一种基于直线的目标模型及定位方法技术

本发明专利技术公开一种三维物体定位的目标模型及定位方法，用四棱锥模型定位能够获得精确的三维物体的深度和姿态信息。四棱锥目标模型的四个侧面及放置底面是黑白相间的颜色，四棱锥目标模型上含有十二条直线，四棱锥目标模型以正方形底面绕轴心旋转４５度摆放。结合模型，设计了一种定位算法。对于四棱锥目标模型上任意三条交于两点的直线（其中：两个交点与摄像机光心的距离不相等），根据直线之间的角度信息和直线的长度信息，建立定位数学模型。对该模型，基于几何意义并结合步长加速法进行求解。本发明专利技术具有图像处理容易、抗遮挡能力强、选线自由、定位精度高、定位算法简单和实时性强的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像处理技术，具体地说是一种基于直线的目标模型及定 位方法。
技术介绍
可以获得位姿信息的视觉方法有许多，典型的有双目或多目立方体视 觉，基于模型的单目视觉等。基于模型的单目视觉是指仅利用一台摄像机 拍摄单张照片来进行定位工作。因其仅需一台视觉传感器，所以该方法结 构简单，同时还避免了立体视觉中的视场小，立体匹配困难等问题。其前 提条件是物体的几何模型已知。当前基于模型单目视觉定位的模型特征分为点、直线与曲线等几类。 相对来说，对基于点特征的单目视觉定位方法研究较多，而基于直线特征 的单目视觉定位方法现在研究的还比较少。而且，在某些特定的环境中， 直线特征定位方法比点特征定位方法具有一定的优势。直线特征的优势表现在以下几方面(1)自然环境的图像包含很多的直线特征。(2)在图像 上直线特征比点特征的提取精度更高。(3)直线特征抗遮挡能力比较强。 同时相对于更高级的几何特征(曲线、椭圆等)，直线特征也具有优势，具 体表现在以下几方面(1)在周围自然环境的图像中，直线比其他的高级 几何特征更常见，同时也更容易提取。(2)直线的数学表达式更简单，处 理起来效率更高。因此综合来看，采用直线特征进行视觉定位在某些方面 具有其它特征所不具有的优势，在实现高精度、实时自主定位方面有着广 泛的应用前景。直线特征定位研究集中在三方面(1 )基于直线的合作目标设计；(2) 直线定位算法；(3)迭代求解方法。(1) 基于直线的合作目标设计目前，合作目标的设计多是基于点的设计，基于直线的合作目标设计 研究很少。直线在图像处理方面具有优势，因此基于直线的合作目标设计 在实际应用中具有一定的应用价值。(2) 直线定位算法目前，理论上研究最多的是利用三线定位的问题，即 perspective-three-line,以下简称(P3L )问题。对于P3L问题，大部分学者通过图像直线和摄像机光心构成的解释平面的法向量和物体直线垂直来建立数学模型。这种方法要求确定物体位姿的三条直线中至少有两条不平行 且不和光心共面，进而建立由三条直线构成的三个非线性方程，其数学模型可以描述如下假设摄像机坐标系和物体坐标系之间的旋转矩阵为w，对 空间直线、已知其在物体坐标系下的方向矢量为、经过旋转变换到摄像 机坐标系下，有&=/^'。由数学模型得到关于旋转矩阵^的关系式为乾'^'=(),因此只要通过三条直线的投影方程，就能通过解方程组得到w矩 阵的三个参量，即可以求得^矩阵。这种方法有效地解决了使用直线特征如 何进行视觉定位的问题，其中的不足之处是非线性方程组复杂，定位误差 较大。(3)求解方法目前，求解的方法主要有两种， 一种是解析解， 一种是数值解。对于 解析解(闭式解)方法,Dhome (文献1: M.Dhome, M.Richetic,J,T丄apreste, and G.Rives， "Determination of the attitude of 3-D objects from a single perspective view, " IEEE Trans.Pattem Anal.Machine Intell, vol.11, no.12, pp.1266-1278, 1989 )和Chen(文献2: H.Chen， "Pose determination from line to plane correspondences: existence solution and closed form solutions,，' 正EE Trans.Pattem Anal.Machine Intell, vol 13， no.6 pp.530-541.)由空间任意三条线通过建立特殊的模型坐标系推导出一个八次多项式，这个八次多 项式可以由闭式解的方法来确定物体的位姿。Radu Horaud (文献3: Horaud .R.Conio.B丄eboullcux O and Lacolle， B, "An analytic solution for the perspective 4-point Problem , "Computer Vision Graphics and image processing, vol 47， no.l, pp. 33-44, 1989)对于非共面的三条直线得到一 个四次多项式，最后也可以由迭代的方法通过闭式解的方式确定物体的位 姿。解析解方法的弱点是多解问题，定位误差大。许多学者提出来各种不同的迭代方法来解决解析解的多解问题，也就是数值解方法。对于数值解 方法,Yuan (文献4: J S-C Yuan. "A general photogrammetric method for determining object position and orientation, "IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 5， no.2, pp.129 142 )建议把旋转矩阵R参数从T参 数中分离出来，集中计算旋转矩阵R参数。旋转矩阵R是通过正交矩阵来 表示，解是通过六个二次多项式的公共根来表示，这个公共根通过牛顿迭 代梯度法得到，然而作者注意到在使用牛顿迭代梯度法时会出现局部最优 解。Lowe(文献5: D Lowe. "Three-dimensional Object Recognition from Single Two-dimensional Images, ，， Artificial Intelligence, vol 31 ， pp.355 395, 1987.)使用牛顿迭代法估计物体相对于摄像机的方向和位置参数，和Yuan") 的方法一样，Lowe注意到牛顿迭代法的一些问题，并且在以后的文章中他研究了怎样处理初值和稳定性问题。Liu(文献6: YLiu, T S Huang, OD Faugeras. "Determination of camera location from 2-D to 3-D line and point correspondences, " IEEE Trans.Pattern Anal.Machine Intell， vol2， no 1, pp.28 37， 1990)使用交替迭代法来求解视觉参数，旋转矩阵以欧拉角来表 示，并且作者把误差功能函数线性化，他们注意到当三个欧拉角比30度小 的时候这种方法工作起来效果好。Thai Quynh Phong (文献7: Thai quynh phong, "Object Pose from 2-D to 3-D Point and Line Correspondences," International Joural of Computer Vision, vol 15， pp.225-243, 1995 )使.用最 优区域优化方法求解。Stephane(文献9: Stephane Christy and Radu Horaud, "Iterative Pose Computation from Line Correspondences, " Comp本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于直线的目标模型，其特征在于：为四棱锥模型，配设一放置底面；所述放置底面为四个分体正方形拼合成一个整体正方形结构，所述四个分体正方形在颜色上为黑白相间设置，底面上四个分体正方形的交线为位于底面中心、且相交的四条直线；所述四棱锥结构由四条底边和四条侧边共八条直线构成，四棱锥模型的四个侧面在颜色上为黑白相间设置；所述四棱锥模型绕整体正方形底面轴心旋转４５度放置在底面上，四棱锥的侧面和底面的整体正方形在颜色上亦为黑白相间设置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱枫，秦丽娟，郝颖明，周静，欧锦军，付双飞，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]