一种基于单张图像测量长方体体积的方法

1.本发明涉及尺寸测量技术领域，具体为一种基于单张图像测量长方体体积的方法。


背景技术：

2.长方体物体在日常生活中十分常见，比如物流电商企业每天都需要处理的快递包裹，这些包裹在入库、出库的时候，需要采集长宽高、体积、重量等数据信息，相比包裹质量，其体积更难准确获取。用深度相机和双目相机测量体积的方法成本较高，基于此，本发明设计了一种基于单张图像测量长方体体积的方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于单张图像测量长方体体积的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单张图像测量长方体体积的方法，包括如下步骤:
5.s1:将单目相机固定并拍摄一张标定板的图像，得出该位姿下相机相对标定板的平移向量，进而算出单目相机相机坐标系原点的离地高度；
6.s2:拍摄包含所述长方体的一个下顶点及所对应的长、宽、高三条边的图像，拾取涉及的长方体四个顶点的像素坐标；
7.s3:结合单目相机的内参、离地高度、以及长方体四个顶点像素坐标，利用几何知识计算出长方体长、宽、高，进而求得长方体体积。
8.优选的，s1中，利用pnp算法得到单目相机相对于标定板的平移向量t，由于建立在标定板上的世界坐标系的z轴垂直于水平地面向上，t向量的z轴分量代表相机坐标系原点相对于标定板上表面的高度h1，再加上标定板的厚度h2，即可得到相机坐标系原点的离地高度h。
9.优选的，s3中采用单目相机拍摄包含长方体的图像时，单目相机的镜头需要自s2时保持固定不动，拍摄到长方体的下顶点及其对应的长、宽、高三条边的完整图像，并手动拾取对应四个顶点m0、m1、m2、m3在成像平面上的像素坐标m0、m1、m2、m3。
10.优选的，s3中，结合单目相机的内参、离地高度h、以及四个顶点像素坐标，利用离地高度h抵消单目相机拍摄图像所带来的尺度不确定性问题，通过几何知识计算出长方体三边长，并求得长方体体积。
11.优选的，s3具体还包括：
12.s31:设世界坐标系原点与长方体的下顶点m0重合，x、y、z轴分别沿着长方体下顶点对应的三边按照右手定则建立；
13.s32:利用s2确定的m0、m1、m2、m3的像素坐标m0、m1、m2、m3计算出成像平面内长方体三条边的投影线m0m1、m0m2、m0m3的直线li(i＝1,2,3)方程，在相机坐标系下，求出长方
体三条边的投影面(δom0m1、δom0m2、δom0m3)方程，进而求得投影面的法向量ni(i＝1,2,3)；
14.s33:根据长方体下顶点m0的像素坐标m0，确定相机坐标系相对于建立在长方体上的世界坐标系的平移向量t的方向，单目相机的尺度不确定性在给了一个h后即被抵消，记在z轴分量为可求得：
15.s34:根据向量的几何关系，求得三个投影面的二面角cosφ
ij
(i≠j；i,j＝1,2,3)，由于长方体三边向量互相垂直且位于各自投影平面内，根据几何关系可以计算出与各自投影面中向量与各自投影面中向量的夹角θi(i＝1,2,3)，向量向绕投影面法向量旋转θ1得到向量可以计算出向量同理可以计算出向量的方向；
16.s35:在δom0m1中，由于长度和方向已知，的方向已知，可求得：m0m1，同理可求出m0m2、m0m3，即长方体三边的真实长度。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明只需要单张图片来实现，而且在开始阶段计算出相机的离地高度h即可完成后续的多次测量，再运用几何知识实现了采用单目相机在固定的场景下能够测量放置在水平地面上的长方体体积，其主要优势在于成本低、对计算设备的运算能力要求低，且易于实现；在一般场景中，长方体物体的体积测量需求是比较大的，本发明即解决了此类问题，大大降低了测量成本，
18.进一步地，对于市场上的基于双目相机的体积测量设备，由于受限于双目的测量原理，其误差通常在厘米级，而本发明的方法中通过几何知识算出的长方体边长，误差可以降低到毫米级，极大提高体积的测量精度。
19.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明单张图片测量长方体体积测量方法的流程示意图；
22.图2为本发明计算相机坐标系原点o离地高度h的求解示意图；
23.图3本发明相机拍摄长方体的示意图；
24.图4为求解长方体三边长的几何示意图；
25.图5为求解三边方向向量与对应投影面中向量的夹角θi的示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于单张图像测量长方体体积的方法，其特征在于：包括如下步骤:
