一种单目视觉位姿测量系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种单目视觉位姿测量系统，至少包括搭载合作目标模板的目标物，位姿图像采集单元、图像处理单元、电源及显示存储单元，所述的合作目标模板采用四个共面圆环组成，圆环面积大小不一；位姿图像采集单元为基于USB接口的相机，位姿图像采集单元与图像处理单元相连接，将数据输出至图像处理单元；所述的图像处理单元设置有USB接口和网口或串口，所述的图像处理单元采用STM320DM8148硬件平台，内部集成了ARM和DSP的异构双核处理器；图像处理单元通过网口或串口将数据输出，所述的电源与图像处理单元连接并供电。该系统提供了一种硬件平台，能够与算法相结合，从而实现单目视觉位姿精确测量。

【技术实现步骤摘要】

本技术提供了一种单目视觉位姿测量系统，属于视觉检测

技术介绍
视觉检测技术是近二十几年来发展的一门新兴测量技术，采用了大量自动化、智能化技术，通过计算机识别和控制，测量过程只需很少的人工干预就可完成。随着视觉技术的不断发展成熟，使得它在工业、医学、航空航天、军事等领域获得了广泛的应用。视觉技术可以代替人类进行尺寸检测、目标物跟踪、机器人导航等，而对于重复性高、非接触精密测量、信息获取迅速以及现场环境恶劣的应用更加适合。目前大多数对视觉测量的研究都是基于PC端，因其体积大、功耗高，大多不适合机载，因此如何将嵌入式技术应用到视觉检测技术中逐渐受到关注，并日益成为研究的热点。但视觉检测相关算法复杂，图像处理计算量大，跟踪的实时性问题一直未得到有效解决，其中硬件平台的性能和软件算法的效率是两大影响因素，因此，在该领域仍须做大量的研究工作。视觉测量系统中的图像采集硬件平台系统主要包括以下部分：图像采集单元，图像处理分析单元，数据存储单元和控制反馈单元等。其中，图像采集单元是计算机视觉系统中获取信息的关键部件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号并通过一定的方式传输到信号处理平台。而图像采集单元的设计主要与光学敏感器及其接口有关。传统的视觉测量系统大多基于“CCD十视频信号处理芯片+CPLD/FPGA+DSP”构架的。目前这种构架相对成熟，但CCD传感器需要数量可观的外部支持电路，在电源管理电路设计上的难度更高。其功耗和体积较大，硬件设计复杂，开发难度较大。CMOS传感器具有体积小、功耗低、高集成度、新型USB接口及红外接口技术这些突出的优点。其原有的出现杂点的几率很大，很容易受干扰影响现在成熟的产品也都能从后级电路上进行补偿和优化，使得COMS技术的摄像头成品成为市场主导产品。基于USB接口的COMS相机不需要额外的采集设备即可获得实时无压缩视频数据和对图像的捕捉。但其传输过程涉及复杂通信协议，若是基于传统的“CPLD/FPGA+DSP”构架，需要构建相当复杂的逻辑电路来管理。而ARM处理器在这类系统中能很好的发挥控制功能，只需要使用内部的USB Host驱动接收摄像头数据，就可以获得完整的或者压缩过的图像或者视频。在图像的存储和处理方面，对于己经上了操作系统的这种图像采集处理平台，图像可以作为文件，存储在文件系统里面对数据的处理。而单一的ARM处理器在处理复杂图像算法时稍显不足，无法胜任运算复杂度较高的任务。DSP芯片的可编程性和强大的处理能力，使其可用于快速地实现各种数字信号处理算法，成为目前图像处理系统的最佳选择。因此，我们提出采用“COMS+ARM+DSP”架构来构建视觉测量硬件平台。TI公司的达芬奇系列处理器集成了ARM和DSP的异构双核处理器，使得达芬奇处理器具备了ARM和DSP各自的优势，能很好地满足应用需求。目前国内对于单目视觉位姿测量系统的研究大多还处于理论仿真阶段，还没有成型的产品。单目视觉位姿测量方法也大多基于PC端，依赖于OpenCV计算机视觉库。由于有PC机强大的硬件作为保障，在应用开发的过程中不需要过多的考虑系统开销问题，OpenCV视觉库提供丰富的视觉处理算法，简化了算法的实现难度。但考虑到PC机体型大不便于普及应用，随着嵌入式技术的发展，相关的硬件平台性能进一步提升，让嵌入式平台对于视觉图像处理相关应用也能够较好的支持。而且嵌入式本身具有低功耗和低成本的特点，使得基于嵌入式技术的视觉测量系统受到了越来越多的关注。因此，研究一种高效可靠的单目视觉位姿测量系统很有必要。
技术实现思路
本技术提供了一种基于合作目标的单目视觉位姿测量系统，解决了
技术介绍
