视觉定位方法和视觉定位装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及视觉定位方法和视觉定位装置。该视觉定位方法包括：在识别对象上设置多个标识点；根据该多个标识点之间的位置关系，对该多个标识点进行拓扑区分；根据该多个标识点之间的拓扑关系，建立标识点三维坐标的线性方程组，并求解该多个标识点的三维坐标；根据标识点的三维坐标，建立标识点坐标系；和，求解该标识点坐标系的旋转矩阵，以得到该识别对象的姿态信息。通过根据本发明专利技术的视觉定位方法和视觉定位装置，可以实现不具有显著的自然特征的识别对象的姿态的实时和高精度定位。

Visual positioning method and visual positioning device

The present invention relates to a visual positioning method and a visual positioning device. Including the visual positioning method: setting a plurality of mark point in object recognition; according to the relationship between the position of the plurality of identifying points, topological distinction to the plurality of identifying points; according to the topological relationship between the plurality of identifying points, established linear equations identification of three-dimensional coordinates and solving the three-dimensional coordinates of the multi a mark point; according to the 3D coordinates of the mark point, a mark point coordinates; and the rotation matrix to calculate the coordinate systems of the logo, in order to get the attitude information of object recognition. By using the visual positioning method and the visual positioning device according to the invention, a real-time and high-precision positioning of the gesture of the recognition object without significant natural characteristics can be achieved.

