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红绿灯纵向距离的评估

news 2025/7/29 6:26:08

1）针孔相机模型

基于相机内参和交通灯的像素尺寸，估算交通灯与相机的距离，核心原理是 针孔相机模型的相似三角形关系（距离 = 焦距 × 真实尺寸 ÷ 像素尺寸）。

2)基于深度估计

“通过两帧目标的位置变化 + 相机参数，迭代猜深度，找最合理的结果”。

一、整体思路

想象你用手机拍同一棵树，第一次站 A 点，第二次站 B 点。通过树在两张照片里的位置变化，结合手机拍照的 “角度、位置” 参数，就能算树离你多远。代码里，摄像头就是手机，两次拍摄就是 A/B 点，目标（车、行人）就是树，步骤类似：

二、逐段解释

▶ 第一段：`estimate_3d` 主流程

void estimate_3d(...) {// 1. 过滤小目标：框太小（宽/高<32像素），检测不准，直接跳过if (obj2->region.rect.width < 32 || ...) return;// 2. 算相机和车的位置关系（位姿矩阵）：//    记录两次拍照时，摄像头在车里的“位置+角度”，逆变换后，能把图像点转成世界坐标Eigen::Matrix4d world_cam_1 = (...ego位姿 × 相机位姿...).inverse();Eigen::Matrix4d world_cam_2 = (...同理...);// 3. 提取旋转（R1/R2：摄像头怎么歪的）和平移（T1/T2：摄像头在车里的位置）Eigen::Matrix3d R1 = world_cam_1.block<3,3>(0,0), R2 = ...;Eigen::Vector3d T1 = world_cam_1.block<3,1>(0,3), T2 = ...;// 4. 处理目标框的四个角：//    把目标框的左上、右上、右下、左下四个角找出来，乘以缩放比例ratio（还原图像真实尺寸）Eigen::Vector4d u1(0, obj1->width, obj1->width, 0); // 四个角的x坐标u1.array() += obj1->x; // 加上目标框的左边xu1.array() *= ratio;   // 缩放// 5. 迭代猜深度：分三步（大步长粗找→中步长细化→小步长微调），调用find_best找最优深度dfloat d = find_best(...大范围内试d，步长10...);d = find_best(...细化范围，步长1...);d = find_best(...微调范围，步长0.1...);// 6. 把2D坐标转成3D（乘以深度d），再转到车的坐标系，记录目标在车前方多远（ego_x/y/z）Eigen::Vector3d pts3d(center_x*d, center_y*d, d); // 2D→3DEigen::Vector3d pt3d_cam = K.inverse() * pts3d;   // 转到相机坐标系Eigen::Vector4d pt4d_world = camera2ego_pose * pt4d_cam; // 转到车坐标系obj1->ego_x = pt4d_world[0]; // 目标在车的x方向距离
}

▶ 第二段：`find_best` 迭代猜深度

float find_best(...) {float min_L = 1e20; // 损失值，越小越好float min_d = -1;   // 最优深度// 遍历所有尝试的深度d（从start到end，步长step）for (float d = start; d <= end; d += step) {float L = 0.0; // 当前d的损失// 遍历目标框的4个角（左上、右上、右下、左下）for (int i = 0; i < 4; i++) {// 过滤无效角点（超出图像范围，比如x≥3840像素，明显错了）if (u1[i]<0 || ...) continue;// 模拟旋转和平移：把角点按摄像头的旋转/平移变换，看是否符合两帧的变化Eigen::Vector3d A = R * p; // 旋转后的点// 计算损失：对比变换后的点和另一帧的角点，差异越小，d越准float a = pow(u,2) + pow(w,2);float b = 2*(u*v + w*z);float c = pow(v,2) + pow(z,2);float r = pow(A[2],2);float s = 2*A[2]*T[2];float t = pow(T[2],2);L += (a*d*d + b*d + c) / (r*d*d + s*d + t);}// 记录损失最小的dif (L < min_L) {min_L = L;min_d = d;}}return min_d; // 返回最优深度
}

三、核心类比（帮你秒懂）

两次拍摄 → 你站 A 点和 B 点拍同一棵树。
目标框四个角 → 树的四个顶点（比如树冠的四个角）。
迭代猜深度 → 假设树离你 10 米、20 米…，看哪个距离下，“树在两张照片里的位置变化” 最合理（损失最小）。
坐标转换 → 把照片里的树的位置，转成 “离你多远、左边还是右边”（车的 ego 坐标系）。

四、代码的优缺点

优点	缺点
纯几何推导，不依赖 AI 模型，实时性好	依赖目标框检测准确（框不准→深度错）
分三步迭代，兼顾速度和精度	只支持单摄像头，多摄像头融合能力弱
过滤小目标、无效坐标，鲁棒性较强	公式复杂，调试和维护成本高

简单说，这是一套 “用几何公式 + 迭代试错” 算深度的方法，适合对实时性要求高、不想依赖 AI 模型的场景（比如低成本自动驾驶、工业检测）。

一、主函数 `estimate_3d`：统筹全局的 “指挥官”

