一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，該方法根據(jù)視點(diǎn)坐標(biāo)、視線方向以及視頻圖像中某一點(diǎn)的二維坐標(biāo)求出其對應(yīng)的三維坐標(biāo)。目前機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、安全監(jiān)控等領(lǐng)域，通常機(jī)器視覺捕獲到的視頻圖像為二維圖像，如何根據(jù)二維圖像坐標(biāo)點(diǎn)獲得對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)是非常有價(jià)值的一個現(xiàn)實(shí)問題。本發(fā)明主要解決單目機(jī)器視覺在大空間應(yīng)用場景中的簡單、準(zhǔn)確、快速三維坐標(biāo)確定問題，可應(yīng)用于視頻火災(zāi)、煙霧、車輛監(jiān)控的三維坐標(biāo)定位場合。
【專利說明】一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種利用圖像中已知的二維點(diǎn)及其對應(yīng)的三維點(diǎn)的坐標(biāo)來求出其它二維點(diǎn)所對應(yīng)的三維坐標(biāo)的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，該方法根據(jù)視點(diǎn)坐標(biāo)、視線方向以及視頻圖像中某一點(diǎn)的二維坐標(biāo)求出其對應(yīng)的三維坐標(biāo)。目前機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、安全監(jiān)控等領(lǐng)域，通常機(jī)器視覺捕獲到的視頻圖像為二維圖像，如何根據(jù)二維圖像坐標(biāo)點(diǎn)獲得對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)是非常有價(jià)值的一個現(xiàn)實(shí)問題。本發(fā)明主要解決單目機(jī)器視覺在大空間應(yīng)用場景中的簡單、準(zhǔn)確、快速三維坐標(biāo)定標(biāo)問題，可應(yīng)用于視頻火災(zāi)、煙霧、車輛監(jiān)控的三維坐標(biāo)定位場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是對于已知圖像上的二維點(diǎn)求出其所對應(yīng)的三維點(diǎn)，以及視點(diǎn)坐標(biāo)，視線方向然后在空間中實(shí)施一系列的后續(xù)操作。
[0004]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述二維轉(zhuǎn)三維的方法如下含步驟:
[0005]步驟一:給出視點(diǎn)坐標(biāo)及視線方向，已知的二維點(diǎn)及其對應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)；
[0006]步驟二:求出已知點(diǎn)所連成直線上的二維點(diǎn)對應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)
[0007]步驟三:計(jì)算所求點(diǎn)坐標(biāo)，若所求點(diǎn)坐標(biāo)在步驟二中已經(jīng)求出剛返回結(jié)果，否則找出距離所求點(diǎn)最近且已知的二維點(diǎn)，利用步驟二求出所求點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0008]本發(fā)明與已有技術(shù)相比，過程簡單，容易實(shí)現(xiàn)，魯棒性好、求解效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明解決了二維圖片上特定點(diǎn)的三維坐標(biāo)的求值問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1 二維轉(zhuǎn)三維公式推導(dǎo)的示意圖。
[0010]其中O代表視點(diǎn)位置，Pa，Pb代表屏幕上的二維點(diǎn)的坐標(biāo)，Va, Vb代表Pa，Pb所對應(yīng)的三維點(diǎn)的坐標(biāo)，Pt代表所求點(diǎn)的二維坐標(biāo)，Vt代表Pt所對應(yīng)的三維點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0011]圖2程序的設(shè)置視點(diǎn)位置的界面；
[0012]圖3程序設(shè)置角點(diǎn)二，三維坐標(biāo)的界面；
[0013]圖4程序?qū)τ谝恍c(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015]算法可性行的證明:如圖先過Vb點(diǎn)以箭頭所示方向OV為法向量方向作平面交OVa于Ca點(diǎn)，由于法向量垂直于PaPb,同時它也垂直于CaVb,且PaPbCaVb共面，故PaPb平行于CaVb，求出Ct在CaVb上的三維點(diǎn)坐標(biāo)，由于Va，Vb, Ca的三維點(diǎn)坐標(biāo)可知角VaVbCa的大小，由O，Ca，Ct坐標(biāo)已知可得角OCtCa的大小,從而得到VbCtVt角度的大小,對于三角形VbCtVt，可知三個角與一個邊的大小，故可求出VbVt的長度，且VbVa方程已知，故可求出點(diǎn)Vt的坐標(biāo)。對于空間內(nèi)的任一點(diǎn)，若該點(diǎn)已知則直接返回結(jié)果，若該點(diǎn)未知，則尋找距離該點(diǎn)最近的已知三維點(diǎn)的二維點(diǎn)，然后再利用前面所述的方法來求解。
[0016]算法所需參數(shù):
