一种基于变焦相机的位姿测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变焦相机的位姿测量方法，涉及位姿测量技术领域，该方法引入变焦相机，对当前帧测量图像进行目标位置和目标尺度的识别得到各个合作特征的测量坐标，对每个合作特征的测量坐标进行椭圆拟合求解，并在椭圆的目标区域面积相对于当前帧测量图像的面积的占比小于预定阈值时，通过改变焦距提高在远距离的目标成像分辨率，然后将拟合得到的椭圆的中心坐标作为特征像素点即可对四个特征像素点进行PNP求解得到位姿测量结果，该方法可以降低特征提取误差对于整个位姿测量精度的影响，尤其在中远距离条件下可以达到较高的视觉位姿测量精度，且具有无人机导航应用所需要的鲁棒性与实时性。需要的鲁棒性与实时性。需要的鲁棒性与实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变焦相机的位姿测量方法


[0001]本专利技术涉及位姿测量
，尤其是一种基于变焦相机的位姿测量方法。

技术介绍

[0002]在传统的位姿测量或视觉着陆/舰应用中，视觉系统的主要测量误差来源是合作特征的成像尺寸减小导致的图像提取误差，成像尺寸的变化本质是回归到像素点代表的实际距离的大小，近距离的时候图像提取误差代表的实际距离很小，一旦距离变远或成像角度增大，意味着单个像素点代表的距离就增大了，所以图像提取误差对位姿测量的误差影响随着距离逐渐增大，因此现有的实施方案都采用组合镜头的方式来提高在远距离条件下视觉系统的测量精度，但组合镜头的方式在成本和载重量较高，限制了其应用场景。

