基于相機(jī)標(biāo)定的跨相機(jī)場(chǎng)景拼接方法①

武非凡,梁浩翔,宋煥生,賈金明,劉蒞辰

(長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院,西安 710064)

智能交通監(jiān)控系統(tǒng)(ITS)是現(xiàn)代交通體系中不可或缺的一部分[1,2],智能交通監(jiān)控系統(tǒng)伴隨著圖像視頻處理、模式識(shí)別和機(jī)器視覺(jué)等多種技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到城市道路[3]、高速公路[4]、橋梁[5]和隧道[6]等不同場(chǎng)景道路下,其廣泛的應(yīng)有除了與技術(shù)本身發(fā)展有關(guān)外,還與不斷降低的監(jiān)控相機(jī)與處理器成本、豐富的數(shù)據(jù)收集有著密切的關(guān)系.目前,大多數(shù)基于視頻的研究還僅限于單場(chǎng)景下[7,8],但是由于單相機(jī)場(chǎng)景視野小等因素的影響難以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)交通場(chǎng)景進(jìn)行智能監(jiān)控應(yīng)用,本文借助單場(chǎng)景下的相機(jī)標(biāo)定以及場(chǎng)景中相機(jī)的幾何關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的綜合相機(jī)標(biāo)定,并結(jié)合多場(chǎng)景綜合相機(jī)標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)交通場(chǎng)景道路拼接,從而為以后跨相機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

相機(jī)標(biāo)定是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,通過(guò)相機(jī)標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)基于視頻的車輛尺寸測(cè)量[9]、車輛速度監(jiān)測(cè)[10]和車輛空間位置定位等交通參數(shù)信息的獲取.確立相機(jī)標(biāo)定能夠構(gòu)建出圖像平面與真實(shí)物理世界之間的映射關(guān)系[11],該映射關(guān)系的確立來(lái)源于簡(jiǎn)單的相機(jī)針孔模型并被定義為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣和相機(jī)外參數(shù)矩陣.相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣表示了相機(jī)內(nèi)部固有的參數(shù),例如焦距、主點(diǎn)和縱橫比等,而相機(jī)外參數(shù)表示相機(jī)所在坐標(biāo)系與真實(shí)世界坐標(biāo)系所建立的位置關(guān)系參數(shù).近年來(lái),科研工作者提出許多交通場(chǎng)景下的相機(jī)標(biāo)定方法,如嚴(yán)紅平等人[12]依據(jù)道路標(biāo)識(shí)信息提出基于3個(gè)消失點(diǎn)的道路云臺(tái)相機(jī)標(biāo)定方法.Sochor等人[13]基于車輛3D模型提出交通場(chǎng)景的相機(jī)標(biāo)定方法,并依據(jù)該方法實(shí)現(xiàn)車輛速度測(cè)量.

場(chǎng)景拼接[14,15]是將帶有重疊區(qū)域的數(shù)張圖像或相機(jī)場(chǎng)景拼接成一幅完整圖像,其中數(shù)張重貼圖像或場(chǎng)景可以是同一相機(jī)的不同角度拍攝,也可以是不同相機(jī)的相同或不同角度所拍攝,其中研究較為廣泛的是同一相機(jī)的不同角度拍攝的場(chǎng)景拼接,如馬嘉林等人[16]通過(guò)棋盤標(biāo)定實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的拼接.但本文所研究是不同相機(jī)的不同角度拍攝的道路場(chǎng)景拼接,其場(chǎng)景拼接是建立在相機(jī)標(biāo)定基礎(chǔ)上,依據(jù)逆投影思想和平移矢量關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

本文針對(duì)單相機(jī)由于視野和分辨率有限,無(wú)法對(duì)完整道路實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與應(yīng)用,因此通過(guò)基于相機(jī)標(biāo)定的場(chǎng)景拼接方法能夠有效的實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景覆蓋.首先采用基于消失點(diǎn)的相機(jī)標(biāo)定方法分別對(duì)不同相機(jī)場(chǎng)景進(jìn)行標(biāo)定,并建立其子世界坐標(biāo)系關(guān)系,之后依據(jù)公共區(qū)域特征,求解兩個(gè)相機(jī)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)子世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系,最后結(jié)合逆投影思想和平移矢量關(guān)系,將不同相機(jī)下的子世界坐標(biāo)系統(tǒng)一到以第一相機(jī)為基準(zhǔn)的世界坐標(biāo)系中,將場(chǎng)景道路信息融入到世界坐標(biāo)系,生成完整道路全景拼接俯視圖.

