一种基于双目测距的外业数据采集方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于双目测距的外业数据采集方法及系统，方法包括：通过双目摄像模块获取第一图像和第二图像；根据采集点的位置信息和方向信息，对第一图像和第二图像进行标记；根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标；计算起点坐标和终点坐标之间的距离；根据第一图像、第二图像、采集点的起点坐标、采集点的终点坐标以及起点坐标和终点坐标之间的距离，生成并存储采集点的采集数据。系统包括获取模块、标记模块、第一计算模块、第二计算模块和存储模块。相较于现有的人工踏勘采集方法，本发明提高了踏勘采集的效率，且降低了人工成本，可广泛应用于土地踏勘核查采样领域。

说明书

技术领域

本发明涉及土地踏勘核查采样领域，尤其是一种基于双目测距的外业数据采集方法及系统。

背景技术

目前土地踏勘过程中，主要是采用实地拍照和少量拉尺测量的方式，这样就造成踏勘成果质量主要依赖踏勘人的经验，采集过程没有明确的记录和关联，漏测的数据也难以重新获取，很难将踏勘的情况准确的传达给设计人员，只能由踏勘人员同步进行设计，严重影响了人力资源的充分利用和项目协同，效率很低。

双目视觉是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同位置获取被测物体的两幅图形，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体位置信息。

目前，还没有将双目视觉技术应用到土地踏勘过程的报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种人工成本低且效率高的，基于双目测距的外业数据采集方法及系统。