[0017]Pa:圖像上的一個二維點(diǎn)坐標(biāo)
[0018]Pb:圖像上的另一個二維點(diǎn)坐標(biāo)
[0019]Va =Pa所對應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)
[0020]Vb =Pb所對應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)
[0021]O:視點(diǎn)的三維點(diǎn)坐標(biāo)
[0022]0V:視線方向
[0023]Pt:測試點(diǎn)所對應(yīng)的二維點(diǎn)坐標(biāo)
[0024]一些預(yù)備算法:
[0025]①根據(jù)兩點(diǎn)的二維坐標(biāo)求出二維直線方程
[0026]②根據(jù)兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)來求出三維直線方程
[0027]③根據(jù)一個點(diǎn)和法線方向來求出平面方程
[0028]④根據(jù)三點(diǎn)的三維坐標(biāo)來求出三維平面方程
[0029]⑤根據(jù)視點(diǎn)0，直線的兩個端點(diǎn)Va，Vb以及法線方向OV為參數(shù)，先作過Va點(diǎn)且以O(shè)V為法向量的平面，再求出直線VbO與該面的交點(diǎn)
[0030]⑥根據(jù)兩個二維點(diǎn)或者三維點(diǎn)來求出它們之間的距離
[0031]⑦根據(jù)兩個二維點(diǎn)Pa，Pb及其對應(yīng)的三維點(diǎn)Va，Vb來求出所求點(diǎn)Pt的三維點(diǎn)坐標(biāo):若所求點(diǎn)的二維點(diǎn)坐標(biāo)Pt與兩個已知的二維點(diǎn)坐標(biāo)Pa，Pb相同的話直接返回結(jié)果，否則根據(jù)兩條直線PaPb與VaVb平行，得用距離比求得所求三維點(diǎn)坐標(biāo)與一個三維直線端點(diǎn)的距離，即:
[0032]distance(Pa,Pt)/distance(Pa,Pb) = distance(Va,Vt)/distance(Va, Vb)? 然后距離直線VaVb的公式及distance (Va, Vt)求出所求點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0033]算法詳細(xì)步驟:
[0034]㈠先根據(jù)算法③求出作過Va點(diǎn)且以O(shè)V為法向量的平面與直線VbO的交點(diǎn)，若該交點(diǎn)在OVb直線內(nèi)，則去曰，否則去(二)。
[0035]㈡將直線Vb，Va坐標(biāo)互換返回㈠。
[0036]㈢得用算法⑦來求出未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0037]實(shí)際使用
[0038]本算法用在DSP在實(shí)時傳送數(shù)據(jù)的時候經(jīng)檢測到待定點(diǎn)，然后在DSP中求得它的實(shí)際位置再傳入其它設(shè)備以供使用。、
【權(quán)利要求】
1.一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，它根據(jù)視點(diǎn)坐標(biāo)，視線方向以及已知圖像點(diǎn)的二維坐標(biāo)及其對應(yīng)三維坐標(biāo)來求出未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。它包括DSP攝像頭對圖像的采集，坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置，以及二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)三維坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，其特征是:在空間中僅使用一個攝像頭，且該攝像頭的空間位置已知，攝像頭的方向也已知，均可由一個方向向量表示，攝像頭進(jìn)行拍攝的空間沒有太多不規(guī)則曲面的地方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，其特征是:該方法必須將圖像的四個頂點(diǎn)的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)標(biāo)出且要標(biāo)出圖中角點(diǎn)的位置的二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)，二維坐標(biāo)即為在屏幕上的屏幕坐標(biāo)，三維坐標(biāo)即為在空間位置上的空間坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單目機(jī)器視覺中平面坐標(biāo)與空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，其特征是:該方法使用平面幾何及三角形相似的知識先求出所求的二維點(diǎn)Pt最臨近的兩個已經(jīng)三維點(diǎn)的二維點(diǎn)Pa，Pb的位置，再根據(jù)所求的兩個三維點(diǎn)求于平行于屏幕空間的三維點(diǎn)Ca的位置，根據(jù)三角形相似求出二維點(diǎn)Pt在CaVb上的三維點(diǎn)坐標(biāo)Ct，最后根據(jù)三角形的定理求出所求二維點(diǎn)Pt對應(yīng)的三維點(diǎn)。
【文檔編號】G01B11/00GK103471500SQ201310227144
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月5日
【發(fā)明者】謝振平, 楊海峰, 劉淵, 陳麗芳, 魯建飛, 丁學(xué)東, 律睿敏 申請人:江南大學(xué)