1 單場(chǎng)景相機(jī)標(biāo)定

1.1 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定是通過(guò)計(jì)算相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,本質(zhì)上是為了構(gòu)建圖像上的像素信息和世界坐標(biāo)系中物理信息的幾何映射關(guān)系.其中內(nèi)部參數(shù)主要包含焦距、主點(diǎn)、縱橫比和畸變參數(shù)等,表示圖像坐標(biāo)系上像素信息與相機(jī)坐標(biāo)系中的物理信息的投影變換,外部參數(shù)主要包含旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量,表示相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系[17].整個(gè)過(guò)程(假設(shè)世界坐標(biāo)中的一個(gè)點(diǎn)P(x,y,z)到像素坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)p(u,v)的映射)可以通過(guò)式(1)表示:

其中,K表示相機(jī)內(nèi)部參數(shù),R表示旋轉(zhuǎn)矩陣,T表示平移向量,α為比例因子.KRT可通過(guò)H3×4進(jìn)行表示,這里H3×4稱映射矩陣.

1.2 道路場(chǎng)景標(biāo)定模型

道路場(chǎng)景中的監(jiān)控相機(jī)滿足小孔成像模型且其具有自旋角為零、主點(diǎn)位于圖像中心等特點(diǎn).通常情況下,監(jiān)控相機(jī)架設(shè)在道路旁的支柱上,該類支柱等距離等高度分布.依據(jù)監(jiān)控相機(jī)自身屬性和架設(shè)特點(diǎn),建立出合理簡(jiǎn)化的單場(chǎng)景下相機(jī)標(biāo)定模型,如圖1所示,將世界坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在相機(jī)正下方的路面上.YcoZc平面與YwoZw平面均處于平面Ω內(nèi),且平面Ω與道路方向成夾角為θ,Xc軸與Xw軸相互平行且方向一致.

圖1 單場(chǎng)景下相機(jī)標(biāo)定模型

根據(jù)單場(chǎng)景下的相機(jī)標(biāo)定模型,內(nèi)參數(shù)矩陣為:

其中,f為相機(jī)焦距,其單位為像素,(Cx,Cy)為主點(diǎn)位置是已知參數(shù),矩陣表示如式(2)所示.

旋轉(zhuǎn)矩陣R是世界坐標(biāo)系繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)?+π/2,如式(3)所示.因道路上安裝監(jiān)控相機(jī)高度h有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因此平移向量T定義為原點(diǎn)沿著世界坐標(biāo)系的Z軸移動(dòng)h距離至相機(jī)原點(diǎn),可表示為式(4).

在消失點(diǎn)標(biāo)定原理中,兩個(gè)正交方向的消失點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)焦距和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的標(biāo)定,相機(jī)標(biāo)定模型中選擇Y軸方向的消失點(diǎn)vp0(u0,v0)在世界坐標(biāo)系中無(wú)窮遠(yuǎn)處,用齊次坐標(biāo)表示為[0,1,0,0],X軸方向的消失點(diǎn)vp1(u1,v1),用齊次坐標(biāo)表示為[1,0,0,0],將這兩個(gè)點(diǎn)代入式(5)、式(6)可得:

從式(7)可以看出f的確定與消失點(diǎn)vp0(u0,v0)和消失點(diǎn)vp1(u1,v1)有關(guān),如果f可以通過(guò)其他方式確定,則可避免求解垂直道路方向的消失點(diǎn)vp1(u1,v1),只需要通過(guò)計(jì)算俯仰角?、掃視角θ和相機(jī)高度h,就可以實(shí)現(xiàn)單場(chǎng)景下的相機(jī)標(biāo)定.?與θ可以通過(guò)式(8),式(9)獲得,h為已知信息.接下來(lái)則重點(diǎn)說(shuō)明f的計(jì)算過(guò)程.