本发明一方面所采取的技术方案为：

一种基于双目测距的外业数据采集方法，包括以下步骤：

通过双目摄像模块获取第一图像和第二图像；其中，所述第一图像为左侧摄像模块拍摄的图像，所述第二图像为右侧摄像模块拍摄的图像；

根据采集点的位置信息和方向信息，对第一图像和第二图像进行标记；

根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标；

计算起点坐标和终点坐标之间的距离；

根据第一图像、第二图像、采集点的起点坐标、采集点的终点坐标以及起点坐标和终点坐标之间的距离，生成并存储采集点的采集数据。

进一步，所述通过双目摄像模块获取第一图像和第二图像这一步骤，包括以下步骤：

通过双目摄像模块同步进行图像拍摄，得到第一图像和第二图像；

对第一图像和第二图像进行矫正处理，得到矫正后的第一图像和第二图像。

进一步，所述根据采集点的位置信息和方向信息，对第一图像和第二图像进行标记这一步骤，包括以下步骤：

通过GPS传感器获取采集点的经纬度信息；

通过九轴传感器获取采集点的方向信息；所述方向信息包括双目摄像模块的拍摄方向，拍摄方向与水平方向之间的夹角，以及拍摄方向与垂直方向之间的夹角；

将采集点的经纬度信息和方向信息进行格式转换，得到图像属性信息；

根据图像属性信息，对第一图像和第二图像进行标记。

进一步，所述根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标这一步骤，包括以下步骤：

选取第一图像中的第一起点和第一终点，并将第一起点和第一终点之间的线段作为测量线段；

根据测量线段，计算第一起点对应的第一极线和第一终点对应的第二极线；

根据第一极线和第一起点，获取第二图像中的第二起点；

根据第二极线和第一终点，获取第二图像中的第二终点。

进一步，所述根据第一极线和第一起点，获取第二图像中的第二起点这一步骤，包括以下步骤：

以第一起点为中心，基于预设的大小设定第一窗口；

计算第一窗口的第一灰度值总和；

根据第一灰度值总和，在第二图像中进行匹配，得到第二起点。

进一步，所述根据第二极线和第一终点，获取第二图像中的第二终点这一步骤，包括以下步骤：

以第一终点为中心，基于预设的大小设定第二窗口；

计算第二窗口的第二灰度值总和；

根据第二灰度值总和，在第二图像中进行匹配，得到第二终点。

进一步，所述根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标这一步骤，还包括以下步骤：

在第一极线上增设第一辅助线，并在第二极线上增设第二辅助线；

根据第一辅助线对第二起点进行位置修正，并根据第二辅助线对第二终点进行位置修正。

进一步，所述计算起点坐标和终点坐标之间的距离这一步骤，包括以下步骤：

计算第一起点的视差和第一终点的视差；

根据第一起点的视差和第一终点的视差，计算第一起点的世界坐标和第一终点的世界坐标；

根据第一起点的世界坐标和第一终点的世界坐标，计算第一起点和第一终点之间的欧式距离。

本发明另一方面所采取的技术方案是：

一种基于双目测距的外业数据采集系统，包括：

获取模块，用于通过双目摄像模块获取第一图像和第二图像；其中，所述第一图像为左侧摄像模块拍摄的图像，所述第二图像为右侧摄像模块拍摄的图像；

标记模块，用于根据采集点的位置信息和方向信息，对第一图像和第二图像进行标记；

第一计算模块，用于根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标；

第二计算模块，用于计算起点坐标和终点坐标之间的距离；

存储模块，用于根据第一图像、第二图像、采集点的起点坐标、采集点的终点坐标以及起点坐标和终点坐标之间的距离，生成并存储采集点的采集数据。

本发明另一方面所采取的技术方案是：

一种基于双目测距的外业数据采集系统，包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载程序，以执行所述的一种基于双目测距的外业数据采集方法。

本发明的有益效果是：本发明通过双目摄像模块获取采集点的图像，然后对获取到的图像进行标记和计算，最后得到采集点的采集数据，相较于现有的人工踏勘采集方法，本发明提高了踏勘采集的效率，且降低了人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种基于双目测距的外业数据采集方法，具体包括以下步骤：

S1、位置信息获取：通过GPS传感器获取当前采集点位置的经纬度。

S2、方向信息获取：通过九轴传感器来获取双目摄像模块的拍摄方向，拍摄方向与水平方向之间的夹角，以及拍摄方向与垂直方向之间的夹角；其中，所述九轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴地磁计。

S3、获取图像：本实施例采用同步拍摄的方式，在启动双目摄像头传感器后，同步拍摄采集点的图像信息，得到左侧摄像头拍摄的第一图像P_L和右侧摄像头拍摄的第二图像P_R。本实施例在得到第一图像和第二图像后，还对第一图像和第二图像进行相应的矫正处理。

S4、位置信息标记：本实施例将步骤S1和S2中得到的位置信息和方向信息等内容转换成Exif格式的文件内容，然后将转换后的文件内容附加到第一图像和第二图像中。其中，Exif是指Exchangeable image file format，中文称为可交换图像文件格式，这是专门为数码相机的照片设定的，可以记录数码照片的属性信息和拍摄数据。

S5、选取测量线段端点：本发明通过选取第一图像PL中的两点P1(x1，y1)和P2(x2，y2)，分别作为第一起点和第一终点。其中，P1为第一起点的像素坐标向量、P2为第一终点的像素坐标向量，本实施例将第一起点和第一终点之间的线段确认为测量线段。

S6、计算第一起点和第一终点对应的极线：根据双目摄像头标识矫正原理，在双目摄像头传感器矫正后的图像中，P1点在第二图像中的第一极线为Y＝y1，同理，P2点在第二图像中对应的第二极线为Y＝y2。

S7、第一起点匹配：

在第一图像中P_L中，以P1为中心，定义一个窗口D1，本实施例中窗口D1的大小为(2m+1，2n+1)；其中，m和n是像素单位，m和n均为正整数，所以2m+1和2n+1都是一个奇数。比如m＝5、n＝5，那么本实施例中窗口是一个长宽都是11个像素的正方形。

接着，统计所述窗口D1中的灰度值的总和，并在第二图像P_R中沿着第一极线按顺序对每个像素对应的窗口的灰度值总和进行计算；

然后，将窗口D1的灰度值总和与第二图像中每个像素的灰度值总和逐一相减，最后选取差值最小的像素作为匹配点(x_r1，y_r1)，所述匹配点即为第二起点。

S8、第一终点匹配：

在第一图像P_L中，以P2为中心，定义一个窗口D2，本实施例中窗口D2的大小为(2m+1，2n+1)。

接着，统计所述窗口D2中的灰度值的总和，并在第二图像P_R中沿着第二极线按顺序对每个像素对应的窗口的灰度值总和进行计算；

然后，将窗口D2的灰度值总和与第二图像中每个像素的灰度值总和逐一相减，最后选取差值最小的像素作为匹配点(x_r2，y_r2)，所述匹配点即为第二终点。

S9、匹配矫正：

本实施例根据步骤S6中得到的极线，在第二图像上叠加相应的极线作为辅助线(即第一辅助线和第二辅助线)。本实施例通过在第二图像中修正匹配点的位置，修正后的第二起点的像素坐标为(u1，v1)，第二终点的像素坐标为(u2，v2)，本实施例通过步骤S6的匹配矫正，能够避免光照和无明显纹理因素等复杂因素造成的虚假匹配，大大提高了匹配精度和成功率。

