[发明专利]采用参照物高度的监控摄像机外部参数标定方法

说明书

技术领域

本发明属于智能视频监控技术领域，特别涉及在监控环境采用参照物的高度进行摄像机外部参数标定的方法，主要用于视频监控环境下的摄像机外部参数精确标定。

背景技术

随着计算机技术的发展，现代监控系统逐渐面向网络化、智能化、多源化的方向发展。其中，智能视频分析技术作为视频监控系统实现智能化的重要手段已经成为众多高校、公司或科研机构的研究重点。近几年，随着计算机性能的不断提高，智能视频技术被广泛应用于智能交通、楼宇监控、仓库管理等多种室内室外应用环境；监控分析的运动目标包括各类车辆、行人、包裹物体；监控分析的主要功能从交通量数据统计、车辆违章检测，到人员异常行为报警、物品遗留或丢失，等等多种方面。是以图像处理、机器视觉、模式识别等多种视频和图像分析技术为基础，集数据传输技术、控制技术、计算机处理技术等技术相结合的综合应用集成系统。

其中，摄像机标定作为图像理解和机器视觉的重要技术，直接影响到系统对监控环境几何信息的感知是否准确，影响到系统对监控目标的特征包括大小、形状、位置、运动速度等信息的提取是否正确。一个好的智能视频监控系统，应该能够胜任多种应用场所，应该具有一个能够描述通用环境的视觉模型。根据这个视觉模型而建立的摄像机标定方法也应该具有通用性、准确性的特点。

在摄像机标定技术上，国内外工作者已经提出了诸多方法：最早有人提出一种多点拟合法，选择多个标定点进行多次标定，每个标定线段描述了在标定点附近沿距离向的变化速率，这样对标定线组所描述的映射变形曲线进行最小二乘拟合而获得标定结果，但是该方法具有一定的局限性，在三维空间中，如果这个标定是针对距离向而作的，那么高度向上的映射关系仍然是未知的，因此，为了获得三维的信息，同时又要提高精度，标定线的个数就会随着对精度的要求而成倍地增加，增大了系统标定的复杂程度，另外同一个视频中出现大量标定点也会影响对单个标定点有效性的分析；意大利帕尔玛大学的ARGO系统在假定摄像机的内部参数已知的前提下求解外部参数，但是采用了在地面上画一张已知尺寸的网格的方法，利用其交点作为标定点，该方法很明显不利于标定技术的推广；很多实用的系统中，例如NICE系统，采用了地平线倾角标定线和物体变化范围描述矩形，通过设定视场中物体近大远小的变化范围或由远到近的变化情况来回避摄像机标定的问题，但是如果不需要对目标尺寸的精确，计算这种方法显然是快速有效的；西安交通大学的研究人员采用道路面上三条平行线作为标定线的方法确定车载摄像机的外部参数，该方法很明显将标定技术的使用范围限制在了交通标志线清晰的公路上；中科院自动化所的研究人员对标定线段和世界坐标系地平面的映射关系进行了分析，仅用变换矩阵的方法就求解出了世界坐标系地平面两点之间的间距，但是该方法虽然计算精度高，却没有使用到高度信息，只能用作对标定平面的两点间距的测量，并不能做到真正的三维立体测量；南京大学的研究人员采用了多种算法对摄像机内外参数逐一求解，建立了基于消失点的视觉模型并进行了严密推导，但是所依赖的标定手段是采用了公路左右一对的六九标志线，并且该方法只能采用位于世界坐标系地平面上相互平行的标定线段，同样将摄像机标定技术的应用范围限制在了道路标志线清晰丰富的公路上。

在实际应用中，视觉模型的精确和标定方法的限制只是摄像机标定的一个方面。由于摄像机标定是在图像中进行的，图像分辨率本身就影响着标定精确度，带来了不可避免的误差。另外，工作人员标定时选点的误差也会影响到标定结果。因此，需要设计一种能够满足精确的视觉模型，而且使用方便快捷的摄像机标定方法，尽量减少人为误差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用参照物高度的监控摄像机外部参数标定方法，该方法具有面向多种监控环境、设置方式方便快捷和标定测量结果精确等特点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种采用参照物高度的监控摄像机外部参数标定方法，其从透视投影模型出发，根据监控摄像机的安装方式建立世界坐标系；提出了一种在该世界坐标系中加入远消失点和下消失点描述透视投影形变的视觉模型，以及在该视觉模型基础上建立世界坐标系、摄像机坐标系、图像投影坐标系的方式；该方法的组成部份包含如下内容：

a)基于透视投影模型的坐标系建立方法。

b)基于远消失点和下消失点描述透视投影形变的视觉模型。

c)基于上述模型的参照物铅垂高度标定点选取方法。

d)基于参照物铅垂高度的摄像机高度、俯视角、放大系数计算方法。

e)基于参照物铅垂方向的地平线倾角标定工具设计；