沿道路方向消失點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)道路上實(shí)線進(jìn)行檢測(cè),從而獲得第一個(gè)方向消失點(diǎn)vp0(u0,v0),如圖2所示,但是垂直道路方向因不存在標(biāo)志線,難以獲取該方向消失點(diǎn),因而采用沿道路方向一段實(shí)際物理標(biāo)志線長(zhǎng)度l來(lái)解決該方向消失點(diǎn)難以提取的情況.如圖3所示,實(shí)線長(zhǎng)度l可以選擇道路上一段虛線或其它線段長(zhǎng)短,將線段前段點(diǎn)(·,yf,0)投影到圖像上的坐標(biāo)是(·,yf),同時(shí)將線段后端點(diǎn)(·,yb,0)投影到圖像上的坐標(biāo)為(·,yb),其中yf、yb之間滿足yb=yf+lcosθ,之后通過(guò)將該式及線段上的兩組點(diǎn)代入式(5)和式(6)可以得出如下關(guān)系式:

圖2 沿車道方向消失點(diǎn)的確定

圖3 世界坐標(biāo)系中的線段示意圖

通過(guò)式(8)和式(9)得出:

將式(10)代入式(11)可得式(12),通過(guò)解該方程即可求解出焦距值f,并依據(jù)場(chǎng)景信息匹配排除錯(cuò)誤焦距值.通過(guò)道路方向消失點(diǎn)vp0、道路線段長(zhǎng)度l和相機(jī)高度h即可完成單場(chǎng)景下的相機(jī)標(biāo)定.

2 道路場(chǎng)景拼接

2.1 相機(jī)間旋轉(zhuǎn)與平移

本章節(jié)的目的是依據(jù)不同相機(jī)下提取的相同特征信息來(lái)尋求最佳匹配關(guān)系,為完成場(chǎng)景道路拼接奠定基礎(chǔ).待拼接的圖像或待拼接圖像的子世界坐標(biāo)系之間存在旋轉(zhuǎn)、平移在內(nèi)的多種變換關(guān)系,該部分就是求解待拼接圖像的子世界坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系.

在交通監(jiān)控場(chǎng)景下,針對(duì)同一空間位置點(diǎn)在相機(jī)視野1中處于較近和清晰位置,在相機(jī)視野2中處于較遠(yuǎn)和模糊位置,通過(guò)特征點(diǎn)匹配無(wú)法實(shí)現(xiàn)位置匹配,本文設(shè)計(jì)在兩個(gè)重疊視野里放置不少于4個(gè)圓形標(biāo)志點(diǎn)(假設(shè)兩個(gè)相機(jī)視野之間存在少量重疊區(qū)域),人工選取標(biāo)志點(diǎn)中心,通過(guò)單場(chǎng)景相機(jī)標(biāo)定獲取其在相機(jī)1所在子世界坐標(biāo)系坐標(biāo)P1i(x1i,y1i,z1i),該子坐標(biāo)系稱作參考坐標(biāo)系,參考坐標(biāo)系表示其他子世界坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)平移的映射變換可以變換到該參考坐標(biāo)系上.相機(jī)2中標(biāo)志點(diǎn)中心在子世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為P2i(x2i,y2i,z2i),該坐標(biāo)系稱作非參考坐標(biāo)系,因此參考坐標(biāo)系和非參考坐標(biāo)系之間可用式(13)表示:

其中,M表示4×4的投影變換矩陣,r是3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣,表示非參考坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣r可以與參考系坐標(biāo)系X軸、Y軸和Z軸方向保持一致.t是3×1的平移矩陣,表示非參考坐標(biāo)系原點(diǎn)經(jīng)過(guò)平移矩陣可以與參考坐標(biāo)系原點(diǎn)重合.通過(guò)上面的變換關(guān)系式(13),將n組坐標(biāo)點(diǎn)代入,之后通過(guò)最小二乘法可以求解出該投影變換矩陣M.到此該部分建立起了兩個(gè)子世界坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系,結(jié)合單場(chǎng)景的相機(jī)標(biāo)定,構(gòu)建出多相機(jī)視野和同一個(gè)世界坐標(biāo)系的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中統(tǒng)一世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)與參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)相同.

2.2 帶有真實(shí)物理信息的場(chǎng)景拼接

在交通監(jiān)控場(chǎng)景中,監(jiān)控相機(jī)架設(shè)在道路旁,相機(jī)視野覆蓋監(jiān)控道路,如圖4(a),由于存在透視變換,導(dǎo)致道路在視野中呈現(xiàn)出近處場(chǎng)景道路寬遠(yuǎn)處場(chǎng)景道路窄的變化,顯然通過(guò)現(xiàn)有拼接技術(shù)難以直接對(duì)不同相機(jī)所在道路進(jìn)行拼接,因此本文通過(guò)逆投影思想對(duì)道路進(jìn)行含有物理信息的場(chǎng)景道路拼接,拼接模擬示意圖如圖4(b)所示,將場(chǎng)景以俯視圖的方式計(jì)算在在一個(gè)坐標(biāo)系中,其中俯視圖中任何位置可表示真實(shí)場(chǎng)景物理信息.

