计算图片中的物体的实际尺寸的一种方法

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。楼上诸位所述也是这种原理。


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。
(转载者说明:如果cd也是水平面上一直线,那么cd和ca互相平行是正确的,但是本文中cd是不在水平面上的)
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):
(AD/AF)/(GD/GF)=(ad/af)/(gd/gf)
因为已经求出了点d,等式右边所有的量都可以从图像上测出。等式左边的点G在真实空间是所有垂直直线的交点,这个点在无穷远,和无穷相比点F和点D的差异可以忽略不计,所以GD/GF=1,这样就得到最终结果:
AD/AF = (ad/af)/(gd/gf)

[1] Criminisi A, Reid I, Zisserman A. Single view metrology[J]. International Journal of Computer Vision, 2000, 40(2): 123-148.
[2] Hartley R, Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision[M]. Cambridge university press, 2003.

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