泳池监控系统之子系统的研究与设计 第5页
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全文分为四个章节，内容安排如下：
第1章绪论。简要介绍了本课题提出的意义、当前国内外摄像机定标以及射
频技术的研究现状和趋势、本论文的研究重点以及论文的组织结构。
第2章基于计算机视觉的摄像机定标算法。介绍了摄像机定标设计的一般概
念以及定标方面的基本知识，并着重介绍了本课题应用到的定标理论。
第3章泳池定标算法的研究与实现。介绍了泳池定标算法涉及的理论推导。
并重点介绍了在游泳池这个特殊的环境以及使用广角摄像机等条件下，研究的游
泳池定标算法，并对算法进行了验证。在此基础上完成了泳池定标算法，设计泳
池定标算法的程序设计。
第4章无线报警传输系统。首先对该子系统的设计思路作了介绍，接着按照
先硬后软的顺序，对系统硬件、软件的设计进行了详细的介绍。系统的硬件部分，
又被分为两部分：接收部分和发射部分。最后对该子系统的性能作了简单的评估，
指出了其缺点和待改进之处。
第2章基于计算机视觉的摄像机定标算法
第2章基于计算机视觉的摄像机定标算法
计算机视觉，是指利用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪测量
等，计算机视觉的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发计算三文空间中
物体的几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三文几何位置与
其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何
模型参数就是摄像机参数．在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得
到，这个过程被称为是摄像机定标。摄像机模型是光学成像几何关系的简化，最简
单的模型是线性模型，或称针孔模型(pin．hole model)…。为了定量的描述光学
成像的过程，我们首先介绍一下几个基本概念。
2．1图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系
摄像机采集的图像以标准电视信号的形式输入计算机，经计算机中的专用数
模转换板变成数字图像，每幅数字图像在计算机中为MxN数组，M行Ⅳ列的图
像中的每一个元素(称为象素，pixcl)的数值即是图像点的亮度(或称灰度，而
在彩色图像中，则图像上的亮度将由红、绿、蓝三种颜色的亮度表示)。如图2．1
所示，在图像上定义直角坐标系M，v，每一象素的坐标@，y)分别是该象素在数组
中的列数和行数，所以@，v)是以象素为单位的图像坐标系的坐标，由于@，v)只
表示象素位于数组的列数和行数，并没有用物理单位表示出该象素在图像中的位
置，因而，需要再建立以物理单位(例如毫米)表示的图像坐标系。该坐标系以
图像内的某一点D-为原点，工轴和y轴分别和“，y平行，@，v)表示以象素为单位
的图像坐标系的坐标，0，y)表示以毫米为单位的图像坐标系的坐标。在x，y坐标
系中，原点D。定义在摄像机光轴与图像平面的交点，该点一般位于图像中心处，
但由于摄像机制作的原因，也会有些偏离，若D·在H，'，坐标系中的坐标为@o，yo)，
每一个象素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为出，方，则图像上任意一个象素在
两个坐标系中的坐标有如下关系【。’l：
X
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方 ”
图2．1图像坐标系
Fig．2．1 lnlage c00rdinate
为以后使用方便，我们用齐次坐标和矩阵形式将上式表示成
逆关系可写成i}1喜谰曰 汜2，
摄像机成像几何关系可由图2．2表示。其中D点称为摄像机光心，x。轴和K
轴与图像的x轴和．y轴平行，Z。轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直。光轴与
图像平面的交点，即为图像坐标原点，由点D与X。、yc、与z。轴组成直角坐标
系称为摄像机坐标系。DDl为摄像机焦距【2¨。
由于摄像机可安放在环境中的任意位置，我们在环境中还选择一个基准坐标
系来描述摄像机的位置，并用它描述环境中的任意物体的位置，该坐标系称为世
第2章基于计算机视觉的摄像机定标算法
界坐标系。它由X。、匕、与z。轴组成。摄像机坐标系和世界坐标系之间的关系
可以用旋转矩阵尺和平移向量t来描述。因此，空间中某一点P在世界坐标系与
摄像机坐标系下的齐次坐标如果分别是伍。，匕，Z，．，’1)r与伍。，℃，z。舢r，于是存在
如下关系：
(2．3)
其中，R为3x3正交单位矩阵；t为三文平移向量；0=(0，0，0)T；M1为4x4矩
图2．2摄像机坐标系和世界坐标系
Fig．2．2 Camera coordinate and world coordinate
2．2线性摄像机模型(针孔模型)
空间任意一点P在图像上的成像位置可以用针孔模型近似表示，即任意点P
在图像上的投影P，为光心0与P点的连线OP与图像平面的交点。这种关系也
称为中心射影或透视投影。由比例关系有如下关系式12’】：
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