【技术实现步骤摘要】
视觉定位方法和视觉定位装置
本专利技术总的来说涉及图像处理领域，具体来说涉及用于基于识别对象的几何约束进行视觉定位的视觉定位方法和视觉定位装置。
技术介绍
在自动化设备领域中，越来越依靠使用机器视觉的视觉定位技术。根据目标的不同视觉定位技术按照目标种类进行区分，可以分为基于合作目标的定位技术和基于非合作目标的定位技术。合作目标可以分为自然特征和人工标识物特征。自然特征主要包括目标自身的夹角、直线、圆、矩形、三角形等规则的几何特征。人工标识物又可分为点特征标识物、线特征标识物以及高级几何特征标识物。基于标识点的视觉定位技术又可以称为PnP问题，即通过点特征数据获取目标的姿态信息。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。因此，需要改进的视觉定位方法和视觉定位装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的缺陷和不足，提供能够基于识别对象的几何约束进行识别对象的姿态的实时和高精度定位的新颖的和改进的视觉定位方法和视觉定位装置。根据本专利技术的一方面，提供了一种视觉定位方法，包括：在识别对象上设置多个标识点；根据所述多个标识点之间的位置关系，对所述多个标识点进行拓扑区分；根据所述多个标识点之间的拓扑关系，建立标识点三维坐标的线性方程组，并求解所述多个标识点的三维坐标；根据标识点的三维坐标，建立标识点坐标系；和，求解所述标识点坐标系的旋转矩阵，以得到所述识别对象的姿态信息。在上述视觉定位方法中，所述识别对象是视觉定位眼镜，且所述多个标识点是设置在所述视觉定位眼镜的框架上的五个标识点。在上述视觉定位方法中，所述多个标识点之间的拓扑关系包括所述多个标识点之间的平行和线段比例关系。在上述视觉定位方法中，所述对多个标识点进行拓扑区分的步骤具体包括：利用以下公式(1)判断三个点P1、P2、P3是否位于同一直线上：其中，是由P1、P2、P3组成的两个矢量，且当L小于预定阈值时，确定三个点P1、P2、P3位于同一直线上。在上述视觉定位方法中，所述建立求解标识点三维坐标的线性方程组的步骤具体包括：令标识点在世界坐标系下的坐标为Pwi(xwi,ywi,zwi)，在相机坐标系下的坐标为Pci(xci,yci,zci)，且在成像面上的像素坐标为Iui(xui,yui,1)，则Pci(xci,yci,zci)与Iui(xui,yui,1)的关系表示为以下公式(2)：其中，(dx,dy)为像元尺寸，sx为不垂直因子，f为焦距，(u0,v0)为图像中心；令5个标识点中Pw2Pw3//Pw0Pw4，设2号点到3号点的距离|Pw2Pw3|与0号点到4号点的距离|Pw0Pw4|比为k，得到以下公式(3)：令R、T为标识点从世界坐标系到相机坐标系的变换，得到以下公式(4)：Pci＝R·Pwi+T(4)将公式(4)带入公式(3)，得到公式(5)：Pc2＝R·Pw2+T＝R·(k(Pw4-Pw0)+Pw3)+T＝R·(k(Pw4-Pw0+T-T)+Pw3)+T＝k(RPw4-RPw0+T-T)+RPw3+T＝k(Pc4-Pc0)+Pc3(5)因此得到公式(6)：Pc2＝[Pc0,Pc3,Pc4][-k,1,k]T(6)令Pc＝[Pc0,Pc3,Pc4]，根据公式(2)和公式(6)得到公式(7)：Pc＝[Pc0,Pc3,Pc4]＝K-1diag(λ0,λ3,λ4)[Iu0,Iu3,Iu4](7)将公式(7)两边同时去逆并乘以Pc2得到公式(8)：Pc-1Pc2＝diag(1/λ0,1/λ3,1/λ4)[Iu0,Iu3,Iu4]-1K(λ2K-1Iu2)＝diag(λ2/λ0,λ2/λ3,λ2/λ4)[Iu0,Iu3,Iu4]-1Iu2(8)令[η0,η3,η4]＝[Iu0,Iu3,Iu4]-1Iu2，带入公式(8)得到公式(9)：Pc-1Pc2＝diag(λ2/λ0,λ2/λ3,λ2/λ4)[η0,η3,η4](9)根据公式(6)得到公式(10)：Pc-1Pc2＝[-k,1,k]T(10)联立公式(9)和公式(10)求解出λi，如以下公式(11)表示：根据以下公式(12)由λi表示标识点在相机坐标系下的坐标为：在上述视觉定位方法中，所述建立标识点坐标系的步骤具体包括：根据Pc0、Pc2、Pc3、Pc4四个标识点建立如以下公式(13)表示的标识点坐标系M，坐标系原点为点Pc4：式中为x轴方向向量，为z轴方向向量，为y轴方向向量。在上述视觉定位方法中，所述求解标识点坐标系的旋转矩阵以得到识别对象的姿态信息的步骤具体包括：标识点群在t时刻的坐标系Mt与t+1时刻的坐标系Mt+1之间的关系由公式(14)表示：Mt+1＝R·Mt+T(14)由向量的平移不变性得到以下公式(15)：以公式(16)将公式(15)得到的旋转矩阵欧拉角化：其中，角度α、β和γ分别为所述识别对象在所述相机坐标系中的方位角、俯仰角和横滚角。在上述视觉定位方法中，所述五个标识点是安装在所述视觉识别眼镜的框架上的五个沉降孔中的五个红外LED灯。根据本专利技术的另一方面，提供了一种视觉定位装置，包括：设置单元，用于在识别对象上设置多个标识点；拓扑单元，用于根据所述多个标识点之间的位置关系，对所述多个标识点进行拓扑区分；坐标获取单元，用于根据所述多个标识点之间的拓扑关系，建立标识点三维坐标的线性方程组，并求解该多个标识点的三维坐标；坐标系建立单元，用于根据标识点的三维坐标，建立标识点坐标系；和，信息获取单元，用于求解所述标识点坐标系的旋转矩阵，以得到所述识别对象的姿态信息。在上述视觉定位装置中，所述识别对象是视觉定位眼镜，且所述多个标识点是设置在所述视觉定位眼镜的框架上的五个标识点。在上述视觉定位装置中，所述多个标识点之间的拓扑关系包括所述多个标识点之间的平行和线段比例关系。在上述视觉定位装置中，所述拓扑单元具体用于：利用以下公式(1)判断三个点P1、P2、P3是否位于同一直线上：其中，是由P1、P2、P3组成的两个矢量，且当L小于预定阈值时，确定三个点P1、P2、P3位于同一直线上。在上述视觉定位装置中，所述方程组建立单元具体用于：令标识点在世界坐标系下的坐标为Pwi(xwi,ywi,zwi)，在相机坐标系下的坐标为Pci(xci,yci,zci)，且在成像面上的像素坐标为Iui(xui,yui,1)，则Pci(xci,yci,zci)与Iui(xui,yui,1)的关系表示为以下公式(2)：其中，(dx,dy)为像元尺寸，sx为不垂直因子，f为焦距，(u0,v0)为图像中心；令5个标识点中Pw2Pw3//Pw0Pw4，设2号点到3号点的距离|Pw2Pw3|与0号点到4号点的距离|Pw0Pw4|比为k，得到以下公式(3)：令R、T为标识点从世界坐标系到相机坐标系的变换，得到以下公式(4)：Pci＝R·Pwi+T(4)将公式(4)带入公式(3)，得到公式(5)：Pc2＝R·Pw2+T＝R·(k(Pw4-Pw0)+Pw3)+T＝R·(k(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视觉定位方法，包括：在识别对象上设置多个标识点；根据所述多个标识点之间的位置关系，对所述多个标识点进行拓扑区分；根据所述多个标识点之间的拓扑关系，建立标识点三维坐标的线性方程组，并求解所述多个标识点的三维坐标；根据标识点的三维坐标，建立标识点坐标系；和求解所述标识点坐标系的旋转矩阵，以得到所述识别对象的姿态信息。