中的不足，该系统提供了一种硬件平台，能够与算法相结合，从而实现单目视觉位姿精确测量。实现本技术上述目的所采用的技术方案为：一种单目视觉位姿测量系统，至少包括合作目标模板、位姿图像采集单元、图像处理单元、电源及显示存储单元，合作目标模板搭载在目标物上，所述的合作目标模板为四个共面的圆环，且四个圆环的面积大小均不相同；所述的位姿图像采集单元为基于USB接口的COMS相机，所述COMS相机中包括图像传感部分、信号读出电路和控制电路，图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，位姿图像采集单元与图像处理单元相连接，将位姿图像数据通过USB接口输出至图像处理单元；所述的图像处理单元设置有用于接收位姿图像数据的USB接口和用于传输数据的网口或串口，所述的图像处理单元采用TI公司的STM320DM8148硬件平台，其内部集成了ARM和DSP的异构双核处理器；图像处理单元与显示存储单元连接，所述的电源与图像处理单元连接并给图像处理单元供电。所述的显示存储单元为显示屏加SD卡，或者为PC端。与现有技术相比，本技术采用“COMS+ARM+DSP”架构来构建视觉测量硬件平台。基于USB接口的COMS相机不需要额外的采集设备即可获得实时无压缩视频数据和对图像的捕捉。TI公司的达芬奇系列处理器集成了ARM和DSP的异构双核处理器，使得达芬奇处理器具备了ARM和DSP各自的优势，ARM作为主控处理器，负责外设和数据采集功能，DSP因其具备高效的运算能力，用于位姿解算处理。克服了传统基于PC端视觉检测技术中，针对应用于特殊环境时体积过大，不便于携带等问题，同时也避免了基于普通嵌入式平台实时性和效率不好的问题。具有低功耗和低成本的特点，能很好地满足应用需求。本系统所结合的算法在位姿测量方法上提出采用Otsu法进行二值化，相比传统的方法，Otsu法在嵌入式平台运行效率更高。同时，因为两帧图像的差别不大，本系统计算阈值时可以采用上一帧计算好的值，这样计算阈值和二值化可以并行进行，速度可以极大提高。附图说明图1为本技术提供的位姿测量系统的原理框图；图2为算法流程图；图3为坐标转换图；图4为数据传输图。具体实施方式下面结合附图对本技术做详细具体的说明，但是本技术的保护范围并不局限于以下实施例。本技术提供的位姿测量系统分为五个部分：合作目标模板，位姿图像采集单元、图像处理单元、电源及显示和存储单元。整个系统的结构框图如图1所示。(1)合作目标模板：本系统在使用时合作目标模板搭载在目标物上，所述的合作目标模板采用含四个共面圆环标志作为合作目标模板，为便于识别圆的对应关系，四个圆环的面积大小均设为不同。(2)位姿图像采集单元：本设计方案采用基于USB接口的COMS相机获取位姿图像，所述COMS相机中包括图像传感部分、信号读出电路和控制电路，图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，位姿图像采集单元与图像处理单元相连接，将位姿图像数据通过USB接口输出至图像处理单元，其输出的数据为1280*1024灰度图像。(3)图像处理单元：通过USB接口采集位姿图像信息，经智能图像处理算法处理后，将处理结果和原始图像通过显示单元显示并通过存储单元保存。其中，智能处理算法部分主要涉及到图像二值化、特征点提取和位姿解算三部分。(4)电源：将市电220V电压转换DC12V电压并给DM8148硬件平台供电。(5)显示和存储单元：负责与图像处理单元建立连接，实时显示并存储图像处理单元输出的原始图像数据以及智能算法处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单目视觉位姿测量系统，至少包括合作目标模板、位姿图像采集单元、图像处理单元、电源及显示存储单元，其特征在于：合作目标模板搭载在目标物上，所述的合作目标模板为四个共面的圆环，且四个圆环的面积大小均不相同；所述的位姿图像采集单元为基于USB接口的COMS相机，所述COMS相机中包括图像传感部分、信号读出电路和控制电路，图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，位姿图像采集单元与图像处理单元相连接，将位姿图像数据通过USB接口输出至图像处理单元；所述的图像处理单元设置有用于接收位姿图像数据的USB接口和用于传输数据的网口或串口，所述的图像处理单元采用TI公司的STM320DM8148硬件平台，其内部集成了ARM和DSP的异构双核处理器；图像处理单元与显示存储单元连接，所述的电源与图像处理单元连接并给图像处理单元供电。

【技术特征摘要】
1.一种单目视觉位姿测量系统，至少包括合作目标模板、位姿图像采集单元、图像处理单元、电源及显示存储单元，其特征在于：合作目标模板搭载在目标物上，所述的合作目标模板为四个共面的圆环，且四个圆环的面积大小均不相同；所述的位姿图像采集单元为基于USB接口的COMS相机，所述COMS相机中包括图像传感部分、信号读出电路和控制电路，图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，位姿图像采集单元与图像处理单元相连接，将位姿图...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莉君，罗小依，姜珺，李能，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：新型
国别省市：湖北;42