[发明专利]基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法和装置

权利要求书

1.基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)对摄像机进行标定，建立摄像机坐标系、成像平面坐标系和三维空间坐标系的齐次变换矩阵；

(2)通过图像采集卡和摄像机对待监控区域的视频图像进行采集；

(3)提取波门内目标的特征信息；

(4)搜索框内利用提取的特征和目标波门内的相应特征进行相关滤波运算；

(5)根据步骤(4)的计算结果求取目标在搜索区域不同位置的响应值；

(6)根据步骤(5)的计算结果确定目标框的大小和位置，并确定目标形心在图像中的坐标；

(7)将步骤(6)中的目标在图像中的形心坐标按照步骤(1)中得到的齐次变换进行坐标变换；

(8)按照步骤(7)中提出的方法进行计算，得出目标在三维空间的坐标；

(9)将步骤(8)的计算结果进行输出和显示。

2.根据权利要求1所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(1)中的摄像机标定，采用摄像机线性成像模型，以Tsai的两步法为基础，采用棋盘平面手动测量目标在三维空间中的位置坐标及其在图像坐标系中对应的像素坐标，建立对应关系，利用Levenberg-Marquardt方法对坐标变换模型系数进行辨识。

3.根据权利要求2所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(1)的摄像机坐标系与三维空间坐标系之间的关系利用旋转矩阵R和一个平移矩阵t表示，变换矩阵为公式(1)

其齐次坐标表示为公式(2)

其中，t为三维平移向量，t＝[t_x t_y t_z]^T，0＝[0 0 0]^T；旋转矩阵R为3×3的单位正交矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：在摄像机的现行成像模型中，成像平面坐标系是一个二维直角坐标系，它的原点O_I摄像机坐标系的Z_c轴与成像平面的交点，x轴与X_c平行，y轴与Y_c平行，OO_I为摄像机的焦距f，所述步骤(1)的成像平面坐标系与摄像机坐标系的关系为公式(3)

用齐次坐标与矩阵形式将公式(3)表示为公式(4)

5.根据权利要求4所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(1)的图像中任意一个像素在三维空间坐标系与成像平面坐标系下坐标的关系为公式(5)

用齐次坐标与矩阵形式将公式(5)表示为公式(6)

6.根据权利要求5所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(1)通过测量三维空间点的三维坐标及其在图像中的像素坐标，建立公式(7)的数学关系，得到摄像机的内外参数，完成摄像机的标定：

其中M₃₄为摄像机内参数矩阵M₁与外参数矩阵M₂的乘积。

7.根据权利要求6所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(3)的特征为：图像的深度特征、传统特征、或者深度特征和传统特征的组合；在使用多种特征进行组合的时候，进行插值操作将不同分辨率的特征变换到相同的分辨率来完成不同特征间的组合。

8.根据权利要求7所述的基于单摄像机的目标跟踪及轨迹三维重现方法，其特征在于：所述步骤(7)中的坐标变换，计算目标形心齐次变换时，设定其高度典型值为880毫米，带入齐次变换进行计算，得到目标在三维空间的位置坐标。