基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，屬于計算機視覺技術領 域。
【背景技術】
[0002] 夜間路面物體的準確定位是汽車自動駕駛、機器人自動行走等應用中必須面對的 問題。傳統的道路上障礙物的識別與定位通常是利用雙目視覺等原理實現的。雙目視覺方 法需要兩個攝像機來成像，并且需要圖像匹配算法來實現障礙物的識別與定位。由于道路 一般是一個理想的平面，可以采用單目視覺技術來實現物體的識別與定位。相比于雙目視 覺技術，單目視覺具有結構簡單、易于標定、運用靈活等特點，已經廣泛用于機器人導航、無 人機控制以及工業測量等諸多領域。
[0003] 相對于白天，夜間的道路是一種較為不同的環境。夜間的道路主要依賴路燈、汽車 前照燈等人工光源的照射。路面上的物體在這些較強的人工光源照射下往往會留下較濃的 陰影。陰影顏色單一，且一般會在同一平面上。因此，對于夜間的道路，與其直接對路面上 色彩不一、形狀各異的三維物體進行定位，不如改為利用物體的陰影來實現定位。這就涉及 到物體和其陰影的分割問題。傳統上，將物體與陰影分離出來的方法主要有顏色不變法、紋 理不變法、區域亮度變化法等。但這些算法一般只適用于某一較理想環境，受攝像頭自動增 益引起的失真、量化失真以及電子噪聲等干擾影響以及場景變化的影響，導致定位準確度 不高。本專利采用基于圖像灰度值的方法進行陰影檢測，即通過設定閾值來檢測陰影，具有 適應性強、計算速度快的優點。物體的陰影檢測出來以后，采用單目定位技術即可實現夜間 物體定位。
[0004] 與以往技術中直接定位物體不同，本發明通過定位物體的陰影來實現夜間物體的 定位，充分利用到了路面的平坦性以及陰影的易識別性。該方法不僅簡單易行、準確度高， 還能實現自動化運行。可以推廣到汽車的夜間路面障礙物定位、機器人夜間行走等方面。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，充分利用路面的平坦 性以及陰影的易識別性來實現夜間物體的精確定位。通過拍攝夜間物體圖片、對圖片進行 預處理、提取物體陰影等步驟得到了夜間物體與相機間的準確距離。本發明采用基于圖像 灰度值的方法進行陰影檢測，即通過設定閾值來檢測陰影。
[0006] 本發明所采用的技術方案是：
[0007] 基于陰影的夜間物體單目定位裝置，包括固定框、放置在地面上的標定板，所述標 定板建立有世界坐標系，所述固定框上安裝有照明燈、攝像機，攝像機連接計算機。
[0008] 基于陰影的夜間物體單目定位方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一：計算攝像機的內參數，建立世界坐標系得到外參數和基礎矩陣；
[0010] 步驟二：測量出攝像機的在地面平面上的投影點C的世界坐標；
[0011] 步驟三：根據定位要求，拍攝圖片；
[0012] 步驟四：對圖片進行線性灰度拉伸變換，利用大津法分割得到圖片中的陰影，最后 利用物體陰影邊緣點數和面積識別，并且分割出物體陰影；
[0013] 步驟五：取出圖片中所需定位物體的點P ;
[0014] 步驟六：計算出取出點P的世界坐標，計算出世界坐標系點P沿地面至攝像機中心 投影點C的距離，其中取出的點P和計算出的距離，分別為定位點和定位距離。
[0015] 通過以上步驟實現物體實時定位。
[0016] 定位裝置啟動前，固定攝像機。在平坦的路面上于攝像機視角范圍內放置一個標 定板，通過攝像機獲取多張含有各個角度的標定板清晰成像的圖片，再運用Matlab中的 toolbox_calib工具箱計算得到攝像機的內參數。
[0017] 選取標定板一個格點為坐標原點0點，建立世界坐標系0ΧΥΖ，其中X軸平行于定位 裝置運動方向，Y軸垂直于定位裝置運動方向，Z軸垂直于路面平面，在后續過程中保持攝 像機的位置不變。測量出攝像機中心投影在路面平面上（C)點的世界坐標（X c，YdO)。
