一种基于单目相机的圆台形物体检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，基于单目相机，获取圆台形物体上下面在相机图像上的椭圆；构建中间相机坐标系，计算上下面均含有的未知半径参数的两组圆心和法向量；根据圆台形物体上下面的平行关系，得到平行几何约束，基于平行几何约束，得到上下面各自正确的一组圆心和法向量，消除单目圆位姿估计中的二义性；根据圆台形物体的高度和上下面的法向量，计算得到上下面的半径；基于上下面半径和对应的正确圆心，得到上下面的圆心，从而能够通过单目相机更快速

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目相机的圆台形物体检测方法


[0001]本专利技术属于单目视觉和物体的位姿估计
，具体涉及一种基于单目相机的圆台形物体检测方法
。

技术介绍

[0002]机器视觉是工程领域中的一个非常重要的研究领域，机器视觉能够替代人眼做出各种测量和判断
。
生活中有很多含有圆台特征的物体例如螺帽型工件
、
杯子
、
路障
、
灯罩等，在自动驾驶和机器人抓取过程中，需要使用机器视觉来确定这些物体的位置
。
基于特征匹配的传统方法，需要考虑重建过程中特征点的对应问题，对噪音和遮挡鲁棒性不强，不能充分利用图像信息和椭圆特征
。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术的不足，实现单目相机对圆台形物体快速
、
准确检测的目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0004]一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，包括如下步骤：
[0005]步骤
S1
：基于单目相机，获取圆台形物体上下面在相机图像上的椭圆；
[0006]步骤
S2
：构建中间相机坐标系，计算上下面均含有的未知半径参数的两组圆心和法向量；
[0007]步骤
S3
：根据圆台形物体上下面的平行关系，得到平行几何约束，基于平行几何约束，得到上下面各自正确的一组圆心和法向量；
[0008]步骤
S4
：根据圆台形物体的高度和上下面的法向量，计算得到上下面的半径；
[0009]步骤
S5
：基于上下面半径和对应的正确圆心，得到上下面的圆心
。
[0010]进一步地，所述步骤
S3
中，因为圆台上下平面是平行的，所以可通过圆台上下面的平行几何约束，求得正确的上下面法向量，计算公式为：
[0011][0012]其中，表示上平面法向量的第
i
个解与下平面法向量的第
j
个解之间的夹角，取夹角最小的两个解为上下平面的法向量，并根据上下平面的法向量计算圆台的法向量，计算过程如下：
[0013][0014]其中
n
表示上平面的法向量，
n'
表示下平面的法向量，
n
res
最终测的圆台的法向量，
norm
表示转化为单位向量；
n1、n2表示步骤
S2
得到的上平面的两组法向量；
n1'、n2'
表示步骤
S2
得到的下平面的两组法向量
。
[0015]进一步地，所述步骤
S3
中，根据圆心和法向量的对应关系，得到上下面对应的正确的圆心，计算过程如下：
[0016][0017]其中，
O
表示上平面的圆心，
O'
表示下平面的圆心；
O1O2表示步骤
S2
得到的上平面的两组圆心；
O1'O2'
表示步骤
S2
得到的下平面的两组圆心
。
[0018]进一步地，所述步骤
S3
中，将中间相机坐标系下的表示
O、n、O'、n'
，转化为相机坐标系下的
O
c
、n、O
c
'、n
c
'
，计算公式如下：
[0019][0020]进一步地，所述步骤
S4
中，通过步骤
S3
计算得到的相机坐标系下的上平面的圆心
O
c
(k1R1,k2R1,k3R1)、
下平面的圆心
O
c
'(k4R2,k5R2,k6R2)、
圆台法向量
n
res
(
α1,
α2,
α3)
，根据圆台的几何约束，上下面圆心连线方向向量与圆台法向量垂直，且圆心连线的距离等于圆台的高度
h
，得到以下方程组：
[0021][0022]其中，
||O
c
‑
O
c
'||2表示上下面圆心之间的距离，
k1、k2、k3分别表示圆心
O
c
的
x、y、z
坐标关于半径
R1的比例系数，
k4、k5、k6表示分别表示圆心
O
c
'
的
x、y、z
坐标关于半径
R2的比例系数，
α1、
α2、
α3分别表示圆台法向量在
x、y、z
轴方向向量坐标，
R1、R2表示待求解的上下面的半径
。
[0023]进一步地，所述步骤
S5
中，将
R1、R2带入到
O
c
(k1R1,k2R1,k3R1)、O
c
'(k4R2,k5R2,k6R2)
中，得到上下面的圆心坐标