圖4 道路場(chǎng)景拼接模擬示意圖

在2.1節(jié)中我們建立起了不同相機(jī)視野和統(tǒng)一世界坐標(biāo)系的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,也就是說(shuō)不同相機(jī)視野中的點(diǎn)在統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系中能夠找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn),這樣能將圖像信息變換到世界坐標(biāo)系中,從而結(jié)合逆投影思想和平移矢量完成帶有物理信息的道路場(chǎng)景拼接.逆投影思想方法具體流程如下.

Step 1.構(gòu)建一個(gè)容納兩個(gè)場(chǎng)景的世界坐標(biāo)系W1,從世界坐標(biāo)系W1原點(diǎn)開始向X軸、Y軸方向以cm級(jí)步階獲取世界坐標(biāo)點(diǎn)(因?qū)Φ缆穲?chǎng)景拼接因而始終世界坐標(biāo)系Z=0),記為(xi,yi,0).

Step 2.因統(tǒng)一世界坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系原點(diǎn)、方向一致,所以兩個(gè)坐標(biāo)系之間變換矩陣為單位矩陣E,因此將該世界坐標(biāo)點(diǎn)(xi,yi,0)通過(guò)相機(jī)標(biāo)定,結(jié)合式(14)計(jì)算出其在相機(jī)視野1(參考坐標(biāo)系所在視野)的位置(ui,vi),獲取相機(jī)視野(ui,vi)的像素值,將該像素值放入統(tǒng)一世界坐標(biāo)系W2的(xi,yi,0)位置,整個(gè)過(guò)程如圖5,依次經(jīng)過(guò)該過(guò)程,直到相機(jī)視野1中的道路信息全部放入世界坐標(biāo)系W2中.

Step 3.對(duì)于相機(jī)視野2,因統(tǒng)一世界坐標(biāo)系與非參考坐標(biāo)系存在位置和方向上的差別,因此通過(guò)2.1節(jié)中所求得的透視變換M,同樣將世界坐標(biāo)點(diǎn)(xi,yi,0)通過(guò)相機(jī)標(biāo)定,結(jié)合式(15)計(jì)算出其在相機(jī)視野2(非參考坐標(biāo)系所在視野)的位置(ui,vi),獲取相機(jī)視野(ui,vi)的像素值,將該像素值放入統(tǒng)一世界坐標(biāo)系W2的(xi,yi,0)位置,對(duì)于部分世界坐標(biāo)系中的位置不在相機(jī)視野范圍內(nèi)可將像素信息記為0.

圖5 像素信息獲取示意圖

到此為止如果對(duì)于相機(jī)視野2整體采用世界坐標(biāo)系到圖像(獲取像素信息)再到世界坐標(biāo)系的思想完成道路場(chǎng)景拼接是不準(zhǔn)確的,這樣對(duì)相機(jī)視野2遠(yuǎn)處視野是存在巨大誤差的,拼接結(jié)果也是大打折扣.誤差體現(xiàn)在求解兩個(gè)子世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)平移矩陣M時(shí),依據(jù)的是重疊區(qū)域中公共特征,這是一種局部最優(yōu)的解決方式,也就是說(shuō)在相機(jī)2中公共特征處透視變換M是非常準(zhǔn)確的,但是公共特征只存在視野下方(近處),那么對(duì)于上方(視野遠(yuǎn)處)通過(guò)透視變換M誤差就會(huì)產(chǎn)生,并且會(huì)伴隨視野變遠(yuǎn)誤差會(huì)越來(lái)越大.針對(duì)上述誤差,提出一種平移矢量思想:

Step 1.求取相機(jī)場(chǎng)景2中多個(gè)圓標(biāo)志物中心點(diǎn)在該子世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo),記為(X2i,Y2i,0),并通過(guò)式(16)和式(17)求解多個(gè)標(biāo)志物的中心坐標(biāo)為其中n表示標(biāo)志物的個(gè)數(shù).

