的内外参数，对所述立体相机拍摄的一个图像 对中的第一图像和第二图像进行外极线校正；
[0008] 确定视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，所述视差为在外极线校正后的第一图 像中选择的参考区域中的像素点在外极线校正后的第二图像中的视差，所述参考区域是包 含所述参考面的图像的区域；
[0009] 根据所述视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，以及三角法三维重建原理，确定 相机光轴在所述参考面上的投影方程；
[0010] 根据所述相机光轴在所述参考面上的投影方程和所述相机光轴之间的三角关系， 确定所述立体相机相对所述参考面的高度和俯仰角。
[0011] 基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供一种确定立体相机高度与俯仰 角的装置，立体相机的基线与参考面平行，立体相机的各光轴平行且视野里包括所述参考 面，该装置包括：
[0012] 外极线校正模块，用于使用预先标定得到的所述立体相机的内外参数，对所述立 体相机拍摄的一个图像对中的第一图像和第二图像进行外极线校正；
[0013] 对应关系确定模块，用于确定视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，所述视差为 在外极线校正后的第一图像中选择的参考区域中的像素点在外极线校正后的第二图像中 的视差，所述参考区域是包含所述参考面的图像的区域；
[0014]投影方程确定模块，用于根据所述视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，以及三 角法三维重建原理，确定相机光轴在所述参考面上的投影方程；
[0015] 高度和俯仰角确定模块，用于根据所述相机光轴在所述参考面上的投影方程和所 述相机光轴之间的三角关系，确定所述立体相机相对所述参考面的高度和俯仰角。
[0016] 本发明实施例提出的方法及装置只需要对一个图像对进行分析就能确定出立体 相机相对参考面的高度与俯仰角，不使用标定板、标定块等辅助工具，对环境要求低，易于 实现，通用性强。另外，不需要通过挪动标定物获取多组图像对，提高了处理效率。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例提供的确定立体相机高度与俯仰角的方法流程图；
[0018] 图2为本发明实施例中，立体相机所采集的图像对；
[0019]图3为本发明实施例中，Gvd示意图；
[0020] 图4为本发明实施例中，在Gvd中确定的cf(v)示意图；
[0021] 图5为本发明实施例中，通过拟合得到的d = kW示意图；
[0022] 图6为本发明实施例中，相机坐标系与世界坐标系关系示意图；
[0023] 图7为本发明实施例中，立体相机高度与俯仰角满足的几何约束示意图；
[0024] 图8为本发明实施例提供的确定立体相机高度与俯仰角的装置流程图。
【具体实施方式】
[0025] 架设的立体相机需要满足如下条件:立体相机的基线平行于参考面，各光轴平行 且视野里包括参考面。并进行如下立体相机内外参数的标定:立体相机的基线B，立体相机 的焦距f，图像中心点在图像坐标系中的坐标(u Q，VQ)。当需要获知图像检测到的前景目标在 环境中的相对位置时，需要确定环境中的参考面，并基于确定的参考面建立相机坐标系和 世界坐标系。
[0026] 下面对参考面、相机坐标系、世界坐标系、图像坐标系，以及本发明实施例所基于 的系统架构和相机参数标定进行说明。
[0027] 参考面:需选择环境中静态的，位于立体相机的视野中，且面积较大的面作为参考 面，例如地平面、桌面等等。
[0028] 相机坐标系：以立体相机中的某个相机(例如双目立体相机的左相机)的光心为原 点建立的坐标系。相机坐标系的一个坐标轴(本发明实施例中称为相机坐标系的z轴)为该 相机的光轴;另一个坐标轴(本发明实施例中称为相机坐标系的X轴)与参考面平行，又一个 坐标轴(本发明实施例中称为相机坐标系的y轴)与X轴和z轴所在平面垂直。
[0029] 图像坐标系：以图像中的某个像素点（通常为左上顶点）为坐标原点，图像的行方 向为横轴u，图像的列方向为纵轴v建立的坐标系。图像坐标系的横轴与相机坐标系的X轴对 应，图像坐标系的纵轴与相机坐标系的y轴对应。
[0030] 世界坐标系：以参考面上的某个环境点为原点建立的坐标系。相机坐标系的z轴在 参考面上的投影为世界坐标系的一个坐标轴(本发明实施例中称为世界坐标系的Z轴）；世 界坐标系的X轴在参考面上(本发明实施例中称为世界坐标系的Y轴）；世界坐标系的Y轴垂 直于参考面。
[0031] 下面将结合附图，对本发明实施例提供的技术方案进行详细说明。
[0032] 本发明实施例提供了一种确定立体相机高度与俯仰角的方法，该方法基于按照上 述条件架设的立体相机，如图1所示，该方法包括如下操作：
[0033] 步骤100、使用预先标定得到的立体相机的内外参数，对上述立体相机拍摄的一个 图像对中的第一图像和第二图像进行外极线校正。
[0034] 如果立体相机是双目相机，则第一图像和第二图像分别是双目相机的两个相机同 时拍摄的图像。
[0035] 如果立体相机是三目相机或者更多目的相机，则第一图像是选定相机的图像，第 二图像是立体相机中的与选定相机有公共视野的任一相机同时拍摄的图像。
[0036] 经过外极线校正后，同一环境点在第一图像中对应的像素点的纵坐标与在第二图 像中对应的像素点的纵坐标相同，同一环境点在第一图像中对应的像素点的横坐标与在第 二图像中对应的像素点的横坐标的差称为视差。此处的纵坐标为图像坐标系中的纵坐标。 [0037]步骤110、确定视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，上述视差为在外极线校正后 的第一图像中选择的参考区域中的像素点在外极线校正后的第二图像中的视差，上述参考 区域是包含上述参考面的图像的区域。
[0038]外极线校正后的第一图像中的像素点与外极线校正后的第二图像中对应的像素 点的横坐标差值，即为外极线校正后的第一图像中的该图像点在外极线校正后的第二图像 中的视差d。此处的横坐标为图像坐标系中的横坐标。
[0039] 本发明实施例中，同一环境点在两个图像中对应的像素点，互为对应的像素点。
[0040] 步骤120、根据上述视差与图像坐标系纵坐标的对应关系，以及三角法三维重建原 理，确定相机光轴在上述参考面上的投影方程。
[0041] 上述视差与图像坐标系纵坐标具有线性对应关系，可以通过如下线性方程表示:d =k*v+b* 〇
[0042] 三角法三维重建原理反映了如下对应关系：
[0043] 相机坐标系的y轴坐标与视差、图像坐标系的纵坐标和立体相机的基线的关系可 通过如下关系式表达：
[0044] 相机坐标系的z轴坐标与视差、立体相机的基线和焦距存在线性关系，可通过如下 关系式表达：
[0045]结合上述三个表达式，可以确定出相机光轴在上述参考面上的投影方程z = kgy+bg 中的参数kg和bg:
[0046]
[0047]
[0048] 最终得到相机光轴在上述参考面上的投影方程。
[0049] 本步骤中，确定的是立体相机中拍摄第一图像的相机的光轴在上述参考面上的投 影方程。