角色：接收两次拍摄的红绿灯数据（obj1、obj2）和相机参数，指挥各步骤计算深度。

关键步骤（以红绿灯为例）：

“缩小图像” 准备：
ratio = 1/1408 → 把大图像缩成小尺寸（比如原图像 1408 像素宽，缩成 1 像素对应 1408 原像素），方便计算。
“过滤小目标”：
如果第二次拍的红绿灯太小（宽 / 高 <32 像素），直接放弃（太小算不准）。
“算相机位置变化”：
通过 world_cam_1 和 world_cam_2，计算 两次拍摄时相机在世界中的位置和朝向（位姿矩阵）。
- 类比：第一次拍时你站在 A 点，第二次站在 B 点，计算 A→B 的移动和转身。
“选四个角当‘线索’”：
取红绿灯边界框的 四个角（左上、右上、右下、左下），缩放后作为 “特征点”（ul、vl 等）。
- 类比：侦探标记目标的四个角，用它们的位置变化推理距离。
“算相对移动”：
用相机内参 K 处理，得到两次拍摄间的 相对旋转（转身）和平移（移动）（R 和 T）。
“迭代试距离”：
分三步搜索深度 d：
- 第一步：大范围粗试（比如从 -10 米到 10 米，步长 10 米）；
- 第二步：缩小范围细试（步长 1 米）；
- 第三步：精准微调（步长 0.1 米）。
  每次调用 find_best 找最优 d。
“转成车辆坐标”：
把算好的深度 d 转换成 车辆坐标系的 3D 位置（ego_x、ego_y、ego_z），过滤掉太近（<1 米）或太远（>7 米）的无效结果。

二、坐标转换：从 “照片点” 到 “现实位置”

角色：把图像中的红绿灯中心，转换成车辆坐标系的 3D 坐标。

关键步骤（以红绿灯中心为例）：

“找图像中心”：
算红绿灯边界框的中心 (center_x, center_y)，缩放后乘以深度 d，得到 相机视角下的 3D 点（pts3d）。
- 类比：侦探知道 “照片中红绿灯在中间，假设它离相机 d 米远，那么现实中它的位置是… ”
“从相机视角转世界”：
通过相机内参的逆矩阵，把 pts3d 转到 相机坐标系；再通过位姿矩阵，转到 车辆坐标系（pt4d_world）。
- 类比：把 “相机眼里的位置” 转换成 “车辆眼里的位置”（比如车前方 3 米、偏左 0.5 米）。

三、深度搜索 `find_best`：试错找最优距离

角色：模拟 “假设红绿灯在 d 米远，看两次照片的角点是否对齐”，找到最对齐的 d。

关键步骤（以一个角点为例）：

“遍历候选距离”：
从 start 到 end，按 step 试每个 d（比如先试 d=2 米、d=3 米…）。
“过滤无效角点”：
如果角点超出图像范围（比如 u<0 或 u>=3840），跳过（无效线索不算）。
“模拟旋转和平移”：
假设红绿灯在 d 米远，用相对旋转 R 把第一次的角点 “转到第二次相机的视角”，得到 A。
“算对齐误差”：
对比 “模拟位置” 和 “第二次实际检测的角点”，算 水平差 u、垂直差 w、平移差 v/z，再组合成 损失值（分子：误差的平方和；分母：防除零的保护项）。
“选最优距离”：
记录所有 d 中 损失最小的那个（即角点最对齐的 d）。

损失函数重点举例：

场景设定：手机拍两次杯子

你拿着手机，先站在位置 A拍了一张书桌前杯子的照片（左图），然后向前走了0.5 米到位置 B，又拍了一张（右图）。现在要算杯子离你有多远（深度d）。

步骤 1：标记角点

在两张照片里，找到杯子的同一个角（比如左上角）：

左图（位置 A）：角点坐标 (u1=100, v1=200)（像素）。
右图（位置 B）：角点坐标 (u2=80, v2=200)（像素）。

步骤 2：假设一个距离`d`，模拟 “理论位置”

假设杯子离你 d=2米 远，我们要算：如果杯子真的在 2 米处，它在右图里应该出现在哪个位置？

数学模拟（代码里的`R`和`T`）

旋转R：假设你移动时没转动手机（R是 “没转” 的矩阵，角点旋转后还是自己）。
平移T：你向前走了 0.5 米（T=(0, 0, 0.5)，z轴是深度方向）。

计算理论位置

把左图的角点转成 齐次坐标：p = (100, 200, 1)（最后一个1是 “深度维度” 的占位符）。
用旋转R处理：A = R * p → 因为没旋转，A=(100, 200, 1)。
模拟平移后的差异：
- 水平差异u：A(0) - A(2)*u2 = 100 - 1*80 = 20（理论和实际的水平差）。
- 垂直差异w：A(1) - A(2)*v2 = 200 - 1*200 = 0（垂直方向没差异）。
- 平移的水平差v：T(0) - T(2)*u2 = 0 - 0.5*80 = -40（平移带来的水平差）。
- 平移的垂直差z：T(1) - T(2)*v2 = 0 - 0.5*200 = -100（平移带来的垂直差）。

步骤 3：算 “误差分”（损失函数）

把差异做成 “评分公式”，评分越小，说明假设的d越接近真实距离：

分子（误差大小）：
- a = u² + w² = 20² + 0² = 400（水平 + 垂直误差的平方和）。
- b = 2*(u*v + w*z) = 2*(20*(-40) + 0*(-100)) = -1600（交叉项，放大误差）。
- c = v² + z² = (-40)² + (-100)² = 11600（平移误差的平方和）。
分母（防除零保护）：
- r = A(2)² = 1² = 1（和深度相关的归一化项）。
- s = 2*A(2)*T(2) = 2*1*0.5 = 1（旋转和平移的交叉项）。
- t = T(2)² = 0.5² = 0.25（平移的深度平方项）。