单摄像头下三维场景中的目标尺寸测量
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计 算机 系 统应 用 ＩＳＳＮ １００３．３２５４，ＣＯＤＥＮ ＣＳＡＯＢＮ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１８，２７（２）：１７５—１７９【ｄｏｉ：１０．１５８８８￣．ｃｎｋｉ．ｃｓａ．００６１７４］ ＠中国科 学院 软件 研 究所版 权所 有 ．
Ｅ—ｍａ① 收 稿时 间 ：２０１７—０４．２４；修改 时 间：２０１７—０５．１ １：采用 时 间：２０１７—０５．１６
Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ·Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 软 件技 术·算法 １ ７５
计 算 机 系 统 Ｊ、 用
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．Ｃｌｌ
引用 格式 ：黄 百 川，蔡栩 沂，丁楚 江，徐涵 ．单 摄像 头下 三 维场景 中 的 目标 尺寸 测量 ．计 算机 系统 应用 ，２Ｏｌ ８，２７（２）：ｌ７５—１７９．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ—Ｓ—
ａ．ｏｒｇ．ｃｎ／１００３·３２５４／６１７４．ｈｔｍｌ
Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｚｅ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｃｅｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｍ ｅｒａ
ＨＵＡ ＮＧ Ｂａｉ—Ｃｈｕａｎ，ＣＡＩ Ｘｕ—Ｙｉ，ＤＩＮ Ｇ Ｃｈｕ－Ｊｉａｎｇ，ＸＵ Ｈａｎ （Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｍ ｏｄｅｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｂ，Ｗ ｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍ ｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃｅｎｅ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｍ ｅｒａ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｕｓｅｓ ａ ｔｈｒｅｅ— ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ ＯＯ ’．Ａ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｎｌａｒｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗ ｈｉｃｈ ｉｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｍ ｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ３Ｂ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ Ｒ ａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ Ｃａｍ ｅｒａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＯＯ ’ ｉｍ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｅｘｔｅｎｄｓ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｓｉｍ ｐｌｅ ｙｅｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｍ ｏｒｅ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ａｎｄ ｓｔｅａｄｉｌｙ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ ｃａｍ ｅｒａ；ｔｈｒｅｅ－－ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃｅｎｅ；ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ；ｔｈｒｅｅ·－ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉ ３Ｂ
摘 要：为 了实现单摄像 头监控 下 的三维场景 中 目标的尺寸测量，本文基 于树 莓派 ３代 Ｂ型视 频数据 采集设备，利 用三维距离 函数进行测距 并修 改了三维距离函数 中光轴参数 ＯＯ’的选择过程，减 小了测距 中距离 的数据误差 ．针对 传 统三维距 离函数模型 的平面局 限性即测量 目标部分跳 出监控 区域 地面的情况，提 出了一种扩大测量 范围的方法， 将 测量延伸至垂直面实现 了单 目视 觉下三维场景的 目标尺寸测量，实验结果表 明，本文给 出的算法扩大 了固定单摄 像 头下测量 的范 围，提高 了测量精度 ． 关键词：单摄像头；三维场景；尺寸测量；三维距 离函数 ；树莓派 ３代 Ｂ型
１ 概述
实现 三维场景 中 目标 的尺寸 测量 的前提 是获得 目 标到达摄像 头的距离，即测距，而 测距分为主动 式测距 和被 动 式测 距 ．主动 测距 技 术主 要包 括超 声 波测 距 、 雷达 测距 、激光 测距等 ，此 测距 技术 大都 需要发射 辅 助设备．近年来，激 光雷达传感器 因其全方位视 角和高 分辨 率 的优 点而 兴起，越来 越 多的被应 用于 自动 驾驶 领域，但 其技术垄断，价格 昂贵．
被动 式 测距 中利用 视 觉信 号 测距 ，相 对 于激 光 、
雷 达和超 声波 等传感 器，具有探测 范 围宽 、 目标信 息 完 整 、价 格相对 便 宜，而 且更符 合人 的认知 习惯等优 势…．这 其 中主 要包含双 目测距 ＿２ Ｊ和 单 目测 距．双 目测 距 是基于双 目视差 的原 理，可 实现高精度 远距离测距 ， 特别适用 于设备测距、航空 目标测距ｐｊ．双 目测距 需要 用 到常见的 Ｔｓａｉ的两步法和 Ｚｈａｎｇ的平面 法＿４ 来进行 标 定求得摄像机 内外部参数进行精确 的立体 匹配【５］，且 对 于一些特 殊约束 条件有 很 高的要 求【６］，故其 成本 高， 计算量大 ，技术难度 高．单 目视觉测量 是其他视觉测量
ｈｔｔｐ ？ｈＷｗｗ ．ｃ－Ｓ－ａ．ｏｒｇ．ｃａ Ｔｅｌ：＋８６．１０—６２６６１０４１
单摄像头 下三维场 景 中的 目标 尺寸测量①
黄百川，蔡栩 沂，丁楚江，徐 涵
