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確定相機(jī)焦距與旋轉(zhuǎn)角度的方法、相機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:6636447閱讀:3103來源:國知局
確定相機(jī)焦距與旋轉(zhuǎn)角度的方法、相機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度的方法、相機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng),其中所述確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度的方法包括以下步驟:將相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合放置;獲得垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)所述垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)確定相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角度roll,所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt、第三旋轉(zhuǎn)角度roll分別為相機(jī)坐標(biāo)系沿Y軸、X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。由此解決了現(xiàn)有技術(shù)的相機(jī)標(biāo)定方法求解結(jié)果不穩(wěn)定,難以實(shí)施的技術(shù)問題。
【專利說明】確定相機(jī)焦距與旋轉(zhuǎn)角度的方法、相機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相機(jī)標(biāo)定【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度的方法、 相機(jī)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,基于相機(jī)等視覺傳感器和計(jì)算機(jī)視覺理論為基礎(chǔ)的視頻監(jiān)控技術(shù)得到飛 速的發(fā)展。通過分析相機(jī)錄制的視頻序列,對車輛、行人等目標(biāo)物進(jìn)行檢測、分割、識別和跟 蹤,從而判斷目標(biāo)物的行為,實(shí)現(xiàn)對圖像內(nèi)容的理解。相機(jī)標(biāo)定是一個(gè)必要的處理步驟,它 可以確定二維圖像坐標(biāo)和三維世界坐標(biāo)之間的映射關(guān)系,是速度、大小等于空間尺寸相關(guān) 的"[目息有效提取的如提和保證。
[0003] 常用的相機(jī)模型的投影關(guān)系可用以下表達(dá)式表示:
[0004] [u,V,1]T =入?A?R?[I|TC] ? [xw,yw,zw,1]T
[0005]xw,yw,zw是世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn),u,v是圖像中的二維坐標(biāo)點(diǎn)。R,T。為相機(jī)外 部參數(shù),R為相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣,決定相機(jī)拍攝角度;I為單位矩陣,T。決定相機(jī)的空間位置, 入是一個(gè)常數(shù)系數(shù)。A為相機(jī)內(nèi)部參數(shù),主要包括焦距(fx,fy),主點(diǎn)(U(I,V(I),傾斜因子s。
[0006] 相機(jī)標(biāo)定是確定相機(jī)內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)的過程。目前,大致有兩類方法:傳統(tǒng)標(biāo)定方 法和自標(biāo)定方法。
[0007] 傳統(tǒng)方法,如張正友提出的基于平面標(biāo)定板進(jìn)行定標(biāo)的方法,需要在不同方位拍 攝特征的棋盤格平面模板的多幅圖像,利用平面模板的空間點(diǎn)和圖像點(diǎn)間的對應(yīng)關(guān)系建 立約束方程實(shí)現(xiàn)相機(jī)的標(biāo)定。該類方法需要幾何結(jié)構(gòu)信息已知的目標(biāo)物作為標(biāo)定參照物, 標(biāo)定過程繁瑣,不滿足大場景監(jiān)控要求。
[0008]自標(biāo)定方法通常直接分析獲得的多幀圖像信息,提取圖像中的目標(biāo)物,通過圖像 間的對應(yīng)點(diǎn)建立參數(shù)的約束關(guān)系,從而定標(biāo)相機(jī)參數(shù)。此類方法充分利用監(jiān)控場景圖像信 息,避免了傳統(tǒng)標(biāo)定方法需要特制標(biāo)定物等問題,如文獻(xiàn)"FengjunLv,TaoZhao,Nevatia R.CameraCalibrationfromVideoofawalkingman[J].IEEETransactions on,Sept. 2006, 1513 - 1518"中提出的基于場景中行人的相機(jī)自標(biāo)定方法,該方法自動(dòng)檢測 視頻中行人的頭和腳位置,根據(jù)行人頭腳連線標(biāo)定相機(jī)參數(shù)。該標(biāo)定方法需要精確定位行 人頭和腳的位置,但是由于光照、遮擋等的影響,自動(dòng)檢測方法不能精確的定位行人的頭和 腳的位置,因此該方法求解結(jié)果不穩(wěn)定。另外,該方法需要一個(gè)輔助的參照物,用以確定世 界坐標(biāo)系XZ平面中相互垂直的兩個(gè)方向。由于這個(gè)要求,該標(biāo)定方法不易于實(shí)施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為此,本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有技術(shù)的相機(jī)標(biāo)定方法求解結(jié)果不穩(wěn)定, 難以實(shí)施的問題。