基于透视投影直线的几何约束位姿方法技术

本发明专利技术涉及单目视觉位姿解算方法，为解决非共面P4P问题，解决现有P4P算法测量范围小、测量精度低的问题，实现目标位姿的大范围、高精度测量，实现目标位姿的大范围、高精度测量，为此，本发明专利技术采用的技术方案是，根据通用摄像机成像系统，提出透视投影直线，结合4个非共面特征点之间的几何约束，建立求解4个非共面特征点在摄像机坐标系下坐标的最优目标函数；根据求解得到的特征点坐标，求解了目标的旋转矩阵和平移向量，从而得到目标的位置和姿态参数。本发明专利技术主要应用于单目视觉位姿解算场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单目视觉位姿解算方法，具体涉及一种基于透视投影直线的几何约束位姿方法。
技术介绍
单目视觉位姿解算算法，是通过单个视觉传感器获取目标图像特征，由二维图像特征推算目标三维空间坐标。根据图像特征种类，其又可定义为PnP问题：即通过点特征数据获取目标的位姿信息。点特征数据一般由一系列点对组成，点对包括物方空间标识点和其对应的投影点。对PnP问题的各种解决方案，例如EPnP算法、DLS算法、RPnP算法、ASPnP算法和LHM算法等等均可以快速、高精度解决PnP问题。但是，上述算法仅适用于几十个甚至上百个点对的情景，且其测量精度随着点对数量的减少而迅速下降。考虑到视觉位姿测量技术多应用于恶劣的测量环境中，测量目标很难提供足够数量的稳定的可识别的标识点。其中DLS算法可应用在n<7的情况，但是目标的运动范围和运动方式受到极大约束。因此，PnP算法，尤其是P4P算法，仍然存在很大的提高空间。现有的P4P算法可以归纳为两类：一类是基于成像模型的算法，此类算法依赖于其几何成像模型相对于实际成像模型的近似程度；另一类为几何构型算法，通过计算几何特征在图像空间和物方空间之间的旋转平移变换得到目标的位姿信息。此算法所采用的几何特征包括距离、夹角、平行和垂直等等。POSIT算法是第一类算法的代表性解决方案且是解决P4P问题的常用算法。其使用正交缩放投影获取目标的初始旋转矩阵和平移向量，然后通过迭代更新标识点在正交缩放投影中对应的图像坐标，进而获取更加准确的旋转矩阵和平移向量，重复此迭代过程直至得到足够精度的旋转矩阵和平移向量。由于POSIT算法的稳定性和高精度，其不断被引入到复杂干扰环境的视觉位姿测量应用。第二类算法利用了特殊标识点的几何构型优势，其在近年的P4P算法研究中占据了重要地位。Liu.M.L.等人充分利用4个非共面标识点的几何构型约束，包括夹角、混合积和距离约束等等。后续的算法研究均没有超出Liu.M.L.等人提出的几何构型约束。Z.Y.Hu等人使用数学方法分析了非共面4点的几何构型约束问题。他们量化了位姿求解方程可能解的个数和几何构型的数量之间的关系。Wu PC等人提出了一个解析运动模型用于排除可能解。Yang Guo研究了共面P4P问题，通过透视投影和仿射投影的转换及仿射变换不变形，提出并验证了共面P4P问题的解的上限2个。同时提出了应用于共面P4P问题的奇异值分解算法，但没有进行实验验证。Long Li等人引入了Frobenius范数替代奇异值分解，但是该方法仅提高了算法的运行速度，未能提高算法的精度和抗噪声能力。Bujnak M.等人和Kuang Y.等人研究了从P4P算法反算有效焦距的问题，忽略了P4P算法的精度。总结上述研究可以发现，P4P算法的发展过程缓慢，尤其在算法精度研究方面。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，解决非共面P4P问题，解决现有P4P算法测量范围小、测量精
度低的问题，实现目标位姿的大范围、高精度测量，为此，本专利技术采用的技术方案是，基于透视投影直线的几何约束位姿方法,设：Πc为感光平面，1为透视投影直线，点Pi为位于透视投影直线1上的待测目标点，任意一条透视投影直线1均穿过平面Πm和平面Πn，交感光平面Πc于点I，则透视投影直线l由其与平面Πm的交点Pm、与平面Πn的交点Pn确定，忽略平面的深度信息，平面∏ε(x,y)到平面∏c(u,v)的映射中ε为n或m，平面∏ε(x,y)和平面∏c(u,v)之间存在一一映射关系，前述字符组合右下角标c、m、n、ε表示平面序号，右上角标m、n、i表示点位于该平面上，gx和gy表示平面对应的有理函数，u、v表示特征点的图像坐标，将此映射定义为： x = g x σ ( u , v ) y = g y σ ( u , v ) - - - ( 1 ) ]]>则点Pi(xi,yi,zi)由式(2)表示。 { x i = f x ( z i ) = g x n ( u , v ) + ( g x m ( u , v ) - g x n ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于透视投影直线的几何约束位姿方法，其特征是，设:Πc为感光平面，1为透视投影直线，点Pi为位于透视投影直线1上的待测目标点，任意一条透视投影直线1均穿过平面Πm和平面Πn，交感光平面Πc于点I，则透视投影直线1由其与平面Πm的交点Pm、与平面Πn的交点Pn确定，忽略平面的深度信息，平面∏ε(x,y)到平面∏c(u,v)的映射中ε为n或m，平面∏ε(x,y)和平面∏c(u,v)之间存在一一映射关系，前述字符组合右下角标c、m、n、ε表示平面序号，右上角标m、n、i表示点位于该平面上，gx和gy表示平面对应的有理函数，u、v表示特征点的图像坐标，将此映射定义为：x=gxσ(u,v)y=gyσ(u,v)---(1)]]>则点Pi(xi,yi,zi)由式(2)表示。xi=fx(zi)=gxn(u,v)+(gxm(u,v)-gxn(u,v))(zi-zn)/(zm-zn)yi=fy(zi)=gyn(u,v)+(gym(u,v)-gyn(u,v))(zi-zn)/(zm-zn)---(2)]]>式(2)中，唯一的未知量为点Pi的深度信息zi，若可以通过多个点特征之间的几何约束得到其深度信息zi，则通过式(2)可以得到特征点的三维坐标，从而解算测量目标位置和姿态参数，右下角标x和y分别表示x坐标和y坐标，fx和fy分别为特征点的x坐标和y坐标的函数；深度信息zi获得步骤：点和点所在坐标系为坐标系o‑ijk为摄像机坐标系，则点和点之间的关系为：Rxkcykczkc+T=xkjykjzkj---(3)]]>式中R为旋转平移矩阵，右下角标k表示点序号，其列向量为单位向量且相互正交，选用非共面的4个特征点组成高级几何特征求解式(3)，4个特征点在世界坐标系和图像坐标系的坐标值已知，因此，4个特征点在摄像机坐标系下的坐标由式(2)表示，即对进行求解来得到特征点在摄像机坐标系下的坐标值；特征点的连线在空间形成一个几何图形，根据该几何图像的空间几何形状，物体的空间几何形状包括线段、角度、平面，来实现对的求解，4个点围成的图形的空间几何模型已知，该几何图形包括个三角形，其中每个三角形具有3条边，任意三角形的边长可表示为：其中，右下角标σ、τ、υ、ω表示点序号，fxτ表示点τ的x坐标函数，任意一个三角形具有3个角，同时任意4个点可以形成3对向量，每对向量形成1个夹角，角度约束根据下式来表示：采用式(6)中所示的约束，其中P′为点P3到平面P0P1P2的投影；综合上述条件得到如下的方程组(角标w表示点位于世界坐标系内)：由于方向目标函数r比距离目标函数e(σ,τ)、角度目标函数h(σ,τ,υ)和l(σ,τ,υ,ω)的收敛速度明显要快，同时距离约束的重要性要高于角度约束，所以将目标约束函数r乘以惩罚因子M1,e(σ,τ)乘以惩罚因子M2构建关于的无约束非线性最优化目标函数：F=M1·r+M2·Σσ=03Στ=σ+13e(σ,τ)+Σσ=03Στ=σ+1υ≠σ,τ3h(σ,τ,υ)+Σσ=03Στ=σ+1k≠σ,τυ≠σ,τ,ω3l(σ,τ,υ,ω)---(8)]]>采用迭代方法Levenberg‑Marquardt优化即可求解出最终的...

【技术特征摘要】
1.一种基于透视投影直线的几何约束位姿方法，其特征是，设:Πc为感光平面，1为透视投影直线，点Pi为位于透视投影直线1上的待测目标点，任意一条透视投影直线1均穿过平面Πm和平面Πn，交感光平面Πc于点I，则透视投影直线1由其与平面Πm的交点Pm、与平面Πn的交点Pn确定，忽略平面的深度信息，平面∏ε(x,y)到平面∏c(u,v)的映射中ε为n或m，平面∏ε(x,y)和平面∏c(u,v)之间存在一一映射关系，前述字符组合右下角标c、m、n、ε表示平面序号，右上角标m、n、i表示点位于该平面上，gx和gy表示平面对应的有理函数，u、v表示特征点的图像坐标，将此映射定义为： x = g x σ ( u , v ) y = g y σ ( u , v ) - - - ( 1 ) ]]>则点Pi(xi,yi,zi)由式(2)表示。 x i = f x ( z i ) = g x n ( u , v ) + ( g x m ( u , v ) - g x n ( u , v ) ) ( z i - z n ) / ( z m - z n ) y i = f y ( z i ) = g y n ( u , v ) + ( g y m ( u , v ) - g y n ( u , v ) ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙长库，孙鹏飞，王鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12