。
[0024]进一步地，所述步骤
S2
包括如下步骤：
[0025]步骤
S2.1
：在椭圆上找到两点，使两点与相机光心形成的角度最大；
[0026]步骤
S2.2
：基于所述两点与光心，构建中间相机坐标系；
[0027]步骤
S2.3
：保持相机光心位置不变，旋转单目相机，使得相机光轴
、
相机像平面物理坐标系与上下平面的对应中间相机坐标系重合，得到中间相机坐标系中与上下平面对应的点，基于对应的点，计算相机坐标系下上平面的圆心和法向量的两组解，以及下平面的圆心和法向量的两组解
。
[0028]进一步地，所述步骤
S2.2
中，使用相机观测上下平面的空间目标圆面时，相机的光心与像平面上的两个椭圆构成两个观测圆锥，通过向量
Gp
和
Gq
的单位向量
μ
gp
和
μ
gq
计算得到平面观测圆锥的中间相机坐标系
θ
、
μ
，
p、q
表示椭圆上找到的两点，
G
表示相机的光心，计算公式为：
[0029][0030][0031][0032]进一步地，所述步骤
S2.3
中，保持相机光心
G
位置不变，
θ
、
μ
表示平面中间相机坐标系的三个单位向量，旋转相机使得相机光轴与单位向量重合，对应的相机像平面物理坐标系的
x
轴和
y
轴分别与单位向量
θ
，
μ
重合，
p、q
为椭圆上找本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤
S1
：基于单目相机，获取圆台形物体上下面在相机图像上的椭圆；步骤
S2
：构建中间相机坐标系，计算上下面均含有的未知半径参数的两组圆心和法向量；步骤
S3
：根据圆台形物体上下面的平行关系，得到平行几何约束，基于平行几何约束，得到上下面各自正确的一组圆心和法向量；步骤
S4
：根据圆台形物体的高度和上下面的法向量，计算得到上下面的半径；步骤
S5
：基于上下面半径和对应的正确圆心，得到上下面的圆心
。2.
根据权利要求1所述的一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于：所述步骤
S3
中，通过圆台上下面的平行几何约束，求得正确的上下面法向量，计算公式为：其中，表示上平面法向量的第
i
个解与下平面法向量的第
j
个解之间的夹角，取夹角最小的两个解为上下平面的法向量，并根据上下平面的法向量计算圆台的法向量，计算过程如下：其中
n
表示上平面的法向量，
n'
表示下平面的法向量，
n
res
最终测的圆台的法向量，
norm
表示转化为单位向量；
n1、n2表示步骤
S2
得到的上平面的两组法向量；
n1'、n2'
表示步骤
S2
得到的下平面的两组法向量
。3.
根据权利要求2所述的一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于：所述步骤
S3
中，根据圆心和法向量的对应关系，得到上下面对应的正确的圆心，计算过程如下：其中，
O
表示上平面的圆心，
O'
表示下平面的圆心；
O
1 O2表示步骤
S2
得到的上平面的两组圆心；
O1'O2'
表示步骤
S2
得到的下平面的两组圆心
。4.
根据权利要求3所述的一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于：所述
步骤
S3
中，将中间相机坐标系下的表示
O、n、O'、n'
，转化为相机坐标系下的
O
c
、n、O
c
'、n
c
'
，计算公式如下：
5.
根据权利要求1所述的一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于：所述步骤
S4
中，通过步骤
S3
计算得到的相机坐标系下的上平面的圆心
O
c
(k1R1,k2R1,k3R1)、
下平面的圆心
O
c
'(k4R2,k5R2,k6R2)、
圆台法向量
n
res
(
α1,
α2,
α3)
，根据圆台的几何约束，上下面圆心连线方向向量与圆台法向量垂直，且圆心连线的距离等于圆台的高度
h
，得到以下方程组：其中，
||O
c
‑
O
c
'||2表示上下面圆心之间的距离，
k1、k2、k3分别表示圆心
O
c
的
x、y、z
坐标关于半径
R1的比例系数，
k4、k5、k6表示分别表示圆心
O
c
'
的
x、y、z
坐标关于半径
R2的比例系数，
α1、
α2、
α3分别表示圆台法向量在
x、y、z
轴方向向量坐标，
R1、R2表示待求解的上下面的半径
。6.
根据权利要求5所述的一种基于单目相机的圆台形物体检测方法，其特征在于：所述步骤
S5
中，将
R1、R2带入到

【专利技术属性】
技术研发人员：段桂芳，李志扬，刘振宇，谭建荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：