【技术特征摘要】
1.一种视觉定位方法，包括：在识别对象上设置多个标识点；根据所述多个标识点之间的位置关系，对所述多个标识点进行拓扑区分；根据所述多个标识点之间的拓扑关系，建立标识点三维坐标的线性方程组，并求解所述多个标识点的三维坐标；根据标识点的三维坐标，建立标识点坐标系；和求解所述标识点坐标系的旋转矩阵，以得到所述识别对象的姿态信息。2.根据权利要求1所述的视觉定位方法，其特征在于，所述识别对象是视觉定位眼镜，且所述多个标识点是设置在所述视觉定位眼镜的框架上的五个标识点。3.根据权利要求1所述的视觉定位方法，其特征在于，所述多个标识点之间的拓扑关系包括所述多个标识点之间的平行和线段比例关系。4.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述对多个标识点进行拓扑区分的步骤具体包括：利用以下公式(1)判断三个点P1、P2、P3是否位于同一直线上：其中，是由P1、P2、P3组成的两个矢量，且当L小于预定阈值时，确定三个点P1、P2、P3位于同一直线上。5.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述建立求解标识点三维坐标的线性方程组的步骤具体包括：令标识点在世界坐标系下的坐标为Pwi(xwi,ywi,zwi)，在相机坐标系下的坐标为Pci(xci,yci,zci)，且在成像面上的像素坐标为Iui(xui,yui,1)，则Pci(xci,yci,zci)与Iui(xui,yui,1)的关系表示为以下公式(2)：其中，(dx,dy)为像元尺寸，sx为不垂直因子，f为焦距，(u0,v0)为图像中心；令5个标识点中Pw2Pw3//Pw0Pw4，设2号点到3号点的距离|Pw2Pw3|与0号点到4号点的距离|Pw0Pw4|比为k，得到以下公式(3)：令R、T为标识点从世界坐标系到相机坐标系的变换，得到以下公式(4)：Pci＝R·Pwi+T(4)将公式(4)带入公式(3)，得到公式(5)：Pc2＝R·Pw2+T＝R·(k(Pw4-Pw0)+Pw3)+T＝R·(k(Pw4-Pw0+T-T)+Pw3)+T＝k(RPw4-RPw0+T-T)+RPw3+T＝k(Pc4-Pc0)+Pc3(5)因此得到公式(6)：Pc2＝[Pc0,Pc3,Pc4][-k,1,k]T(6)令Pc＝[Pc0,Pc3,Pc4]，根据公式(2)和公式(6)得到公式(7)：Pc＝[Pc0,Pc3,Pc4]＝K-1diag(λ0,λ3,λ4)[Iu0,Iu3,Iu4](7)将公式(7)两边同时去逆并乘以Pc2得到公式(8)：Pc-1Pc2＝diag(1/λ0,1/λ3,1/λ4)[Iu0,Iu3,Iu4]-1K(λ2K-1Iu2)＝diag(λ2/λ0,λ2/λ3,λ2/λ4)[Iu0,Iu3,Iu4]-1Iu2(8)令[η0,η3,η4]＝[Iu0,Iu3,Iu4]-1Iu2，带入公式(8)得到公式(9)：Pc-1Pc2＝diag(λ2/λ0,λ2/λ3,λ2/λ4)[η0,η3,η4](9)根据公式(6)得到公式(10)：Pc-1Pc2＝[-k,1,k]T(10)联立公式(9)和公式(10)求解出λi，如以下公式(11)表示：根据以下公式(12)由λi表示标识点在相机坐标系下的坐标为：6.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述建立标识点坐标系的步骤具体包括：根据Pc0、Pc2、Pc3、Pc4四个标识点建立如以下公式(13)表示的标识点坐标系M，坐标系原点为点Pc4：式中为x轴方向向量，为z轴方向向量，为y轴方向向量。7.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述求解标识点坐标系的旋转矩阵以得到识别对象的姿态信息的步骤具体包括：标识点群在t时刻的坐标系Mt与t+1时刻的坐标系Mt+1之间的关系由公式(14)表示：Mt+1＝R·Mt+T(14)由向量的平移不变性得到以下公式(15)：以公式(16)将公式(15)得到的旋转矩阵欧拉角化：其中，角度α、β和γ分别为所述识别对象在所述相机坐标系中的方位角、俯仰角和横滚角。8.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述五个标识点是安装在所述视觉识别眼镜的框架上的五个沉降孔中的五个红外LED灯。9....

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏飞，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11