技术实现思路

[0003]本专利技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于变焦相机的位姿测量方法，本专利技术的技术方案如下：
[0004]一种基于变焦相机的位姿测量方法，该方法包括：
[0005]控制变焦相机在当前焦距下进行图像采集获取当前帧测量图像；
[0006]对当前帧测量图像进行目标位置和目标尺度的识别得到各个合作特征的测量坐标；
[0007]对每个合作特征的测量坐标进行椭圆拟合求解，若拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比小于预定阈值，则控制变焦相机进行变焦直至拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比达到预定阈值；
[0008]当拟合得到的椭圆的目标区域面积S
Rr/>相对于当前帧测量图像的面积S的占比达到预定阈值时，将拟合得到的椭圆的中心坐标作为特征像素点；
[0009]对四个特征像素点进行PNP求解得到位姿测量结果。
[0010]本专利技术的有益技术效果是：
[0011]本申请公开了一种基于变焦相机的位姿测量方法，该方法利用变焦相机来实现位姿测量，通过改变焦距提高在远距离的目标成像分辨率，降低特征提取误差对于整个位姿测量精度的影响，尤其在中远距离条件下可以达到较高的视觉位姿测量精度，且具有无人机导航应用所需要的鲁棒性与实时性。
[0012]该方法针对动态改变焦距的过程中目标特征在成像视场中尺度变化剧烈的情况，通过目标位置滤波器和目标尺度滤波器实现目标位置和目标尺度的识别跟踪，估计圆特征的尺度变化以此适应测量距离的变化，从而能够根据测量精度需求实时控制焦距变化并捕捉跟踪目标特征。
[0013]而针对动态改变焦距的前后状态下变焦相机内参数发生改变的情况，该方法利用在线标定的相机内参数在线标定值进行位姿测量，提高位姿测量的准确性。
附图说明
[0014]图1是一个实施例中的位姿测量方法的流程图。
[0015]图2是另一个实施例中的位姿测量方法的流程图。
[0016]图3是一个实例中本申请的位姿测量方法与传统的位姿测量方法的XYZ轴的绝对误差的结果比较图。
[0017]图4是一个实例中本申请的位姿测量方法与传统的位姿测量方法的XYZ轴的误差百分比变化的结果比较图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。
[0019]本申请公开了一种基于变焦相机的位姿测量方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
[0020]步骤S1，控制变焦相机在当前焦距下进行图像采集获取当前帧测量图像。
[0021]步骤S2，对当前帧测量图像进行目标位置和目标尺度的识别得到各个合作特征的测量坐标。
[0022]在一个实例中，根据合作特征的数量创建对应数量的线程并初始化，并根据设定好的物点与像点的匹配关系分配每个合作特征的编号ID。在之后的图像序列里，对合作特征的位置跟踪彼此独立，也即通过各个线程并行进行目标位置和目标尺度的识别确定对应的合作特征的测量坐标。
[0023]具体的，对合作特征的位置跟踪包括两个阶段：确定目标新位置和确定目标新尺度，分别介绍如下：
[0024]1、通过目标位置滤波器获取当前帧测量图像中的目标新位置。
[0025]首先初始化一个二维的目标新位置的预期高斯输出进行目标位置滤波器的参数初始化，再以前一个时刻的测量坐标为中心确定一个预定范围的样本，该预定范围比如选尺寸为前一个时刻的目标的尺寸2倍大小的范围。对预定范围中每个像素点计算包括原始灰度特征和fhog特征在内的28维的融合特征。
[0026]基于各个像素点的融合特征利用预设位置模型确定目标新位置。具体的，将每个像素点的融合特征乘以二维Hann窗作为位置测试输入Z1，将使得响应最大的位置测试输入Z1作为目标新位置。其中，F
‑1()表示求傅里叶反变换，l是表示维度的参数，d1是位置测试输入Z1的维度的最大值，λ1是正则项的系数；A1l
t
表示t时刻l维度下的预设位置模型A1，B1
t
表示t时刻下的预设位置模型B1。预设位置模型A1和预设位置模型B1可以采用现有的深度学习模型来实现，本申请不再详细展开。
[0027]同时还会利用目标新位置更新预设位置模型，具体的，预设位置模型A1的更新过程写为：程写为：是t
‑
1时刻l维度下的预设位置模型A1，η1为学习速率，是目标位置滤波器的输出在t时刻下取反后的傅里叶变换，F
tl
是学习样本F在t时刻l维度下的傅里叶变换。预设位置模型B1的更新过程写为：
B
t
‑1是t
‑
1时刻下的预设位置模型B1，η2为学习速率，k是表示维度的参数，F
tk
是学习样本F在t时刻k维度下的傅里叶变换
[0028]2、由于合作特征的测量坐标还会受到尺度的影响，因此在得到目标新位置后，还需要进一步通过目标尺度滤波器来估计圆特征的尺度变化以适应测量距离的变化，从而由目标新位置和目标新尺度得到准确的合作特征的测量坐标。
[0029]首先初始化一个一维的目标新尺度的预期高斯输出进行目标尺度滤波器的参数初始化，以目标新位置为中心并提取33种不同尺度下的样本，将每个样本的尺寸固定并提取PCA
‑
HOG特征。
[0030]然后基于每个样本的PCA
‑
HOG特征利用预设尺度模型确定目标新尺度。具体的，将每个样本的PCA
‑
HOG特征乘以一维Hann窗并进行插值降维减少运算量，得到尺度测试输入Z2。将使得响应最大的尺度测试输入Z2作为目标新尺度，其中，F
‑1()表示求傅里叶反变换，l是表示维度的参数，d2是尺度测试输入Z2的维度的最大值，λ2是正则项的系数。表示t时刻l维度下的预设位置模型A2，B2
t
表示t时刻下的预设位置模型B2。同样的，预设位置模型A2和预设位置模型B2可以采用现有的深度学习模型来实现，本申请不再详细展开。
[0031]同样的，利用目标新尺度更新预设尺度模型。预设位置模型A2的更新过程与上述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变焦相机的位姿测量方法，其特征在于，所述方法包括：控制变焦相机在当前焦距下进行图像采集获取当前帧测量图像；对所述当前帧测量图像进行目标位置和目标尺度的识别得到各个合作特征的测量坐标；对每个合作特征的测量坐标进行椭圆拟合求解，若拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比小于预定阈值，则控制所述变焦相机进行变焦直至拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比达到所述预定阈值；当拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比达到所述预定阈值时，将拟合得到的椭圆的中心坐标作为特征像素点；对四个特征像素点进行PNP求解得到位姿测量结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述变焦相机进行变焦，包括：根据拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
和当前帧测量图像的面积S通过PID控制确定所述变焦相机变焦至的所述目标焦距，由所述变焦相机在所述目标焦距下获取到的当前帧测量图像拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比达到所述预定阈值，且拟合得到的椭圆位于当前帧测量图像的中心。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据拟合得到的椭圆的目标区域面积S
R
和当前帧测量图像的面积S通过PID控制确定所述变焦相机变焦至的所述目标焦距，包括：按照Z
m
＝Z
c
+K
p
*E
p
+K
d
*E
d
进行PID控制，确定目标焦距Z
m
，Z
c
是当前焦距，K
p
、K
d
是PID控的误差比例系数，E
p
由当前拟合得到的目标区域面积S
R
相对于当前帧测量图像的面积S的占比计算得到，E
d
由当前计算得到的E
p
和上一个计算得到的E
p
的误差得到。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对四个特征像素点进行PNP求解得到位姿测量结果，包括：在线标定得到所述变焦相机在当前焦距下的相机内参数在线标定值，基于所述相机内参数在线标定值对四个特征像素点进行PNP求解得到所述位姿测量结果。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在线标定得到所述变焦相机在当前焦距下的相机内参数在线标定值，包括：根据离线标定得到的参数映射表确定所述变焦相机在当前焦距下的相机内参数初始值，并利用所述相机内参数初始值对扩展卡尔曼滤波器进行参数初始化；利用完成参数初始化的所述卡尔曼滤波器将所述当前帧测量图像和所述变焦相机上固定的IM...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昌建，杨吉多才，徐德程，徐贵力，董文德，马栎敏，田祥瑞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：