[发明专利]一种单目相机测量目标位置数据，拍摄角度和相机视角的方法

说明书

本发明公开了一种单目相机测量目标位置数据，拍摄角度和相机视角的方法。本方法使用单个摄像机，在已知目标物体大小的前提下，能够测量相机与目标之间的距离，能够测量目标上任意一点与相机的相对位置(在指定的三维坐标系中在X轴，Y轴以及Z轴上的分量)；可以根据照片中任何一点的位置求得其在目标物体中的实际位置，或者根据目标物体中任何一点的位置求得其在照片中的位置；能够测量相机的拍摄角度(在指定的三维坐标系中拍摄方向分别与X轴，Y轴以及Z轴之间的夹角)；能够测量出相机的视角或者焦距。

技术领域

本发明涉及一种单目相机测量目标位置数据，拍摄角度和相机视角的方法，属于计算机视觉领域。

背景技术

目前与本发明最为接近的技术是单目测距技术，该技术在已知目标的实际大小的前提下，可以用单个相机测量相机与目标之间的距离。但是这种单目测距具有非常大的局限性：(1)如果我们称测量目标的实际大小的方向为线段A，称相机与目标之间的连线为线段B，则线段B必须与线段A垂直，并且线段B必须通过线段A的中点。如果做不到这点，则测量将会产生误差。(2)必须事先知道相机的视角或者焦距。对于这一点，在实践中通常有两种方法来解决：第一种方法是事先拍一张照片，并测得相机与目标之间的距离，这样来计算相机的视角或者焦距；第二种方法是直接读出相机的内部参数。但是这两种方法都会产生一定的误差，在实践中第二种方法产生的误差通常比第一种方法更大。

换个角度来说，目前的单目测距技术有以下的局限性：(1)在满足上述条件的情况下，测量会产生比较大的误差。(实践中这种误差大概在2-5％左右)。(2)在很多的应用中，我们并不能满足这两个要求，比如第一个要求，举个例子，当我们拍摄一个网球场时，如果我们要求拍摄方向必须与网球场所在的平面垂直(无论是否要求通过球场的中心点)，则这个要求太高了；对于第二个要求，在很多应用中也不能满足，比如使用变焦实时抓拍目标物体；有些情况下，我们甚至不知道照片是用什么样的相机拍摄的。

单目测距还具有其它方面更大的局限性：单目测距仅能测出相机与目标之间的距离，但是在很多应用中，目标物体并不是一个点(或者一条线)，而是一个比较大的立体的物体，我们可能需要获得物体上任何一点与相机的相对位置，或者获得物体上任何一点在照片中的位置，或者根据照片中任何一点的位置确定它在目标物体上的位置，对于这些需求，上述的单目测距方法是无能为力的；在很多应用中，我们需要知道相机的拍摄角度，或者需要相机的视角大小，这些对于我们进一步分析和计算是很重要的数据，对于这些需求，上述的单目测距方法同样是无能为力的。

发明内容

本发明涉及一种新的测量方法，它与单目测距方法一样有以下的两个前提：一是已知目标的实际大小，二是使用单个相机进行测量。但是本方法没有单目测距方法的上述的局限性，也就是说：(1)本方法不仅能测量相机与目标之间的距离，而且能测量目标上任意一点与相机的相对位置(在指定的三维坐标系中在X轴，Y轴以及Z轴上的分量)；可以根据照片中任何一点的位置求得其在目标物体中的实际位置，或者根据目标物体中任何一点的位置求得其在照片中的位置；(2)使用本方法，相机的拍摄角度是任意的，并且本方法能够测量相机的拍摄角度(在指定的三维坐标系中拍摄方向分别绕X轴，Y轴以及Z轴旋转的角度)；(3)本方法不需要知道相机的视角或者焦距，并且能够测量出相机的视角或者焦距；

具体实施方式

在不知道相机的视角或者焦距的情况下，本方法需要事先知道目标上4个点的相对位置，这4个点必须没有任何3个点共线，并且满足以下的条件：这4个点共面，或者这4个点不共面，但是知道其中一个点与另外3个点所在平面之间的距离h；在已知相机的视角或者焦距的情况下，本方法需要事先知道目标上3个点的相对位置，并且这3个点必须不在一条直线上。下面先说明第一种情况下的步骤，然后再说明第二种情况下的步骤。