CN109741455B - 一种车载立体全景显示方法、计算机可读存储介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于车载环视领域，提供了一种车载立体全景显示方法、计算机可读存储介质及系统。所述方法包括：建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标；获取摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标；根据成像中心的坐标计算得到摄像头内参矩阵；确定每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵；确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系；将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现立体全景环视视图；显示立体全景环视视图。本发明可以将车辆周围立体环境更清楚地显示在显示窗口，扩大了车载立体全景显示系统的视野范围，提高了安全性能。
Description
技术领域
本发明属于车载环视领域，尤其涉及一种车载立体全景显示方法、计算机可读存储介质及系统。
背景技术
随着汽车的广泛使用和汽车智能化的进一步提高，对车载图像显示也有了更高的要求。汽车数量的增加、道路和停车位的限制增加了驾驶员行驶和泊车的难度。现有技术泊车时主要使用的辅助设备包括倒车镜、倒车雷达、后视鱼眼镜头等，也还有一种使用多个广角摄像头获取俯视角情况下车辆周围的鸟瞰图方法。然而，这些方法存在的主要问题在于，不能完整的获取车辆周围环境图像，所显示车辆周边范围较小，另外，鸟瞰图仅显示地面情况，无法更好的帮助驾驶员对四周环境进行判断，因此安全性能仍然较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载立体全景显示方法、计算机可读存储介质及系统，旨在解决现有技术不能完整的获取车辆周围环境图像，所显示车辆周边范围较小，另外，鸟瞰图仅显示地面情况，无法更好的帮助驾驶员对四周环境进行判断，因此安全性能仍然较差的问题。
第一方面，本发明提供了一种车载立体全景显示方法，所述方法包括：
通过参数方程建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标；
获取摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标；对于每个摄像头，至少采集两张将平面标定板摆放在不同位置和角度后的图像；
根据成像中心的坐标计算得到摄像头内参矩阵；
建立车身坐标系，在车身坐标系测量每个摄像头拍摄到的平面标定板的摆放位置的世界坐标，根据对应图像中平面标定板的像素坐标以及摄像头内参矩阵确定每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵；
根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系；
根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现立体全景环视视图；
显示立体全景环视视图。
第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的车载立体全景显示方法的步骤。
第三方面，本发明提供了一种车载立体全景显示系统，包括：一个或多个处理器、存储器、显示器以及一个或多个计算机程序，其中所述处理器分别通过总线连接所述存储器和所述显示器，所述显示器显示立体全景环视视图，所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的车载立体全景显示方法的步骤。
在本发明中，由于先建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标，利用摄像头采集车身四周的鱼眼图像，并将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现并显示立体全景环视视图。因此可以将车辆周围立体环境更清楚地显示在显示窗口，扩大了车载立体全景显示系统的视野范围，提高了安全性能。
又由于利用摄像头采集车身四周的鱼眼图像，对于每个摄像头，至少采集两张将平面标定板摆放在不同位置和角度后的图像；计算摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵；根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系。因此本发明的车载环视系统的立体标定方法实现过程简洁，操作简单，减少了计算过程中的参数个数，无需进行摄像头之间的坐标变换，所需采集图像数目比传统方法少，并仍可保证标定结果的精确性，不需要立体标定块，降低了成本。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的车载立体全景显示方法的流程图。
图2是车身坐标系下需要测量的空间距离及平面标定板位置示意图。
图3是本发明实施例一中四路图像映射到三维网格模型示意图。
图4是本发明实施例三提供的车载立体全景显示系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例一提供的车载立体全景显示方法包括以下步骤：需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的车载立体全景显示方法并不以图1所示的流程顺序为限。
S101、通过参数方程建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标。
在本发明实施例一中，三维网格模型包括平面部分、曲面连接部分和立体柱面部分，其中，平面部分为三维网格模型的底面，可以选择圆形平面、椭圆形平面、圆角矩形等；曲面连接部分可以选择球面；立体柱面部分是三维网格模型的环形部分。三维网格模型中经纬线的交点是三维网格模型的顶点。
所述将三维网格模型放大到世界坐标具体为：
将三维网格模型的顶点扩大预设倍数，以使三维网格模型的顶点放大到世界坐标。
通过将三维网格模型放大到世界坐标，可以保证三维网格模型中的经纬线的交点构成的三维网格模型的顶点能够代表空间中的一个点，三维网格模型可以包含车辆周围的立体环境。
S102、获取利用摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标；对于每个摄像头，至少采集两张将平面标定板摆放在不同位置和角度后的图像。
在本发明实施例一中，所述摄像头可以是分别位于车身前后左右的四个鱼眼镜头。当然，本发明不限于摄像头的数量、种类和安装位置，只要能保证采集到车辆周围360度全部图像信息即可。例如大型货车可以采用6到8个摄像头保证采集到车辆周围360度全景。
所述获取利用摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标具体可以为：
获取利用摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，根据摄像头的中心坐标、像素宽高比和焦距，利用等距投影公式，模拟鱼眼图像的成像特点，即利用小孔成像公式，对鱼眼图像进行畸变校正，得到校正后的图像以及成像中心的坐标。
该步骤中仅涉及摄像头的中心坐标、像素宽高比和焦距三组参数，减少了传统校正算法中的多个畸变系数。
等距投影公式具体为r'＝f·θ；
小孔成像公式，即正常无畸变摄像头成像模型具体为：r＝f·tanθ，
其中，r'是摄像头中的成像高度，r是无畸变摄像头中的成像高度，f是摄像头的焦距，θ是入射光角度。
校正前的鱼眼图像与校正后的图像中每个点的成像高度为该点到成像中心的距离。初始时，成像中心即为鱼眼图像的中心和校正后的图像的中心。
S103、根据成像中心的坐标计算得到摄像头内参矩阵。
所述S103具体可以通过公式
结合张正友标定法等方式计算得到摄像头内参矩阵A，其中，α、β分别是图像x、y轴方向焦距，γ代表成像平面倾斜因子，x0，y0是成像中心的坐标。
S104、建立车身坐标系，在车身坐标系测量每个摄像头拍摄到的平面标定板的摆放位置的世界坐标，根据对应图像中平面标定板的像素坐标以及摄像头内参矩阵A确定每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵。
在本发明实施例一中，将所有平面标定板放置在同一个车身坐标系，避免了摄像头之间位置关系的转换，降低了计算的复杂程度和计算量。如图2所示，以车身中心为原点，地面平面为X-O-Y平面建立车身坐标系。将平面标定板放置在正对摄像头的位置，或放置在两个摄像头的重叠区域，或其他方便测量空间坐标的位置，仅需保证每个摄像头中至少可以拍摄到一幅平面标定板的内容。
外参矩阵包括旋转矩阵R和平移矩阵T。
S105、根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系。
在本发明实施例一中，S105具体可以为：
根据公式
确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，P是A[R T]后的值，也就是三维空间的映射矩阵，s是比例系数，A为校正后的图像对应的摄像头内参矩阵，[X,Y,Z]为空间中任意一个点在车身坐标系下的三维坐标，R为每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵中的旋转矩阵，T为每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵中的平移矩阵，(x,y)为在所述视角校正图中对应平面图像像素坐标。
S106、根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现立体全景环视视图。
在本发明实施例一中，S106具体可以为：
根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系以及三维网格模型的顶点的空间坐标，确定车身坐标系下三维网格模型中每个顶点与图像中像素的对应关系，将校正后的图像的内容根据平面图像像素坐标渲染到三维网格模型中的对应位置，实现车辆周围环境的立体映射，得到车辆周围完整的三维立体环境图像。如图3所示，是四路鱼眼图像映射到三维网格模型示意图。
S107、显示立体全景环视视图。
理想情况下成像中心即鱼眼图像的中心，但由于制作工艺等误差，摄像头中心点等参数会有所偏差。因此在本发明实施例一中，在S102之后，所述方法还可以包括以下步骤：
对摄像头参数进行精确化，并根据精确的摄像头参数得到精确的校正后的图像。具体可以为：在预设范围内遍历摄像头的初始参数，通过鱼眼图像中平面标定板的标定点像素坐标与参数值，得到映射后的像素坐标，与校正后的图像中平面标定板的标定点像素坐标比对，得到精确的摄像头参数，并根据精确的摄像头参数得到精确的校正后的图像。
由于立体全景环视需要采集不同摄像头拍摄的图像，摄像头的位置方向和光照强度不同等影响导致图像颜色差异。因此，在本发明实施例一中，在S105之后，所述方法还可以包括以下步骤：
对校正后的图像的图像颜色进行校正，消除不同摄像头拍摄后导致的亮度差异。
所述对校正后的图像的图像颜色进行校正具体为：
将图像重叠区域的两幅图像的颜色差异最小为目标函数，分别对RGB三个通道系数通过以下公式F＝(fFAF-fLAL)2+(fFBF-fRBR)2+(fLCL-fTCT)2+(fRDR-fTDT)2进行设定，其中，fF,fT,fL,fR分别代表前后左右视图的亮度系数，AF,AL分别代表前视图与左视图重叠区中前视图像素均值和左视图像素均值，BF,,BR分别代表前视图与右视图重叠区中前视图像素均值和右视图像素均值，CL,CT分别代表左视图与后视图重叠区中左视图像素均值和后视图像素均值，DR,DT分别代表右视图与后视图重叠区中右视图像素均值和后视图像素点均值，对亮度系数分别求偏导，通过奇异值分解求出每个视图的亮度系数F。
为了避免两幅图像拼接后存在比较明显的拼接痕迹，在本发明实施例一中，在S105或者所述对校正后的图像的图像颜色进行校正，消除不同摄像头拍摄后导致的亮度差异之后，所述方法还可以包括以下步骤：
对于两个摄像头拍摄形成的重叠区域，通过加权融合消除拼接痕迹。具体可以为：
通过公式I(x,y)＝w1I1(x,y)+w2I2(x,y)消除拼接痕迹，其中，I1(x,y)和I2(x,y)为重叠区域两个视图在(x,y)位置的像素值，w1和w2是权重系数，可以根据距离固定接缝或非固定接缝的距离确定。在本发明实施例一中，权重系数的确定依据重叠区域中每个点距离两幅视图的边缘距离。即加权系数为重叠区一侧边缘的每个点沿着水平方向由1递减至0。
在本发明实施例一中，S107具体可以为：
根据车载传感器获得的车辆行驶状态(例如对于车辆转弯、倒车、正常行驶等不同情况)，在车辆显示窗口中显示三维网格模型中不同角度和范围的立体全景环视视图。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例一提供的车载立体全景显示方法的步骤。
实施例三：
图4示出了本发明实施例三提供的车载立体全景显示系统的示意图，一种车载立体全景显示系统100包括：一个或多个处理器101、存储器102、显示器103以及一个或多个计算机程序，其中所述处理器101分别通过总线连接所述存储器102和所述显示器103，所述显示器103显示立体全景环视视图，所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器102中，并且被配置成由所述一个或多个处理器101执行，所述处理器101执行所述计算机程序时实现如本发明实施例一提供的车载立体全景显示方法的步骤。
在本发明中，由于先建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标，利用摄像头采集车身四周的鱼眼图像，并将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现并显示立体全景环视视图。因此可以将车辆周围立体环境更清楚地显示在显示窗口，扩大了车载立体全景显示系统的视野范围，提高了安全性能。
由于利用摄像头采集车身四周的鱼眼图像，对于每个摄像头，至少采集两张将平面标定板摆放在不同位置和角度后的图像；计算摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵；根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系。因此本发明的车载环视系统的立体标定方法实现过程简洁，操作简单，减少了计算过程中的参数个数，无需进行摄像头之间的坐标变换，所需采集图像数目比传统方法少，并仍可保证标定结果的精确性，不需要立体标定块，降低了成本。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种车载立体全景显示方法，其特征在于，所述方法包括：
通过参数方程建立三维网格模型，并将三维网格模型放大到世界坐标，所述三维网格模型包括平面部分、曲面连接部分和立体柱面部分，其中，平面部分为三维网格模型的底面，立体柱面部分是三维网格模型的环形部分；三维网格模型中经纬线的交点是三维网格模型的顶点；所述将三维网格模型放大到世界坐标具体为：将三维网格模型的顶点扩大预设倍数，以使三维网格模型的顶点放大到世界坐标；
获取摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标；对于每个摄像头，至少采集两张将平面标定板摆放在不同位置和角度后的图像；
根据成像中心的坐标计算得到摄像头内参矩阵；
建立车身坐标系，在车身坐标系测量每个摄像头拍摄到的平面标定板的摆放位置的世界坐标，根据对应图像中平面标定板的像素坐标以及摄像头内参矩阵确定每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵；
