深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法，該方法步驟包括：標定深度圖像；逐像素計算深度圖像depth中各點在深度攝像機坐標系下的點云坐標；基于隨機采樣一致性提取地面；提取地面法向矢量；計算世界坐標系下的點云坐標。本發明無需人工干預，可全自動進行地面的檢測，且由于該方法是基于三維深度信息的，相比基于圖像顏色信息的方法，對地面的檢測更加準確，而且還可以恢復出場景中各像素的高度。另外本發明的方法僅需要一幅圖像即可完成當前深度攝像機位姿以及場景高度的求解，不依賴于歷史信息。
【專利說明】深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法。
【背景技術】
[0002] 地面檢測已經成為機器人、自動駕駛、個人娛樂、視頻監控等領域中至為關鍵的技 術。基于圖像的傳統地面檢測方法大多數根據地面的先驗顏色信息、顏色信息的一致性以 及強烈的邊緣來進行地面的檢測，比如利用公路的深色路面以及路邊的白色標線信息等。 其工作方式只能夠適用于一些比較簡單的場景，對于復雜的環境不具有可靠的性能。另外 在這些應用系統中，很多時候需要隨意變更深度攝像機的位置，或者深度攝像機的位置會 受到系統的影響而發生位置變化，因而無法隨時估計深度攝像機相對于地面的高度、姿態 以及場景中其他物體相對于地面的高度。
[0003] 由于能夠直接獲取在一般透視成像變換中丟失的深度信息，深度攝像機相比于普 通可見光深度攝像機有著更加明顯的技術優勢。這些深度攝像機包括但不限于基于雙目視 覺法，飛行時間法以及光斑編碼法三種制式的深度攝像機。在這些應用中，深度攝像機大多 通過水平安裝或者斜下視的方式對場景進行觀測，因而地面的自動化檢測對于系統的自動 化程度以及穩定性提升都是至關重要的。
[0004] 現有技術需要知道許多有關地面的先驗信息，不具有一般普適性。因而只能夠適 用于一些比較簡單的場景，如對于復雜的環境不具有可靠的性能。另外現有技術一般難于 得到場景中各點的高度信息，限制了系統的應用范圍。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種深度圖像中的自動 地面檢測及攝像機相對位姿估計方法，自動檢測深度圖像中的地面，同時求解出深度攝像 機相對于地面的位置和姿態以及場景中各點相對于地面的位置。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種深度圖像中的自動地面 檢測及攝像機相對位姿估計方法，包括以下步驟：
[0007] 1)將深度圖像cbpth的像素坐標（X，y)轉換為弧度坐標（u，V):
【權利要求】
1. 一種深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 將深度圖像Cbpth的像素坐標（x，y)轉換為弧度坐標（u，V):
其中，A為深度攝像機內參數矩陣； 2) 逐像素計算深度圖像depth中各點在深度攝像機坐標系下的點云坐標：求取任一像 素點（u，V)在以深度攝像機位置為原點，由深度攝像機橫軸X。，深度圖像縱軸Y。，深度方向 Z。構成的右手深度攝像機坐標系下的點云坐標（x。(u, V)，y。(u, V)，z。(u, V)),即： xc (u, v) = V X depth (u, v)； yc (u, v) = u X depth (u, v)； zc (u, v) = depth (u, v)； 其中cbpth(u，v)為坐標（u，v)處的深度圖像的深度值； 3) 每次采樣過程中，隨機在深度圖像中選擇三個點PpP2^3，然后求取由此三點 P1, P2, P3構成的平面n的法向量：
其中，P1P2表示由點P1指向P2的向量，?表示向量的叉積；選取第四點P 4進行如下檢 驗： Iiormit X P1P4 < Th ； 其中，閾值Th = 2.56, S為深度圖像中深度值的測量噪聲標準差；若第四點匕滿足 iion^x P,P4| <77?.，那么第四點P4為平面上的點；依照此步驟遍歷整幅深度圖像，如果 一幅深度圖像中滿足.IMrn^xP1PilIcr/!的點的比例超過閾值Rati 〇,則認為平面即為待 檢測地面； 4) 提取出滿足式|n〇ri< X PlPilIcTZi測試的所有點在深度攝像機坐標系下的坐標，記 為：(AXX)，......(<,乂，<)，求取出這些點的坐標平均值（1；^〇，；^，2；^)， 并按照下式構造矩陣M : VI -M1 M1 ；
5) 計算待檢測地面的法向量在深度攝像機坐標系下的坐標如果 norm；；,.-的第二項為正，則令= 調整深度攝像機的位置，使 得|riorm_,,,,⑴I < 0.01，然后計算深度攝像機相對于待檢測地面的高度heighteMeM， 辦四?挪=-[尤Lg，乂嘆，C x normcg_rf;其中，norm:- (1)表示 6) 計算世界坐標系的Z軸方向Zw在深度攝像機坐標系下的坐標&: Z:,.=Horm^mrf7 并確定深度攝像機坐標系下深度圖像的點（\，7。，2。）到世界坐標系下深度圖像的點 (xw, yw, zw)的關系：
坐標系是指以待檢測地面為水平面XY,高度為垂直于Z軸方向，坐標原點為深度攝像機在 地面的垂足確定的坐標系。
2. 根據權利要求1所述的深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法，其 特征在于，所述步驟1)中，深度攝像機內參數矩陣記為A通過直接線性法、兩步法、平面法 中的一種計算得到。
3. 根據權利要求1或2所述的深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方 法，其特征在于，所述步驟3)中，其中比值Ratio依據圖像中的地面部分占整幅圖像中的比 值而定，如果地面占整幅圖像中的比例為Ratiogramd，那么Ratio = 0? 6?0? 8Ratiogramd。
4. 根據權利要求3所述的深度圖像中的自動地面檢測及攝像機相對位姿估計方法， 其特征在于，所述步驟5)中，的計算過程如下：對矩陣M做標準奇異值分解： (U，D，V) = svd(M);使得M = UDV，其中矩陣U，V均為單位酉矩陣，矩陣D為矩陣M的特征 值所構成的對角陣；V矩陣的最后一列即為待檢測地面的法向量在深度攝像機坐標系下的 坐標Horm^nrf。
【文檔編號】G06T7/00GK104361575SQ201410556886
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】不公告發明人 申請人:湖南戍融智能科技有限公司