一种基于视觉的空间定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于方形标签和视觉的空间定位方法，包括如下步骤：通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。能够解决当前空间定位方法速度缓慢，精度不高，操作复杂，设备要求高等问题。

A vision based spatial location method

The invention provides a spatial positioning method based on square label and vision, which comprises the following steps: obtaining the internal parameter matrix of two cameras by calibration; setting square labels with different IDS at a fixed point and a position to be positioned; using two cameras to photograph square labels at fixed points and locations to be positioned simultaneously, and The coordinate information of the rectangular labels is obtained, and the three rotation angles of the three-dimensional world coordinate system and the camera coordinate system from the fixed point to the three-dimensional world coordinate system are obtained according to the coordinate information and the internal parameter matrix of the two cameras, and the three-dimensional world coordinate system and the camera coordinate system from the fixed point to the three-dimensional world coordinate system are obtained according to the two cameras. The three rotation angles of the coordinate system are used to calculate the three-dimensional world coordinates of the center point of each square label with the fixed point as the origin. It can solve the problems of slow speed, low precision, complex operation and high equipment requirement of current space positioning methods.

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉的空间定位方法
本专利技术涉及数字图像处理和计算机视觉领域，特别是涉及一种准确定位空间中任意点的世界坐标的方法和系统，属于空间定位技术，尤其适用于机器人定位和工业自动化生产。
技术介绍
近几年，人工智能得到了迅速的发展，甚至成为世界各国竞争科技强国的重要因素。计算机视觉技术作为人工智能领域的重要分支，得到了广大研究者的关注。基于视觉的空间定位技术也被应用于大量的机器视觉系统。空间定位技术应用广泛，包括机器人定位，工业自动化生产，监控，工程测绘以及军事航空航天等领域。比如在机器人抓取物体时，需要通过准确定位物体从而抓取。在多自由度机械手工作时，是否能够精确定位各个关节点位置对安全生产有重要意义。在监控领域，空间定位技术可以准确监控物体是否发生移位。很多研究者提出了空间定位方法。中国科学院自动化研究所机器人视觉研究组专利技术了CVSuite软件，实现了图像的特征点提取，匹配，相机的标定和最后三维显示的功能，运用起来方便，但运行速度缓慢，影响实时定位效果且精度也不够高。还有近几年特别火热的视觉SLAM(即时定位与地图构建)技术，已经成功应用到许多机器人当中，但它操作较为复杂，且对摄像头要求较高。
技术实现思路
本专利技术主要目的是提供一种基于方形标签和视觉的空间定位方法，能够解决当前空间定位方法速度缓慢，精度不高，操作复杂，设备要求高等问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：一种基于视觉的空间定位方法，包括如下步骤：通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。进一步地，通过标定，获取两个相机的内参数矩阵包括：通过相机拍摄采集具有棋盘格的标定板的若干标定图片；提取每一张标定图片中棋盘格上的内角点信息，得到每一个内角点的2D像素坐标及以左上角第一个内角点为原点的3d世界坐标并据此计算该相机的内参数矩阵K。进一步地，根据下式计算该相机的内参数矩阵：其中，K表示相机的内参矩阵，fx和fy分别表示坐标系中x轴和y轴方向的尺度因子，s表示两个坐标系的畸变系数，(u0，v0)是主点坐标，R是一个3×3的旋转矩阵，t是1×3的平移向量，(Xw，Yw，Zw)和(u，v)是某一点的3d/2d坐标。进一步地，各方形标签的坐标信息包括，各方形标签的id和各方形标签的四个顶点的像素坐标。进一步地，使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息包括：使用两个相机在不同位置同时拍摄设置有方形标签位置的图像，再求取图像的梯度图像，提取梯度图像中的直线，检测方形角点，得到若干方形区域及其关键的角点；将所述方形区域和标签库中的方形标签进行逐个匹配对比，从而确定各个方形标签在图像中的位置，并得到每一个方形标签的id，根据角点信息得到每一个方形标签的四个顶点在像平面坐标系的像素坐标，从而得到各个标签中心点P的像素坐标P(u，v)；取固定点处的方形标签中心点为原点Ow(0，0，0)，以四个顶点世界坐标(-n，-n，0)，(n，-n，0)，(n，n，0)和(-n，n，0)作为固定点处标签的四个顶点3D坐标以及对应的2D像素坐标，n为方形标签的边长。