一种摄像机空间三维位置姿态测量方法技术

本发明专利技术属于测量技术领域，涉及对机器视觉导引系统中摄像机相对于合作目标的空间三维位置姿态测量方法的改进。具体步骤是：在标定阶段：设定合作目标，固定摄像机与合作目标，拍摄摄像机标定图像，提取目标特征点，标定摄像机内部参数；在测量阶段：固定合作目标，移动摄像机（或者移动合作目标，固定摄像机），拍摄合作目标的图像，提取合作目标上的目标特征点，计算摄像机的三维空间位置姿态，连续测量摄像机在２个不同位置的三维位置姿态计算出移动物体的线速度和角速度。本发明专利技术可以获得高质量的目标特征点，简化了合作目标，所获得的目标特征点精度高，可靠性高，具有更大的适应范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量
，涉及对机器视觉导引系统中摄像机相对于合作目标的空间三维位置姿态测量方法的改进。
技术介绍
在可视化跟踪或者伺服控制的闭环控制环路中，基于机器视觉的三维位置姿态测量技术是实现智能机器系统(如工业自动装配机器人、水下机器人、无人飞行器、空间飞行器等)的自主导引的最有效途径之一。机器系统的导引控制信号的一部分主要来自于机器系统相对于合作目标的绝对位置和方向信息。因此，在机器系统的闭环控制环路中，精确地估计机器系统的位置和姿态，对实现机器系统的自主导引起着重要作用。机器系统的位置姿态估计主要由导引系统完成，现有的导引方法有全球定位系统(GPS)、惯性导引系统(INS)、光电导引系统、视觉导引系统以及各种方式的组合导引系统。视觉导引是三维视觉技术的一个重要内容，以计算机视觉为理论基础的视觉导引系统，具有大视场、非接触、速度快、信息丰富以及精度适中等优点，特别适合于估计机器系统相对于合作目标的位置姿态。自主控制系统根据视觉导引系统获得的导引信息，控制机器系统相对于合作目标的相对运动。作为导引控制环路的控制信号获取传感装置，视觉导引系统能够单独估计机器系统的运动状态，也可以作为其他导引系统的辅助传感装置，更加精确地估计机器系统的运动状态，并作为对其他传感系统的信息补充或者进行误差校正。一种被广泛采用的非接触导引方法是基于特征点的视觉导引方法，其基本原理是，将摄像机装载在机器系统上，并在合作目标平面上预先设置已知的特征点，通过提取特征点对应的图像坐标，根据摄像机的透视投影模型，实时估计出机器系统上摄像机相对于合作目标的位置姿态。由此可知，基于特征点的视觉导引方法的关键问题是解决摄像机的三维位置和姿态的测量。2001年，Sharp CS等人在文章“一种无人航空飞行器视觉着陆系统”(A vision system for landing an unmanned aerialvehicle)IEEE会议录《机器人和自动化国际会议》，第21～26页，2001年(Proceedings of 2001 IEEE，International Conference of Roboticsand Automation，2001)提出基于以正方形顶点为合作目标特征点的摄像机位置姿态测量方法，该方法以5个小四边形和1个大四边形为基本合作目标，通过四边形的不同空间分布实现特征点的自动排序，且特征点具有透视投影不变性，能够获得较高精度。该方法需要至少6个四边形的合作目标，由于四边形顶点的图像特征容易受到光照、噪声影响，使得提取精度下降，因此该方法的可靠性和适应范围受到很大限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种精度较高，基于双圆合作目标的摄像机三维位置姿态实时测量方法，以简化合作目标，提高目标特征点的自动探测的鲁棒性和图像坐标提取精度，增强视觉导引方法的适应能力。本专利技术的技术解决方案是，其特征在于，测量过程分标定和测量两个阶段，具体步骤是1.1、标定阶段1.1.1、设定一个合作目标，它为一个二维平面，在合作目标平面上有2个圆，圆的半径为10～10000mm，其精度为0.01mm～1mm，圆与背景的灰度相反，如背景为黑色，则圆为白色，或反之，2个圆心之间的距离为其半径的3倍以上，在其中一个圆的中心设定1个任意形状的小块区域，该区域的灰度与背景相同，面积为大圆的1/5～1/3；1.1.2、将合作目标和摄像机固定好，摄像机和合作目标的距离由摄像机的拍摄范围确定，要求摄像机能够完整观测到合作目标内的2个圆，打开摄像机电源；1.1.3、在摄像机的视场范围内，自由、非平行移动合作目标至少5个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机标定图像，并保存到计算机中，要求合作目标的2个圆包含在图像内；1.1.4、合作目标上的2个圆的透视投影图像为2个椭圆，以密集度即面积和周长平方的比值为描述特征，自动分割出标定图像中的2个椭圆，提取每一个位置的摄像机标定图像中2个椭圆的所有8个公切点，求出不同公切点的连线交点，公切点和连线交点共21点，称为目标特征点，将目标特征点的图像坐标及其对应世界坐标，存储到计算机中； 1.1.5、利用所有位置的目标特征点图像坐标及其对应的世界坐标用来标定摄像机内部参数，包括摄像机有效焦距和主点坐标，保存到系统参数文件中，以备测量阶段调用；1.2、测量阶段1.2.1、设定工作模式，包括2种工作模式摄像机移动模式和合作目标移动模式，摄像机移动模式指合作目标固定，摄像机移动；合作目标移动模式指合作目标移动，摄像机固定。