S10、计算视差：

本实施例首先计算第一起点的视差，所述第一起点的视差d1的计算公式为：d1＝(u1-x1)S_x，其中S_x表示X方向上的像素数，其长度单位为mm。

然后计算第一终点的视差，所述第一起点的视差d2的计算公式为：d2＝(u2-x2)S_x，其中S_x表示X方向上的像素数，其长度单位为mm。

S11、计算世界坐标：

本实施例根据世界坐标和像素面坐标转换公式来计算第一起点和第一终点的世界坐标。其中，所述世界坐标和像素面坐标转换公式为：

其中，Q代表重投影矩阵，Q的表达式为X_pix和Y_pix为主摄像头的像素坐标，在本实施例中，X_pix对应的是第一图像P_L的第一起点P1的像素坐标，Y_pix对应的是第一图像P_L的第一终点P2的像素坐标；d代表视差；c_x和c_y为主点，主点是指主视线与透视面的交点，也就是一条光线沿着光轴穿过镜头光心，投射在图像传感器上的点的坐标为(c_x，c_y)，在理想情况下主点一般位于图像的几何中心上，但实际镜头一般都有畸变，所以c_x和c_y是摄像头的内部参数，本实施例可以通过实验测量得到c_x和c_y；c′_x为主点在第二图像上的坐标；f为焦距；T_x代表双目间距；

本实施例将第一起点的像素坐标和第一终点的像素坐标代入转换公式，进而得到第一起点的世界坐标(x_a，y_a，z_a)和第一终点的世界坐标(x_b，y_b，z_b)。

S10、计算第一起点和第一终点之间的距离：

本实施例采用根据欧式距离公式，求得第一起点和第一终点之间的距离D，所述距离的计算公式为：

S11、上传服务器/本地存储：将得到的第一启点坐标、第一终点坐标和两点间的距离D以及及第一图像、第二图像的文件上传服务器或本地数据库。

S12、文件存储：后台根据拍摄的空间位置信息，将文件保存到空间数据库；其中，所述空间位置信息具体是指拍摄地点的经纬度。

本发明的实施例还提供了一种基于双目测距的外业数据采集系统，包括：

获取模块，用于通过双目摄像模块获取第一图像和第二图像；其中，所述第一图像为左侧摄像模块拍摄的图像，所述第二图像为右侧摄像模块拍摄的图像；

标记模块，用于根据采集点的位置信息和方向信息，对第一图像和第二图像进行标记；

第一计算模块，用于根据标记后的第一图像和第二图像，计算采集点的起点坐标和终点坐标；

第二计算模块，用于计算起点坐标和终点坐标之间的距离；

存储模块，用于根据第一图像、第二图像、采集点的起点坐标、采集点的终点坐标以及起点坐标和终点坐标之间的距离，生成并存储采集点的采集数据。

本发明实施例还提供了一种数据处理装置，包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载程序，以执行所述的一种基于双目测距的外业数据采集方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的数据处理方法。

综上所述，相较于现有技术，本发明带来了以下优点：

1)本发明解决了在当前踏勘作业成果中，现场照片无地理坐标，数据测量的复杂度高，在漏测关键数据后无法进行补测，踏勘过程无法进行项目衔接以及测量人员与设计人员之间协同困难的问题，大大降低了人工成本，且提高了工作效率。

2)、本发明优化了双目测距的算法，每一次测量只对两个点进行匹配，减少了计算的盲目性，避免了特征点自动提取匹配等复杂的计算，大大提高了运算效率。

3)、传统算法要求目标具有非常清晰的纹理，但是为了提高处理速度，却又需要不断降低图像像素，因此现有技术很难同时满足处理速度和图像清晰度；针对上述问题，本发明采用极线约束来辅助人工纠正匹配点，大大提高了在复杂环境下的匹配精度，同时因为计算量大大的减少，故可以采用高分辨率摄像头，大大提高了图像的分辨率，从而实现了在常规双目视觉难以应用的场合下，实现高精度的测量。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。