进一步地，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角包括：将四个顶点3D坐标以及对应的2D像素坐标代入如下的像素坐标系和世界坐标系转换式，求得相机的旋转矩阵R和平移向量T；世界坐标系原点Ow在相机坐标系中相应的投影点ow的坐标为(T1，T2，T3)；根据旋转矩阵R，由如下的计算式分别依次求出相机坐标系旋转至与世界坐标系完全平行的三个旋转角θz，θy和θx，θz＝atan2(R21，R11)θx＝atan2(R32，R33)。进一步地，还包括：根据前述求得的ow(T11，T12，T13)和三个旋转角θz，θy和θx，，将原始相机坐标系依次绕z轴旋转θz，绕y轴旋转θy，绕x轴旋转θx得到与世界坐标系平行的坐标系，将ow绕z轴旋转-θz，绕y轴旋转-θy，绕x轴旋转-θx得到ow2(x2，y2，z2),，使相机Oc在世界坐标系的坐标为(-x2，-y2，-z2)。进一步地，根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位包括：通过如下计算式分别求出需定位位置P在两个相机坐标系对应的投影点三维坐标P1(xpc1，ypc1，zpc1)和P2(xpc2，ypc2，zpc2)，xc＝(u-u0)·F/fxyc＝(v-v0)·F/fyzc＝F；将两个相机坐标系分别依次经过三次旋转得到与世界坐标系平行的坐标系，分别将Pc1和Pc2依次经过三次反向旋转得到相对相机的三维坐标P1(xpw1，ypw1，zpw1)和P2(xpw2，ypw2，zpw2)；求得两个相机的世界坐标Oc1(xow1，yow1，zow1)和Oc2(xow2，yow2，zow2),P1和P2的世界坐标：P1(xpw1+xow1，ypw1+yow1，zpw1+zow1)和P2(xpw2+xow2，ypw2+yow2，zpw2+zow2)，得到两条直线Oc1P1和Oc2P2；分别将Oc1和P1坐标、Oc2和P2坐标代入如下计算式，求得直线Oc1P1、Oc2P2的方程；以两条直线Oc1P1和Oc2P2的交点确定需定位位置P。进一步地，还包括消除误差，包括：当两条直线Oc1P1和Oc2P2的交点不存在，则求取两条直线Oc1P1和Oc2P2的距离最近点的中点，作为需定位位置P的三维世界坐标。通过采取上述技术方案，本专利技术仅需要两个普通的相机和准备好的方形标签就能完成空间精确定位，对相机的要求极低，从而使整个方案实现的成本低，成效高。本专利技术提出的基于方形标签的空间定位方法过程中，相机标定过程简单易实现，标定准确度高，所需设备简单，算法复杂度低且定位精度高可以广泛地用于机器人定位系统，工业自动化实时的生产和视频监控等领域。附图说明图1是本专利技术一实施例中基于视觉的空间定位方法的流程示意图；图2是本专利技术一实施例中标定两个相机的流程示意图；图3是本专利技术一实施例中求取所有标签的中心点三维世界坐标的流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。参考图1及图3，在一实施例中，提供的基于视觉的空间定位方法，具体步骤如下：1)对两个相机进行标定，分别获得两个相机的内参数矩阵(畸变系数在内参数矩阵内)；2)在某一固定点和需要定位的位置设置不同id的方形标签；较为常见地，采用贴设方式设置方形标签。上述的方形标签是类似于二维码的图案，每一个标签对应于唯一的id号和图案排列，编写程序可以识别这个标签并得到相应的id。3)通过准确识别两个相机拍得的图像获取每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉的空间定位方法，包括如下步骤：通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉的空间定位方法，包括如下步骤：通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。2.如权利要求1所述的基于视觉的空间定位方法，其特征在于，通过标定，获取两个相机的内参数矩阵包括：通过相机拍摄采集具有棋盘格的标定板的若干标定图片；提取每一张标定图片中棋盘格上的内角点信息，得到每一个内角点的2D像素坐标及以左上角第一个内角点为原点的3d世界坐标并据此计算该相机的内参数矩阵K。3.如权利要求2所述的基于视觉的空间定位方法，其特征在于，根据下式计算该相机的内参数矩阵：其中，K表示相机的内参矩阵，fx和fy分别表示坐标系中x轴和y轴方向的尺度因子，s表示两个坐标系的畸变系数，(u0，v0)是主点坐标，R是一个3×3的旋转矩阵，t是1×3的平移向量，(Xw，Yw，Zw)和(u，v)是某一点的3d/2d坐标。4.如权利要求1所述的基于视觉的空间定位方法，其特征在于，各方形标签的坐标信息包括，各方形标签的id和各方形标签的四个顶点的像素坐标。5.如权利要求4所述的基于视觉的空间定位方法，其特征在于，使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息包括：使用两个相机在不同位置同时拍摄设置有方形标签位置的图像，再求取图像的梯度图像，提取梯度图像中的直线，检测方形角点，得到若干方形区域及其关键的角点；将所述方形区域和标签库中的方形标签进行逐个匹配对比，从而确定各个方形标签在图像中的位置，并得到每一个方形标签的id，根据角点信息得到每一个方形标签的四个顶点在像平面坐标系的像素坐标，从而得到各个标签中心点P的像素坐标P(u，v)；取固定点处的方形标签中心点为原点Ow(0，0，0)，以四个顶点世界坐标(-n，-n，0)，(n，-n，0)，(n，n，0)和(-n，n，0)作为固定点处标签的四个顶点3D坐标以及对应的2D像素坐标，n为方形标签的边长。6.如权利要求5所述的基于视觉的空间定位方法，其特征在于，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛仕明，刘文瑜，赵胜伟，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11