（武 汉 大 学 信 号 处 理 研 究 室 ，武 汉 ４３００００） 通 讯 作 者 ：黄 百 川 ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｂａｉｃｈｕａｎ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃａ
Ｅ—ｍａ① 收 稿时 间 ：２０１７—０４．２４；修改 时 间：２０１７—０５．１ １：采用 时 间：２０１７—０５．１６
Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ·Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 软 件技 术·算法 １ ７５
计 算 机 系 统 Ｊ、 用
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．Ｃｌｌ
引用 格式 ：黄 百 川，蔡栩 沂，丁楚 江，徐涵 ．单 摄像 头下 三 维场景 中 的 目标 尺寸 测量 ．计 算机 系统 应用 ，２Ｏｌ ８，２７（２）：ｌ７５—１７９．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ—Ｓ—
ａ．ｏｒｇ．ｃｎ／１００３·３２５４／６１７４．ｈｔｍｌ
Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｚｅ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｃｅｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｍ ｅｒａ
ＨＵＡ ＮＧ Ｂａｉ—Ｃｈｕａｎ，ＣＡＩ Ｘｕ—Ｙｉ，ＤＩＮ Ｇ Ｃｈｕ－Ｊｉａｎｇ，ＸＵ Ｈａｎ （Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｍ ｏｄｅｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｂ，Ｗ ｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍ ｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃｅｎｅ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｍ ｅｒａ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｕｓｅｓ ａ ｔｈｒｅｅ— ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ ＯＯ ’．Ａ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｎｌａｒｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗ ｈｉｃｈ ｉｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｍ ｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ３Ｂ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ Ｒ ａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ Ｃａｍ ｅｒａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＯＯ ’ ｉｍ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｅｘｔｅｎｄｓ ｔｈｅ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｓｉｍ ｐｌｅ ｙｅｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｍ ｏｒｅ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ａｎｄ ｓｔｅａｄｉｌｙ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ ｃａｍ ｅｒａ；ｔｈｒｅｅ－－ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃｅｎｅ；ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎ ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ；ｔｈｒｅｅ·－ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉ ３Ｂ
摘 要：为 了实现单摄像 头监控 下 的三维场景 中 目标的尺寸测量，本文基 于树 莓派 ３代 Ｂ型视 频数据 采集设备，利 用三维距离 函数进行测距 并修 改了三维距离函数 中光轴参数 ＯＯ’的选择过程，减 小了测距 中距离 的数据误差 ．针对 传 统三维距 离函数模型 的平面局 限性即测量 目标部分跳 出监控 区域 地面的情况，提 出了一种扩大测量 范围的方法， 将 测量延伸至垂直面实现 了单 目视 觉下三维场景的 目标尺寸测量，实验结果表 明，本文给 出的算法扩大 了固定单摄 像 头下测量 的范 围，提高 了测量精度 ． 关键词：单摄像头；三维场景；尺寸测量；三维距 离函数 ；树莓派 ３代 Ｂ型
１ 概述
实现 三维场景 中 目标 的尺寸 测量 的前提 是获得 目 标到达摄像 头的距离，即测距，而 测距分为主动 式测距 和被 动 式测 距 ．主动 测距 技 术主 要包 括超 声 波测 距 、 雷达 测距 、激光 测距等 ，此 测距 技术 大都 需要发射 辅 助设备．近年来，激 光雷达传感器 因其全方位视 角和高 分辨 率 的优 点而 兴起，越来 越 多的被应 用于 自动 驾驶 领域，但 其技术垄断，价格 昂贵．
被动 式 测距 中利用 视 觉信 号 测距 ，相 对 于激 光 、
雷 达和超 声波 等传感 器，具有探测 范 围宽 、 目标信 息 完 整 、价 格相对 便 宜，而 且更符 合人 的认知 习惯等优 势…．这 其 中主 要包含双 目测距 ＿２ Ｊ和 单 目测 距．双 目测 距 是基于双 目视差 的原 理，可 实现高精度 远距离测距 ， 特别适用 于设备测距、航空 目标测距ｐｊ．双 目测距 需要 用 到常见的 Ｔｓａｉ的两步法和 Ｚｈａｎｇ的平面 法＿４ 来进行 标 定求得摄像机 内外部参数进行精确 的立体 匹配【５］，且 对 于一些特 殊约束 条件有 很 高的要 求【６］，故其 成本 高， 计算量大 ，技术难度 高．单 目视觉测量 是其他视觉测量
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单摄像头 下三维场 景 中的 目标 尺寸测量①
黄百川，蔡栩 沂，丁楚江，徐 涵
（武 汉 大 学 信 号 处 理 研 究 室 ，武 汉 ４３００００） 通 讯 作 者 ：黄 百 川 ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｂａｉｃｈｕａｎ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃａ