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如何测算出任一副图片中的物体的实际尺寸?

新机器视觉  · 公众号  ·  · 2024-09-05 15:33

正文


Q:

比如我想知道这个书架每一格的高宽,有办法吗?没有什么神奇的软件可以帮忙?




A:

从一幅图像中无法测出物体的长度,因为缺乏参照物,但可以测出两个平行物体的长度比例。


如果已知一个物体的实际大小(比如在图片中放上一枚1元硬币或者知道某个柜子有多高),那么就可以通过长度比和参照物的已知长度测出物体长度。


具体方法见文献[1],因为需要一些矩阵运算和摄像头成像方面的推导,这里只大概说说原理。


图像测量利用了摄像头成像也就是小孔成像的几个性质[2]:


第一,摄像头把平行的直线映射为图像上相交直线,笔直的铁轨在远处相交就是这个道理,这个交点被称为消隐点(vanish point)。


可以认为平行空间直线在无穷远处相交,消隐点则是这一交点的像。


所有水平的平行直线族都各自相交于无穷远处的一点,这些点构成无穷远直线,这条直线在图像上的像叫地平线。


我们所居住的三维空间中存在三组相互垂直的直线(例如水平两组,x轴和y轴方向,竖直一组,z轴方向),所有x、y、z方向上的平行直线在一张图片上会分别相交于各自的一个消隐点。


并且水平直线对应的两个消隐点如果连起来,连线就是地平线。


测量的关键,就是要得到这些消隐点,因此有很多竖直线(如书架)或水平线(如地板砖)的图片就容易测量。



第二,摄像头把三维空间投影到二维的图像上,保持直线交比不变,交比是四个点两两“比例的比例”。


所以如果在三维空间中的一条直线上有四个点,那么它们映射到图片上的四个点后,这四个点的交比不变。



文献[1]通过这些条件,给出了从图片上计算长度比的公式。通过示意图我们可以更加直观地看出它是如何工作的:



首先,假设我们已知蓝色小人Bob的身高,要求出红色小人John的身高,只需要知道两人的身高比值就可以:



我们用大写字母表示真实的坐标,随后用小写字母表示图片上的像素坐标。


两人的身高比值BE/AF可以这么求:首先连接AB,然后过E点做AB的平行线交AF于点D,因为ABED是个矩形,所以要求的比值就等于AD/AF。


然而,这种判断是在三维空间中做出的,当物体成像为图片,所有点的位置都会发生变化(不要问我圆头为什么会变成方头):



其中最显著的变化是平行线相交了,由此我们可以找到三个方向的消隐点,这可以通过对竖直和两组水平平行线求延长线获得:



注意我们把水平平行线对应的两个消隐点连接起来,得到了一条在(无穷)远处的直线,每个人都熟悉它,它就是地平线。


地平线上所有的点都有一个性质:从其上一个点引出的所有直线都是相互水平平行的。



因此点D在图上的坐标d是这么求出的:
1. 画出地平线

2. 延长ab,交地平线于点c
3. 延长ce,交af,也就是John于点d


因为点c在无穷远处,所以cd和ca在空间中是平行直线,abed也就是上面说述真实空间中矩形ABED的像。


然而,知道了某些点在图像上的像,它们的实际长度比是无法直接从图上测得的,因为大家的深度不一样,这时就要利用成像前后一条直线上四个点交比不变的性质,考察红色小人John身上的三个点A、D、F以及其延长到无穷远处的点G,就可以得到(大写字母换成小写字母):







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