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0011] 一種確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度的方法,包括以下步驟:將相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐 標(biāo)系重合放置;獲得垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣.,\.)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)《氣.k);根據(jù)所述 垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣.t)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(\,化),確定相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度 pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角度roll,所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt、第三旋轉(zhuǎn)角度roll分別為相機(jī)坐標(biāo)系沿Y軸、X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。
[0012] 優(yōu)選地,所述相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角 度roll通過以下表達(dá)式獲得:

【權(quán)利要求】
1. 一種確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度的方法,其特征在于,包括以下步驟: 將相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合放置; 獲得垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo))和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣,% ; 根據(jù)所述垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)確定相機(jī)焦距f、 第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角度roll,所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第 二旋轉(zhuǎn)角度tilt、第三旋轉(zhuǎn)角度roll分別為相機(jī)坐標(biāo)系沿Y軸、X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二 旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角度roll通過以下表達(dá)式獲得 :
其中,(U(l,Vci)相機(jī)主點(diǎn)的坐標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述獲得垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣,D 和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣)的步驟包括以下步驟: 選擇相機(jī)拍攝場景中具有相同高度的桿狀物為標(biāo)定物; 在圖像坐標(biāo)系中分別將每個(gè)所述標(biāo)定物的頂端與底端連線,以所述頂端與底端連線的 交點(diǎn)為垂直消隱點(diǎn); 在圖像坐標(biāo)系中將任意兩個(gè)所述標(biāo)定物的頂端與頂端連線,底端與底端連線,以所述 頂端與頂端連線與所述底端與底端連線的交點(diǎn)為水平消隱點(diǎn); 計(jì)算所述垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)?
4. 一種相機(jī)標(biāo)定方法,其特征在于,包括以下步驟: 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度; 根據(jù)所述相機(jī)焦距和所述旋轉(zhuǎn)角度獲得投影矩陣P :
其中,相機(jī)傾斜因子s為零,相機(jī)主點(diǎn)(Utl, Vtl)為相機(jī)拍攝圖像的中心點(diǎn),平移向量T。 =[0, -H。,0], H。為相機(jī)高度,a為相機(jī)焦距調(diào)整因子,I為單位矩陣,Rx、Ry、Rz分別為相機(jī) 坐標(biāo)系沿Y軸旋轉(zhuǎn)所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、沿X軸旋轉(zhuǎn)所述第二旋轉(zhuǎn)角度titl、沿Z軸旋轉(zhuǎn) 所述第二旋轉(zhuǎn)角度roll得到的旋轉(zhuǎn)矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的相機(jī)標(biāo)定方法,其特征在于,所述相機(jī)高度H。根據(jù)以下表達(dá) 式求解獲得:
其中,B、C分別為任意一個(gè)所述標(biāo)定物的底端和頂端,所述垂直消隱點(diǎn)、C的連線與水 平消隱線的交點(diǎn)為D1,所述垂直消隱點(diǎn)、B的連線與所述水平消隱線的交點(diǎn)為D2,D為由D1、 D2確定的線段的中點(diǎn),d(C,D)為C、D的距離,d(B,D)為B、D的距離,d(B,Vy)為B、垂直消 隱點(diǎn)的距離,d(C,V y)為C、垂直消隱點(diǎn)的距離,H為所述標(biāo)定物的高度,所述水平消隱線為 由所有水平消隱點(diǎn)確定的直線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的相機(jī)標(biāo)定方法,其特征在于,所述根據(jù)所述相機(jī)焦距和所 述旋轉(zhuǎn)角度獲得投影矩陣P步驟之后還包括以下步驟: 調(diào)整投影矩陣P使均方誤差最小化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的相機(jī)標(biāo)定方法,其特征在于,所述調(diào)整投影矩陣P使均方誤差 最小化的步驟包括以下步驟: 選擇相機(jī)拍攝場景中具有相同高度的桿狀物為標(biāo)定物; 獲得第i個(gè)所述標(biāo)定物在世界坐標(biāo)系中的頂端坐標(biāo)Vhi,根據(jù)投影矩陣P獲得頂端坐標(biāo) Vhi在圖像坐標(biāo)系中的投影點(diǎn))根據(jù)以下表達(dá)式調(diào)整投影矩陣P使均方誤差最小化:
其中,N為所述標(biāo)定物的數(shù)量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的相機(jī)標(biāo)定方法,其特征在于,所述根據(jù)所述相機(jī)焦距和所 述旋轉(zhuǎn)角度獲得投影矩陣P的步驟之后還包括以下步驟: 調(diào)整相機(jī)焦距調(diào)整因子a,使相機(jī)焦距與相鄰像素點(diǎn)寬度方向距離的比值fx = f,相機(jī) 焦距與相鄰像素點(diǎn)寬度方向距離的比值fy = f/a。
9. 一種相機(jī)標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于,包括: 重合放置模塊,用于將相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合放置; 獲得消隱點(diǎn)坐標(biāo)模塊,用于獲得垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)^r,)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo) (Uyx ,Vk ): 確定相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)角度模塊,用于根據(jù)所述垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)和水平消隱 點(diǎn)的坐標(biāo)h確定相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn) 角度roll,所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt、第三旋轉(zhuǎn)角度roll分別為相機(jī)坐標(biāo) 系沿Y軸、X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度; 獲得投影矩陣模塊,用于根據(jù)所述相機(jī)焦距和所述旋轉(zhuǎn)角度獲得投影矩陣P :
其中,相機(jī)傾斜因子s為零,相機(jī)主點(diǎn)(Utl, Vtl)為相機(jī)拍攝圖像的中心點(diǎn),平移向量T。 =[0, -H。,0], H。為相機(jī)高度,a為相機(jī)焦距調(diào)整因子,I為單位矩陣,Rx、Ry、Rz分別為相機(jī) 坐標(biāo)系沿Y軸旋轉(zhuǎn)所述第一旋轉(zhuǎn)角度pan、沿X軸旋轉(zhuǎn)所述第二旋轉(zhuǎn)角度titl、沿Z軸旋轉(zhuǎn) 所述第二旋轉(zhuǎn)角度roll得到的旋轉(zhuǎn)矩陣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的相機(jī)標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于,所述相機(jī)焦距f、第一旋轉(zhuǎn)角度 pan、第二旋轉(zhuǎn)角度tilt以及第三旋轉(zhuǎn)角度roll通過以下表達(dá)式獲得:
其中,(U(l,Vci)相機(jī)主點(diǎn)的坐標(biāo)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的相機(jī)標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于,所述獲得消隱點(diǎn)坐標(biāo)模塊 包括: 選擇標(biāo)定物模塊,用于選擇相機(jī)拍攝場景中具有相同高度的桿狀物為標(biāo)定物; 確定垂直消隱點(diǎn)模塊,用于在圖像坐標(biāo)系中分別將每個(gè)所述標(biāo)定物的頂端與底端連 線,以所述頂端與底端連線的交點(diǎn)為垂直消隱點(diǎn); 確定水平消隱點(diǎn)模塊,用于在圖像坐標(biāo)系中將任意兩個(gè)所述標(biāo)定物的頂端與頂端連 線,底端與底端連線,以所述頂端與頂端連線與所述底端與底端連線的交點(diǎn)為水平消隱 占. 計(jì)算模塊,用于計(jì)算所述垂直消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣,K.)和水平消隱點(diǎn)的坐標(biāo)(氣K
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的相機(jī)標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于,所述相機(jī)高度H。根據(jù)以下表 達(dá)式求解獲得:
其中,B、C分別為任意一個(gè)所述標(biāo)定物的底端和頂端,所述垂直消隱點(diǎn)、C的連線與水 平消隱線的交點(diǎn)為D1,所述垂直消隱點(diǎn)、B的連線與所述水平消隱線的交點(diǎn)為D2,D為由D1、 D2確定的線段的中點(diǎn),d(C,D)為C、D的距離,d(B,D)為B、D的距離,d(B,Vy)為B、垂直消 隱點(diǎn)的距離,d(C,V y)為C、垂直消隱點(diǎn)的距離,H為所述標(biāo)定物的高度,所述水平消隱線為 由所有水平消隱點(diǎn)確定的直線。
【文檔編號】G06T7/00GK104392450SQ201410708555
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】段成偉, 丁美玉, 晉兆龍, 陳衛(wèi)東 申請人:蘇州科達(dá)科技股份有限公司
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