Step 2.通過(guò)透視變換M求取在相機(jī)場(chǎng)景1下子世界坐標(biāo)下的坐標(biāo)之后求解?X=

Step 3.如此在統(tǒng)一世界坐標(biāo)系W1對(duì)相機(jī)場(chǎng)景2遠(yuǎn)處進(jìn)行拼接時(shí),可對(duì)W1中(xi,yi,0)進(jìn)行矢量偏移計(jì)算得(xi??X,yi??Y,0),這樣結(jié)合式(15)計(jì)算出其在相機(jī)視野2(非參考坐標(biāo)系所在視野)的位置(ui,vi),獲取相機(jī)視野(ui,vi)的像素值,將該像素值放入統(tǒng)一世界坐標(biāo)系W2的(xi,yi,0)位置.

最終能夠?qū)蓚€(gè)相機(jī)的道路信息都準(zhǔn)確無(wú)誤的放入到統(tǒng)一世界坐標(biāo)系W2中,完成含有物理信息的道路場(chǎng)景拼接,該物理信息是圖像上的像素點(diǎn)在空間位置的映射即跨區(qū)域的相機(jī)標(biāo)定.

對(duì)于在場(chǎng)景拼接的邊界處常會(huì)出現(xiàn)因像素信息突然過(guò)渡而出現(xiàn)明顯的拼接縫,可采用圖像融合技術(shù)進(jìn)行處理,常用的方法有加權(quán)平均法、多尺度變換法和多分辨分析等方法.本文采用加權(quán)平均算法處理拼接縫問(wèn)題,對(duì)拼接重疊區(qū)域中像素信息值F由相機(jī)視野1對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素信息值F1與相機(jī)視野2對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素信息值F2進(jìn)行加權(quán)平均,即F=αF1+(1?α)F2,其中α是可調(diào)因子,0<α<1,重疊區(qū)域從一邊到另一邊α由1漸變?yōu)?,從而實(shí)現(xiàn)重疊區(qū)域的平滑拼接.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文提出的方法本質(zhì)上是通過(guò)對(duì)兩個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景的標(biāo)定和投影變換來(lái)實(shí)現(xiàn)跨相機(jī)的標(biāo)定和道路場(chǎng)景拼接.為了評(píng)價(jià)本文提出的方法的可靠性和有效性,在實(shí)際監(jiān)控場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,選擇道路中存在重疊區(qū)域的兩個(gè)監(jiān)控相機(jī)并對(duì)其圖像信息進(jìn)行采集,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)試選在Windows 10系統(tǒng)的Visual Studio 2015開發(fā)平臺(tái)上.實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)環(huán)節(jié),在3.1對(duì)單相機(jī)的標(biāo)定做了誤差分析,在章節(jié)3.2對(duì)雙相機(jī)的距離標(biāo)定和拼接結(jié)果做了評(píng)價(jià).

3.1 單相機(jī)標(biāo)定誤差分析

針對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景1和監(jiān)控場(chǎng)景2,如圖6所示,分別對(duì)這兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行單相機(jī)標(biāo)定,因兩個(gè)場(chǎng)景標(biāo)定方法相同,現(xiàn)以監(jiān)控場(chǎng)景1為例進(jìn)行說(shuō)明,通過(guò)章節(jié)1可知,要完成單場(chǎng)景的相機(jī)標(biāo)定,需要知道沿道路方向消失點(diǎn)vp0(u0,v0),相機(jī)高度h和道路方向一段實(shí)際物理標(biāo)志線長(zhǎng)度l,因此對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景1相機(jī)高度進(jìn)行測(cè)量,獲得其相機(jī)高度h為6.18 m,同時(shí)選取沿道路方向上黃色標(biāo)志實(shí)線l,根據(jù)中國(guó)交通部發(fā)布的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,可以了解到二級(jí)及以下公路虛線長(zhǎng)度滿足“長(zhǎng)2空4”,即黃色實(shí)線部分長(zhǎng)2米,空白部分長(zhǎng)4米,因此該黃色標(biāo)志線長(zhǎng)度應(yīng)該為2米,為保證實(shí)驗(yàn)精度,筆者也對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,實(shí)際長(zhǎng)度為2.05米,對(duì)該場(chǎng)景下道路方向消失點(diǎn)vp0(u0,v0)采用圖2消失點(diǎn)確定過(guò)程進(jìn)行確定,之后結(jié)合1.2節(jié)算法思想對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行標(biāo)定.

