[发明专利]一种基于三维标定和特征点匹配的视频测速方法

权利要求书

1.一种基于三维标定和特征点匹配的视频测速方法，其特征在于是按照如下方法进行测速，首先在测量场景建立三维坐标系，选择至少6个空间中的点，并记录每个点的三维坐标，同时在二维场景图像中，对记录了三维坐标的点进行手动标注，并录入每个对应点的三维坐标，通过算法得到摄像机的三维透视模型；在视频的任意两帧中手动选择同一车辆的同一个点，根据运动车辆的同一个点在视频中不同帧的三维场景坐标，可以计算运动车辆的位移，再根据视频的固有帧率，得到运动的时间，速度v = 车辆的位移d÷位移的时间差t。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维标定和特征点匹配的视频测速方法，其特征在于重建三维透视模型后，通过另一种交互模式进行速度测量，直接选择视频中某一帧运动车辆上的某一个点，在后续的帧中，算法依次跟踪每一帧中的对应点，并计算其三维坐标，从而得到视频中车辆在后续帧中的平均速度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维标定和特征点匹配的视频测速方法，其特征在于所述的摄像机三维透视模型是通过以下算法得出，图像上的某个像素与其三维关系符合如下公式：ziuivi1=m11m12m13m14m21m22m23m24m31m32m33m34XiYiZi1---(1)]]>

其中，(X_i，Y_i，Z_i)为空间第i个点的坐标，(u_i，v_i)为第i个点的图像坐标，m_ij为投影矩阵M的第i行j列元素，在式(1)中又包含三个方程：

ziui=m11Xi+m12Yi+m13Zi+m14---(2)]]>

zivi=m21Xi+m22Yi+m23Zi+m24---(3)]]>

zi=m31Xi+m32Yi+m33Zi+m34---(4)]]>

式(2)除以式(4)，式(3)除以式(4)，即可消去z_i，可得到如下两个关于m_ij的线性方程：

Xim11+Yim12+Zim13+m14-uiXim31-uiYim32-uiZim33=uim34---(5)]]>

Xim21+Yim22+Zim23+m24-viXim31-viYim32-viZim33=vim34---(6)]]>

已知n个点的空间坐标(X_i，Y_i，Z_i)以及其相对应的图像点坐标(u_i，v_i)，(i=1,2,……n)，则有2n个关于M矩阵元素的线性方程，用矩阵形式表示如下：

X1Y1Z110000-u1X1-u1Y1-u1Z10000X1Y1Z11-v1X1-v1Y1-v1Z1............XnYnZn10000-unXn-unYn-unZn0000XnYnZn1-vnXn-vnYn-vnZnm11m12m13m14m21m22m23m24m31m32m33=u1m34v1m34......unm34vnm34---(7)]]>

由式(1)可知，M矩阵乘以任意不为零的常数并不影响(X，Y，Z)与(u，v)的关系，因此，在式(7)中可指定m₃₄=1，从而得到关于M矩阵中其他元素的2n个线性方程，可将式(7)简写为：

Km=U---(8)]]>

其中，K为式(7)中左端的2n×11矩阵，m为未知的11维向量，U为式(7)右端的2n维向量，且K为已知矩阵，U为已知向量。

当2n>11时，用最小二乘法可求出上述线性方程的解为：

m=(KTK)-1KTU---(9)]]>

根据式(5)、(6)整理可得如下矩阵方程：

m11-m31um12-m32um21-m31vm22-m32vXY=m34u-m14+(m33u-m13)Zm34v-m24+(m33v-m23)Z---(10)]]>

m11-m31um13-m33um21-m31vm23-m33vXZ=m34u-m14+(m32u-m12)Ym34v-m24+(m32v-m22)Y---(11)]]>

m12-m32um13-m33um22-m32vm23-m33vYZ=m34u-m14+(m31u-m11)Xm34v-m24+(m31v-m21)X---(12)]]>

以上方程均可写成AX=b的矩阵方程形式，根据线性代数知识，可求得

X=A-1b---(13)]]>

在已知目标物体的图像位置条件下即能求解出目标物体在实际场景中的位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维标定和特征点匹配的视频测速方法，其特征在于在交互模式a中，根据视频中某一帧的运动车辆上的某一个点，在另一帧中搜索同一车辆的同一个点，并可对该点进行修正，修正的步骤：a)生成目标点的sift特征向量；b)根据上一帧的搜索结果得到当前搜索帧的预测点；c)在以预测点为中心的搜索域中多尺度的计算搜索图像每个点sift特征向量，其中m为生成的搜索邻域的sift特征向量的总数；d)计算每一个与的欧式距离，寻找距离最小的sift向量，所对应的图像上的点就是与目标点最匹配的搜索点。