28.s1:将单目相机固定并拍摄一张标定板的图像，得出该位姿下相机相对标定板的平移向量，进而算出单目相机相机坐标系原点的离地高度；
29.具体地，固定好相机的高度和姿态，倾角和高度要适中，如图2所示，将标定板放置在水平地面上，拍摄一张标定板图片，利用pnp算法测出相机相对于标定板的平移向量t，建立在标定板上的世界坐标系z轴垂直于水平工作面向上，且xoy平面在标定板上表面的棋盘格角点上，相机坐标系原点相对于世界坐标系原点的平移向量t的z分量代表相机坐标系相对于标定板上表面的高度h1，再加上标定板的厚度h2，即可得到相机坐标系相对于水平工作面的高度h。
30.s2:拍摄包含所述长方体的一个下顶点及所对应的长、宽、高三条边的图像，拾取涉及的长方体四个顶点的像素坐标；
31.具体地，如图3所示，步骤s2需要拍摄到长方体的下顶点(贴近水平工作面并面对相机的顶点)及其对应的长方体三边的完整图像，手动拾取上述对应四个顶点m0、m1、m2、m3的二维像素坐标m0、m1、m2、m3。
32.s3:结合单目相机的内参、离地高度、以及长方体四个顶点像素坐标，利用几何知识计算出长方体长、宽、高，进而求得长方体体积。
33.其中，s1中，利用pnp算法得到单目相机(内参、焦距f已知)相对于标定板(本发明使用的是棋盘格标定板)的平移向量t，由于建立在标定板上的世界坐标系(o-xyz)的z轴垂直于水平地面向上，t向量的z轴分量代表相机坐标系(o-xyz)原点相对于标定板上表面的高度h1，再加上标定板的厚度h2，即可得到相机坐标系原点的离地高度h。
34.其中，s3中采用单目相机拍摄包含长方体的图像时，单目相机的镜头需要自s2时保持固定不动，拍摄到长方体的下顶点(面对相机并贴近水平工作面的顶点)及其对应的长、宽、高三条边的完整图像，并手动拾取对应四个顶点m0、m1、m2、m3在成像平面上的像素坐标m0、m1、m2、m3。
35.其中，s3中，结合单目相机的内参、离地高度h、以及四个顶点像素坐标，利用离地高度h抵消单目相机拍摄图像所带来的尺度不确定性问题，通过几何知识计算出长方体三边长，并求得长方体体积。
36.其中，s3具体还包括：
37.s31:设世界坐标系原点与长方体的下顶点m0重合，x、y、z轴分别沿着长方体下顶点对应的三边按照右手定则建立；
38.s32:利用s2确定的m0、m1、m2、m3的像素坐标m0、m1、m2、m3计算出成像平面内长方体三条边的投影线m0m1、m0m2、m0m3的直线li(i＝1,2,3)方程(直线方程li：aix biy ci＝0,(i＝1,2,3)，)，在相机坐标系下，求出长方体三条边的投影面(δom0m1、δom0m2、δom0m3)方程，进而求得投影面的法向量
39.s33:根据长方体下顶点m0的像素坐标m0，确定相机坐标系相对于建立在长方体上
的世界坐标系的平移向量t(即：)的方向，单目相机的尺度不确定性在给了一个h后即被抵消，记在z轴分量为可求得：
40.s34:根据向量的几何关系，求得三个投影面的二面角cosφ
ij
(i≠j；i,j＝1,2,3)，由于长方体三边向量互相垂直且位于各自投影平面内，根据几何关系可以计算出与各自投影面中向量与各自投影面中向量的夹角θi(i＝1,2,3)，向量向绕投影面法向量旋转θ1得到向量可以计算出向量同理可以计算出向量的方向；
41.s35:在δom0m1中，由于长度和方向已知，的方向已知，可求得：m0m1，同理可求出m0m2、m0m3，即长方体三边的真实长度。
42.需要补充的是：向量分别与外积得到向量外积得到向量通过计算这三个向量的夹角，可以得到三个投影面的二面角(i≠j；i,j＝1,2,3)；
43.如图5所示，设可得式1：
44.|q'iq'j|2＝|qiqj|
2-(|qjq'j|-|qiq'i|)2＝2-(sinθ
j-sinθi)2；
45.在δq'im0m'j中，可以得到式子2：
46.|q'iq'j|2＝|m0q'i|2 |m0q'j|
2-2|m0q'i||m0q'j|cosφ
ij
＝(cosθi)2 (cosθj)
2-2cosθicosθjcosφ
ij
；
47.由以上两个式子，得出：tgθitgθj cosφ
ij
＝0,(i≠j,i,j＝1,2,3)，可以计算出代表长方体三边方向的向量与对应投影面中向量与对应投影面中向量的夹角θi；
48.由于向量向绕向量旋转θ1得到向量记的单位向量为由向量旋转公式：可以计算出向量同理可以计算出向量
49.在δom0m1中，由于长度和方向已知，(与共线)的方向已知，求得：根据正弦定理可求得：m0m1＝om0·
sin∠m0om1/sin∠m0m1o，同理可求出m0m2、m0m3，即长方体三边的长度。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。