圖6 不同相機(jī)監(jiān)控場(chǎng)景示意圖

為驗(yàn)證對(duì)該單場(chǎng)景標(biāo)定的準(zhǔn)確性,本文通過(guò)標(biāo)定方式對(duì)場(chǎng)景中的線段標(biāo)志和道路寬度總計(jì)12條線段進(jìn)行計(jì)算.并與場(chǎng)景中實(shí)際線段標(biāo)志和道路寬度尺寸做對(duì)比,其中表1為相機(jī)1場(chǎng)景標(biāo)定結(jié)果與真實(shí)尺寸的數(shù)據(jù)對(duì)比,表2為相機(jī)2場(chǎng)景標(biāo)定結(jié)果與真實(shí)尺寸的數(shù)據(jù)對(duì)比,數(shù)據(jù)誤差w為對(duì)應(yīng)線段標(biāo)定值s?與真實(shí)線段s差值得w=s?,線段標(biāo)定誤差為e=|s?s?|/s,對(duì)兩個(gè)場(chǎng)景所有線段的標(biāo)定精度求和除以標(biāo)定線段總數(shù)得到算法標(biāo)定平均誤差.對(duì)不同場(chǎng)景下進(jìn)行單場(chǎng)景相機(jī)標(biāo)定,通過(guò)表1 (線段號(hào)1–6)和表2 (線段號(hào)1–6)發(fā)現(xiàn)近處視野標(biāo)定誤誤差大約在2.8%左右,表1 (線段號(hào)7–12)和表2 (線段號(hào)7–12)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處視野標(biāo)定誤差大約在3.1%左右,對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在近場(chǎng)景下相機(jī)標(biāo)定誤差較小,遠(yuǎn)處誤差略微增大,通過(guò)兩個(gè)表格求取平均誤差為3.0%,說(shuō)明本文單場(chǎng)景下標(biāo)定精度較高,能夠滿足較好的應(yīng)用需求.

表1 場(chǎng)景1下線段標(biāo)定與測(cè)量值對(duì)比及分析

表2 場(chǎng)景2下線段標(biāo)定與測(cè)量值對(duì)比及分析

3.2 場(chǎng)景拼接誤差分析

對(duì)圖6中兩個(gè)相機(jī)單場(chǎng)景相機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上,結(jié)合2.1節(jié)的子世界坐標(biāo)系之間投影變化的求解和2.2節(jié)帶有真實(shí)物理信息的場(chǎng)景拼接,完成了整個(gè)多相機(jī)視野的道路拼接工作.本文道路場(chǎng)景拼接通過(guò)遍歷思想完成統(tǒng)一世界坐標(biāo)系中每一個(gè)點(diǎn)與圖像道路像素信息的匹配,從而構(gòu)建出帶有道路信息的世界坐標(biāo)系,試驗(yàn)中完成了相機(jī)場(chǎng)景1與相機(jī)場(chǎng)景2的道路拼接,其拼接結(jié)果如圖7所示.

圖7 兩個(gè)場(chǎng)景下的道路場(chǎng)景拼接

本文多場(chǎng)景下的拼接是含有道路物理信息的特殊拼接,物理信息是指拼接出的全景示意圖所有像素的所在位置帶有真實(shí)物理尺寸信息,即拼接圖中任意兩點(diǎn)之間的像素距離就是實(shí)際距離,單位為厘米.在全景示意圖中選了5段距離,如圖8所示,通過(guò)人工實(shí)際測(cè)量值和系統(tǒng)處理結(jié)果做對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖9所示.通過(guò)圖表發(fā)現(xiàn)該方法能夠較好的實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域道路測(cè)量,為實(shí)際應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ).

圖8 全景圖中線段選取

圖9 跨區(qū)域線段測(cè)量與對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于相機(jī)標(biāo)定的跨相機(jī)場(chǎng)景拼接方法,該方法結(jié)合單相機(jī)標(biāo)定和空間透視變換完成多相機(jī)標(biāo)定工作,從而進(jìn)一步結(jié)合逆投影思想和平移矢量思想實(shí)現(xiàn)了含有物理信息的道路場(chǎng)景拼接.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠較好的實(shí)現(xiàn)道路場(chǎng)景拼接和跨區(qū)域道路物理測(cè)量,從而為今后更多實(shí)際應(yīng)用和理論研究奠定基礎(chǔ).在未來(lái)研究工作中,一方面本文主要針對(duì)兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行場(chǎng)景道路拼接,往后可通過(guò)3個(gè)相機(jī)或更多相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直道甚至彎道的拼接工作,另外一方面在該拼接方法的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的車輛空間位置、車輛速度和交通事件監(jiān)測(cè)等應(yīng)用.