根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系；
根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现立体全景环视视图；
显示立体全景环视视图；
所述获取利用摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，进行畸变校正，得到校正后的图像和成像中心的坐标具体为：
获取利用摄像头采集的车身四周的鱼眼图像，根据摄像头的中心坐标、像素宽高比和焦距，利用等距投影公式，模拟鱼眼图像的成像特点，即利用小孔成像公式，对鱼眼图像进行畸变校正，得到校正后的图像以及成像中心的坐标；
所述根据成像中心的坐标计算得到摄像头内参矩阵具体为：
通过公式
结合张正友标定法计算得到摄像头内参矩阵A，其中，α、β分别是图像x、y轴方向焦距，γ代表成像平面倾斜因子，x0，y0是成像中心的坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外参矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵；
所述根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系具体为：
根据公式
确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，P是三维空间的映射矩阵，s是比例系数，A为校正后的图像对应的摄像头内参矩阵，[X,Y,Z]为空间中任意一个点在车身坐标系下的三维坐标，R为每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵中的旋转矩阵，T为每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵中的平移矩阵，(x,y)为在所述校正后的图像中对应平面图像像素坐标。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，将校正后的图像的内容渲染到三维网格模型中，实现立体全景环视视图具体为：
根据三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系以及三维网格模型的顶点的空间坐标，确定车身坐标系下三维网格模型中每个顶点与图像中像素的对应关系，将校正后的图像的内容根据平面图像像素坐标渲染到三维网格模型中的对应位置，实现车辆周围环境的立体映射，得到车辆周围完整的三维立体环境图像。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系之后，所述方法还包括：
对校正后的图像的图像颜色进行校正，消除不同摄像头拍摄后导致的亮度差异。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对校正后的图像的图像颜色进行校正具体为：
将图像重叠区域的两幅图像的颜色差异最小为目标函数，分别对RGB三个通道系数通过以下公式F＝(fFAF-fLAL)2+(fFBF-fRBR)2+(fLCL-fTCT)2+(fRDR-fTDT)2进行设定，其中，fF,fT,fL,fR分别代表前后左右视图的亮度系数，AF,AL分别代表前视图与左视图重叠区中前视图像素均值和左视图像素均值，BF,BR分别代表前视图与右视图重叠区中前视图像素均值和右视图像素均值，CL,CT分别代表左视图与后视图重叠区中左视图像素均值和后视图像素均值，DR,DT分别代表右视图与后视图重叠区中右视图像素均值和后视图像素点均值，对亮度系数分别求偏导，通过奇异值分解求出每个视图的亮度系数F。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述根据校正后的图像对应的摄像头内参矩阵和每个摄像头在车身坐标系下的外参矩阵，确定三维空间中每个点到平面图像像素坐标的映射关系，或者，所述对校正后的图像的图像颜色进行校正，消除不同摄像头拍摄后导致的亮度差异之后，所述方法还包括：
对于两个摄像头拍摄形成的重叠区域，通过加权融合消除拼接痕迹。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对于两个摄像头拍摄形成的重叠区域，通过加权融合消除拼接痕迹具体为：
通过公式I(x,y)＝w1I1(x,y)+w2I2(x,y)消除拼接痕迹，其中，I1(x,y)和I2(x,y)为重叠区域两个视图在(x,y)位置的像素值，w1和w2是权重系数。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的车载立体全景显示方法的步骤。
9.一种车载立体全景显示系统，包括：一个或多个处理器、存储器、显示器以及一个或多个计算机程序，其中所述处理器分别通过总线连接所述存储器和所述显示器，所述显示器显示立体全景环视视图，所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的车载立体全景显示方法的步骤。
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