[发明专利]一种基于单目视觉技术的动态点目标运动轨迹测算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单目视觉技术的动态点目标运动轨迹测算方法，可以测算某矩形 幕布(其尺寸、位置已知，且为某投影仪的投影幕布)上动态点目标的运动轨迹。在该方法 中，构建了单目摄像机的针孔模型，并通过设计新算法得到单目摄像机图像中像点与幕布上 物点的映射关系，成功规避了拍摄时精确测定摄像机位姿的要求，高效继承了单目视觉技术 结构简单、成本低廉、灵活易用的优点，具有良好的实用价值和发展前景。

背景技术

单目视觉技术是利用单个摄像头对被拍物体进行拍摄，并根据所得图像获取被拍物信 息的一种技术。相对于双目或多目视觉技术，单目视觉技术具有成本低、系统结构简单、灵 活易用等优点，因而得到了广泛关注和应用。

本测算方法涉及一项应用单目视觉技术的实际工程，工程要求设计一套测算矩形幕布 上动态点目标运动轨迹的方法。动态点目标即为物点(后文陈述时将统一使用物点这个概念， 来替代动态点目标)，其在所拍图像中的像点坐标可以在计算机中通过图像拟合技术得到。基 于以上工程要求，物点运动轨迹的测算将分为四个步骤：①摄像机对幕布上的物点进行拍摄， 得到图像(这里的图像为电子图像，直接输入计算机进行处理即可)；②通过计算机图像拟合 技术得到图像中像点在像素坐标系中的像素坐标；③根据算法中像点与幕布上物点的映射关 系，由像素坐标系中的像点坐标推算出物点在世界坐标系中的三维坐标；④以一定的拍摄频 率对幕布上运动的物点进行拍摄，并重复步骤①～步骤③的内容，将得到物点在世界坐标系 中的一系列离散坐标，进而通过恰当的拟合算法(如三次样条插值算法)求得所需轨迹方程。

该轨迹测算方法的关键内容在于获得步骤③中提及的映射关系。由于拍摄时摄像头位 姿的不确定性，幕布及物点所成图像将随摄像头的变动(包括位置变动和拍摄角度变动)而 不尽相同。为了建立像点坐标(意指在像素坐标系中的坐标)与物点坐标(意指在世界坐标 系中的三维坐标)的一一映射关系，如图4和图5所示，将矩形幕布划分为36块两边各不相 同的矩形区域。这样，当用摄像机对幕布和物点进行拍摄时将出现两种不同情形：第一种情 形摄像机光轴垂直于幕布所在平面，则36块矩形区域在图像中将呈现为规则的36个四边形； 第二种情形，摄像机光轴不垂直于幕布所在平面，36块矩形区域在图像中将呈现为不规则的 36个四边形。显然，图像中的四边形(规则或不规则)是幕布上36块矩形区域的像，且因 矩形区域各不相同而形状不一。换言之，幕布上各矩形区域可以与图像中各四边形形成一一 映射。那么，一旦确定了像点所属的四边形，就可以根据映射来确定物点所属的矩形区域， 最终根据一定算法由该四边形的四个顶点坐标(指在像素坐标系中的坐标)求得物点在世界 坐标系中的三维坐标。这样，就实现了步骤③中的设想。

建立所述一一映射关系的关键在于幕布上36块矩形区域的划分方法，亦即它们各自 长宽比值的设置方法。为了恰当设置36块矩形区域的长宽比值，进而建立各矩形区域到图像 中各四边形的一一映射，需要获知摄像头在任意拍摄位姿(即拍摄位置和拍摄角度任意)情 形下，图像中诸四边形的几何轮廓信息。事实上，要想在世界坐标系中精确设定摄像机坐标、 精确设定摄像机光轴(光轴即为镜头采光点与感光器件中心点所连直线)的三个角度(水平 方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角γ)具有相当的技术难度。为此，本发明利用软件程 序构建了包括幕布、物点、矩形区域划分和摄像机成像系统在内的整套数学模型，来模拟实 际的单目成像过程。根据该方法，可以在程序中对摄像机坐标和摄像机光轴的三个拍摄角度 进行精准设定，从而获得任意拍摄情形下图像中的36个四边形的几何轮廓信息，进而为分析 它们的区别做好准备。不断调整摄像机的拍摄位姿，遍历所有可能出现的拍摄位置和拍摄角 度，得到相应的图像数据，为设置恰当的36组长宽比值和建立一一映射关系打下基础。

发明内容