结合航拍图与车载图像的车辆路面位置定位(2)

图1 几何映射Fig.1 Geometric mapping

因为市面上的车载相机基本都是定焦镜头，所以其视角范围是固定的。由此车载图像列像素区域的大小与车载相机视角的大小存在对应关系，该关系可在航拍图像中得到反映。

2.3角度划分原则

由于图像中每一列像素都是等分的，而依据角度公式：

θ=L/R(3)

式(3)中:L为弧长，R为半径。因每一个列像素为非等分角，所以摄像机的视角也为并非等分角。如图2所示，假设点pc(up,vp)为车载相机所在位置，通过航拍图像获得标定场景下两个特征点A(ua,va)、B(ub,vb)，其中ua

图2 角度划分Fig.2 Angle division

根据公式：

(4)

将点A、B的横纵坐标分别作差，求其相对位置，并均分成m份，可求得线段AB上各等分点的坐标mi(ui,vi)，其中i=1,2,…,m。过点pc与各等分点mi作射线lj，其中j=1,2,…,m。依据斜率公式和反三角函数公式：

(5)

若规定航拍图像U轴方向为0°，可求得各射线lj在航拍图像上的角度值。根据车载图像特征点坐标值与航拍图像射线角度值，可将车载图像横坐标值与航拍图像射线角度值对应起来，形成两幅图像的几何映射关系表。

3 实验过程

3.1仪器设备

本文实验所有的航拍图像均由大疆无人机(型号Phantom3)在离地1 500 cm的高度，镜头垂直向下拍摄，其图像大小为4 000×2 250；所有车载图像均由360行车记录仪(型号G300)，图像大小为1 920×1 080、帧率为30 fps的视频截图；所用实验车型为别克GL8 2011款3.0L GT豪华商务豪雅版；特征标志物为直径23 cm、厚度0.25 cm的地标垫。

3.2数据采集

标定场景中，在车辆前方摆放特征标志物，每一排每个标志物的中心位置与车辆前轮的水平距离一致，每一个标志物之间间隔为100 cm。以此类推，使得标志物在车辆前方呈方形分布展开。然后开启航拍相机和车载相机对其进行拍摄，确定两幅图像的几何映射关系。随后将车辆行驶至定位场景下，同样进行上述操作，此步骤主要用于定位车辆位置和判断距离、角度等因素对定位结果的影响。

ao、bo、co、do、eo、fo为物点正射投影，a、b、c、d、e、f为物点中心投影图3 航拍图像与正射图像的区别Fig.3 The difference between aerial image and ortho image

由于车辆存在高度与坡度，航拍相机在获取车辆图像时会出现非正射投影的现象，如图3所示。当地面物体存在高度与坡度时，两者存在明显差异。为准确定位标定场景及定位场景下车载相机的位置，本文以车轮轴心位置作为车辆的定位参数，采用三维激光扫描仪对车载相机与车轮的相对位置进行测算，获得车载相机在车辆上的实际位置。然后根据航拍图像中事先标好的轮胎着地点，确定标定场景航拍图像与定位场景航拍图像中车载相机的位置，如图4所示。

图4 车载相机与车辆四轮位置关系图Fig.4 On-borne camera and vehicle four-wheel position diagram

3.3图像校正

由于每一个摄像头都会产生一定程度的畸变，包括光学畸变、机械误差等。航拍图像的畸变会导致测量误差，车载图像的畸变会导致图像中每个列像素所代表的视角角度不同，从而无法计算每个列像素对应的视角角度值，故需对两幅图像进行图像校正。由于航拍图像畸变小，用张正友的相机标定法[17]实现对航拍图像的校正；车载图像为鱼眼镜头，畸变较大，采用苏黎世大学Davide Scaramuzza的OCamCalib全视角相机模型标定矫正算法[18]对车载图像进行校正。

实验均采用2 cm×2 cm的棋盘格标定靶标，且对尽可能充盈整个屏幕的靶标进行不同角度、不同姿态下的拍摄，分别选取其中若干幅图像进行标定。其标定结果如图5、图6所示。

图5 车载图像原图及校正图Fig.5 Vehicle-borne image and correction map

图6 航拍图像原图及校正图Fig.6 Aerial image and correction map

车载图像的重投影误差约为1.474个像素，约合图像尺寸的1.4‰；航拍图像的重投影误差约为0.103个像素，约合图像尺寸的0.05‰。

3.4特征坐标提取

特征坐标提取前，若车载相机平面坐标系的V轴与世界坐标系的Z轴不平行时，需对标定后的车载图像进行旋转，尽量保证垂直于地面的物体与图像列像素平行。运用Python-OpenCV平台，将标定场景下，车载图像与航拍图像中标志物的形心坐标或角点坐标提取出来，用同样的方法将航拍图像中车载相机坐标也提取出来。

文章来源：《中国司法鉴定》 网址: http://www.zgsfjdzz.cn/qikandaodu/2021/0424/506.html