在2种模式下，要求摄像机能观测到合作目标上的2个大圆，以下假定测量阶段工作在摄像机移动模式，合作目标移动模式类同；1.2.2、移动可移动物体到空间一个位置，拍摄合作目标的图像，称为测量图像；1.2.3、在测量图像中，提取合作目标上的21个目标特征点的图像坐标并与其世界坐标对应；1.2.4、根据所建立的摄像机的运动模型和透视投影模型，利用摄像机内部参数、目标特征点的图像坐标及对应世界坐标，由所建模型计算摄像机的三维空间位置姿态，显示测量结果；1.2.5、重复1.2.2至1.2.4的步骤，连续测量摄像机在2个不同位置的三维位置姿态，由摄像机在不同时刻的位置和姿态分别计算得到摄像机的线位移和角位移参数，并由2个位置的运动时间，由摄像机的运动模型，计算出移动物体的线速度和角速度。本专利技术的优点是本方法以双圆合作目标的公切点以及不同公切点连线的交点作为目标特征点，根据所建立的摄像机透视投影模型和运动模型，计算摄像机的三维位置和姿态，并可以进一步求出摄像机的线位移、角位移、线速度以及角速度等参数，从而为实现机器系统的自主导引提供控制信号。与现有的采用四边形顶点为目标特征点的摄像机位置姿态测量方法相比，即便在圆有部分遮挡，或者受光照影响，圆边缘图像部分受到污染的情况下，仍然可以获得高质量的目标特征点。因此该方法简化了合作目标，所获得的目标特征点精度高，可靠性高，具有更大的适应范围。特别适合为现场机器系统的自主导引提供控制信号。附图说明图1是基于目标特征点的视觉导引流程图。图2是双圆合作目标。图3是双圆合作目标的世界坐标系定义及目标特征点示意图。1～4和18～21为公切点，4～17为公切点连线的交点，1～21称为目标特征点。图4是摄像机运动和透视投影模型示意图。图5是双圆目标特征点图像坐标提取过程实例。图6是仿真试验中生成的带双圆目标的合成图像。图7是本专利技术算法对高斯白噪声的敏感性仿真试验结果。具体实施例方式下面对本专利技术方法做进一步详细说明。本专利技术使用双圆合作目标实现摄像机三维位置姿态以及运动参数的测量。机器系统的导引控制信号的一部分主要来自于机器系统相对于合作目标的绝对位置和方向信息。因此，在机器系统的闭环控制环路中，精确地估计机器系统的位置和姿态，对实现机器系统的自主导引起着重要作用。视觉导引是三维视觉技术的一个重要内容，以计算机视觉为理论基础的视觉导引系统，具有大视场、非接触、速度快、信息丰富以及精度适中等优点，特别适合于估计机器系统相对于合作目标的位置姿态。基于目标特征的视觉导引流程如图1所示，自主控制系统根据视觉导引系统获得的导引信息，控制机器系统相对于合作目标的相对运动。作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摄像机空间三维位置姿态测量方法，其特征在于，测量过程分标定和测量两个阶段，具体步骤是：１．１、标定阶段：１．１．１、设定一个合作目标，它为一个二维平面，在合作目标平面上有２个圆，圆的半径为１０～１００００ｍｍ，其精度为０ ．０１ｍｍ～１ｍｍ，圆与背景的灰度相反，如背景为黑色，则圆为白色，或反之，２个圆心之间的距离为其半径的３倍以上，在其中一个圆的中心设定１个任意形状的小块区域，该区域的灰度与背景相同，面积为大圆的１／５～１／３；１．１．２、将摄像机与 合作目标相距一定距离固定好，打开ＣＣＤ摄像机电源；１．１．３、在摄像机的视场范围内，自由、非平行移动合作目标至少５个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机标定图像，并保存到计算机中，要求合作目标的２个圆包含在图像内； １．１．４、合作目标上的２个圆的透视投影图像为２个椭圆，以密集度即面积和周长平方的比值为描述特征，自动分割出标定图像中的２个椭圆，提取每一个位置的摄像机标定图像中２个椭圆的所有８个公切点，求出不同公切点的连线交点，公切点和连线交点共２１点，称为目标特征点，将目标特征点的图像坐标及其对应世界坐标，存储到计算机中；１．１．５、利用所有位置的目标特征点图像坐标及其对应的世界坐标用来标定摄像机内部参数，包括摄像机有效焦距和主点坐标，保存到系统参数文件中，以备测量阶段调用； １．２、测量阶段：１．２．１、设定工作模式，包括２种工作模式：摄像机移动模式和合作目标移动模式，摄像机移动模式指合作目标固定，摄像机移动；合作目标移动模式指合作目标移动，摄像机固定，在２种模式下，要求摄像机能观测到合作目标上的２ 个大圆，以下假定测量阶段工作在摄像机移动模式，合作目标移动模式类同；１．２．２、移动摄像机到空间一个位置，拍摄合作目标的图像，称为测量图像；１．２．３、在测量图像中，提取合作目标上的２１个目标特征点的图像坐标并与其世界坐标对 应；１．２．４、根据所建立的摄像机的运动模型和透视投影模型，利用摄像机内部参数、目标特征点的图像坐标及对应世界坐标，由所建模型计算摄像机的三维空间位置姿态，显示测量结果；１．２．５、重复１．２．２至１．２．４的步骤，连续测量 摄像机在２个不同位置的三维位置姿态，由摄像机在不同时刻的位置和姿态分别计算得到摄像机的线位移和角位移参数，并由２个位置的运动时...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，周富强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]