基于單幅圖像的卡車車廂體積測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于圖像信息處理領域，具體的說是一種卡車車廂體積的測量方法，可用 于高速公路收費站的計費系統。
【背景技術】
[0002] 對于載貨卡車，高速公路收費站的計費系統要分別對不同的卡車車廂體積進行測 量，根據車廂體積的不同對應著不同的費用。傳統的卡車體積測量大都采用光電體積測量 系統，需要同時使用激光器、攝像機和傳感器等設備，其中通用的方法為檢測通道頂端和兩 側的激光器發射垂直于檢測通道的條狀激光，照射貨車表面形成光學輪廓圖像，通過利用 同樣位于通道頂端和側面的CCD相機采集的激光圖像實現卡車三維輪廓數據的提取，測出 卡車的體積。這種方法由于需要多個激光器、攝像機和傳感器，其實施方法復雜，成本較高， 且只能應用于位置固定的檢測通道。
[0003] 隨著計算機技術的發展，利用基于圖像建模和繪制技術進行物體體積測量得到了 越來越多的研宄。基于圖像的建模就是利用相機拍攝的場景的圖片來建立真實場景中的 幾何模型，傳統的圖像的三維重建是基于圖像明暗、紋理、焦距等線索的基礎上完成的，但 這些方法通常對場景的光源、紋理規則、反射屬性有嚴格的要求，對于不同環境下的卡車 車廂體積測量其通用性較低，有待于更深入的研宄。HenryP等人利用深度圖像可以較為 精確的建立物體三維模型見HenryP，KraininM，HerbstE，etal.UsingKinect-style depthcamerasfordense3Dmodelingofindoorenvironments[J].TheInternational JournalofRoboticsResearch, 2012, 31(5) :647-663,深度圖像不僅包含了顏色的信 息還包含了各像素點的深度信息，但成本很高、操作不便、不能進行實時測量，使該方法 的應用范圍受到了限制。Kholgade等利用虛擬現實技術通過對已有同類物體3D模型的 變換，實現模型與單幅未標定圖片的3D匹配，可以從單幅圖像中恢復物體的三維模型見 Kholgade,Natasha,etal.3Dobjectmanipulationinasinglephotographusing stock3Dmodels[J].ACMTransactiononGraphics(TOG) ,2014, 33 (4): 127,然而，由于 圖片未經過標定使得模型存在尺度上的模糊，只能用于3D場景的漫游，不適用于物體體積 的測量。考慮到卡車車輪可以提供單個空間圓特征，基于單目視覺的單圓特征定位可以提 供車輪的平面信息，對車廂體積的求取有重要意義，Zheng等對單圓定位問題進行了理論 推導ZhengYinqiang,Maffenjuan,LiuYuncai.Anotherwayoflookingatmonocular circleposeestimation[C].ProceedingsofInternationalConferenceonImage Processing, 2008:86-92,從幾何意義上給出了空間圓位姿有兩個解的完備解釋，但沒有給 出剔除虛假解的方案。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對上述已有技術的問題，提出一種基于單幅圖像的卡車車廂 體積測量方法，以在車輪半徑已知的條件下利用消失點剔除圓位姿虛假解并實現對卡車車 廂體積的測量。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的技術方案包括如下步驟：
[0006] (1)輸入卡車單幅圖像，通過卡車圖像中三正交方向的消失點Vx，Vy，\標定出相 機的內參矩陣K;
[0007] (2)確定相機坐標系下車輪平面方程：
[0008] (2a)提取卡車圖像中車輪形狀的橢圓方程，利用車輪形狀的橢圓方程與車輪半徑 對相機坐標系下車輪平面法向量及和車輪圓心坐標進行求解，此處及有真實和虛假兩個 解；
[0009] (2b)利用與車輪平面垂直的車廂平面提供的消失點，剔除車輪平面法向量及的虛 假解，得到車輪平面的真實法向量死；
[0010] (2c)利用真實平面法向量iVj和圓心坐標0。求出相機坐標系下車輪平面方程；
[0011] (3)根據三正交方向的消失點Vx，Vy，Vz計算相機旋轉矩陣R，利用車輪圓心坐標0C 解算出相機的平移向量G，得出相機的外參矩陣S= (^
[0012] (4)計算卡車車廂體積：
[0013] (4a)根據相機內參矩陣K和外參矩陣S求出相機成像的矩陣運算方程；
[0014] (4b)將空間坐標系下車輪平面方程與相機成像的矩陣運算方程聯立，計算車廂平 面I中位置在上前方、下前方和后上方的車廂頂點空間坐標EpE2,E3，其中車廂平面I為空 間中與卡車車輪在同一面的車廂平面；
[0015] (4c)利用車廂平面I上車廂頂點空間坐標乙^計算出車廂平面II的平面方程， 聯立車廂平面方程與相機成像的矩陣運算方程，求出車廂平面II上車廂頂點的空間坐標 E4，其中車廂平面II為正交于卡車車輪平面的車廂平面；
[0016] (4d)根據車廂頂點的空間坐標EdE2,E3,E4，計算出卡車車廂的體積。
[0017] 本發明具有如下優點：
[0018] 1)本發明由于利用與車輪平面垂直的車廂平面提供的消失點，剔除了車輪平面法 向量及的虛假解，可求出車輪平面的真實法向量iVi;
[0019] 2)本發明由于將空間坐標系的原點建立在車輪圓心處，可以快速的解算出相機的 平移向量G，省去了復雜的相機標定過程；
[0020] 3)本發明由于通過聯立相機成像的矩陣運算方程與車廂平面方程計算出卡車圖 像中車廂頂點對應的三維坐標，不需要知道每個車廂頂點的深度信息，降低了計算量；
[0021] 4)本發明由于通過單幅卡車圖像計算出卡車車廂的體積，克服了傳統的光電體積 測量系統只能應用于位置固定的檢測通道且需要多個激光器、攝像機和傳感器的缺點。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明的卡車車廂體積測量流程圖；
[0023] 圖2是卡車圖像中三正交方向消失點Vx，Vy，1示意圖；
[0024] 圖3是卡車圖像中三正交方向消失點Vx，Vy，Vz的檢測結果；
[0025] 圖4是本發明中相機坐標系下空間圓成像幾何關系圖；
[0026] 圖5是本發明中空間坐標系的建立和旋轉角a，0，y的示意圖；
[0027] 圖6是卡車車廂平面成像過程的幾何關系圖；
[0028] 圖7是不同實例卡車圖像的消失點檢測結果和卡車圖像中車廂頂點像素坐標的 選取結果示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 參照圖1，本發明的車廂體積測量步驟如下：
[0030] 步驟1，相機內參標定。
[0031] (1. 1)根據卡車圖像檢測三正交方向消失點：
[0032] 消失點是空間中任何一束不平行于成像平面的平行線，經過透視投影變換以后在 成像平面上相交的有限遠的一點。本發明中卡車車廂的幾何形狀為立方體，在經過透視投 影變換以后，車廂中三正交方向上相互平行的直線分別相交與消失點Vx，Vy，Vz，如圖2所 不〇
[0033] 本發明中利用卡車所在空間中同