[0018] 對攝像機獲取的圖像分幀處理，分離含有標定板的圖片并保存下來；結合第二步 中建立的世界坐標系，再次利用Matlab中的toolbox_calib工具箱計算出攝像機外參數和 基礎矩陣：
[0019]
[0020] 取走標定板，通過攝像機獲取含有物體的圖片；然后對圖片進行線性灰度拉伸以 增強背景與物體的對比度。
[0021] 在攝像機視角范圍內，運用大津法分割圖片并產生一個二值化的圖片。利用 Matlab中的brareaopen函數對圖像中"縫隙"、"孔洞"進行去除。利用Matlab中的imclose 函數進行閉運算對大區域中的縫隙進行填充，同時平滑邊界。
[0022] 利用Matlab中的bwboundaries函數得到得到元胞數組，其數組中包含所有陰影 邊緣的坐標，并算出每個連通域的邊長和面積。設置合適的邊長閾值和面積閾值得到攝像 機中含有物體的目標物體陰影的邊緣信息。
[0023] 運用Matlab中的max函數找到像素坐標系中橫坐標最大的點，并通過find函數 確定對應點的像素坐標（s，t)。
[0024] 攝像機成像平面像素坐標系與世界坐標系的映射關系為：
[0025]
[0026] 其中u、V是圖像中某一點的像素坐標；P是縮放因子；H是基礎矩陣；Xw、Y w是圖 像中該點對應在傳送帶平面上的世界坐標。
[0027] 根據所求出的物體陰影中在世界坐標系中橫坐標Xp值可計算出攝像機和物體的 水平距離L，即可實現夜間物體的實時定位：
[0028] L = Xp-Xc
[0029] 其中Xc是攝像機中心的在傳送帶平面上的投影點（C)的X軸坐標。
[0030] 本發明一種基于陰影的夜間物體單目定位裝置及方法，與有技術技術相比，有如 下的有益效果：
[0031] 1)、本發明的方法采用單目視覺系統進行平面標定和測距，實現夜間物體的定位。 整個系統只需要一個標定板，一臺計算機和一臺攝像機就可以完成目標產品的定位，避免 了雙目視覺中三維立體匹配的困難。具有環境適應性好、設備簡單，代價較低、測量過程快 捷和測量數據比較客觀的優點。
[0032] 2)、本發明充分利用路面的平坦性以及陰影的易識別性來實現夜間物體定位。與 以往技術中直接定位物體不同，本發明通過定位物體的陰影來實現夜間物體的定位。采用 基于張正友的平面標定方法，并通過數字圖像處理技術實現了在夜間物體的準確定位。該 方法不僅簡單易行、準確度高，還能實現自動化運行。可以推廣到汽車的夜間路面障礙物定 位、機器人夜間行走等方面。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明的整體結構示意圖。
[0034] 圖2為本發明中定位示意圖。
[0035] 圖3為本發明中經過圖像分割后含有物體陰影的圖片。
[0036] 圖4為本發明提取到的物體陰影。
[0037] 圖中：1-照明燈，2-攝像頭，3-物體，4-計算機，5-物體陰影，6-地面，7-固定框， "一"表示裝置運動方向。
【具體實施方式】
[0038] 如圖1所示，基于陰影的夜間物體單目定位裝置，包括固定框7、放置在地面6上的 標定板，所述標定板建立有世界坐標系，所述固定框7上安裝有照明燈1、攝像機2,攝像機 2連接計算機4。
[0039] 如圖2中所示，在地面6內放置有標定板。通過標定板建立世界坐標系，實現精確 定位。
[0040] 基于陰影的夜間物體單目定位方法，包括以下步驟：
[0041] 步驟一：計算攝像機2的內參數，建立世界坐標系得到外參數和基礎矩陣；
[0042] 步驟二：測量出攝像機2的在地面平面上的投影點C的世界坐標；
[0043] 步驟三：根據定位要求，拍攝圖片；
[0044] 步驟四：對圖片進行線性灰度拉伸變換，利用大津法分割得到圖片中