CN102840825B - 一种质点定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了定位技术领域中的一种质点定位系统及方法。本发明系统包括红外相机、红外射灯、红外反光标志点、同步脉冲信号发生器和计算机。本发明结构简单，不受普通光线影响，图像上的关键信息不会淹没在噪声之中，易于提取，提高了系统的鲁棒性；同时采用广角镜头，扩大了观察范围。

Description

一种质点定位系统及方法

技术领域

本发明属于定位技术领域，尤其涉及一种质点定位系统及方法。

背景技术

基于视觉定位是近些年来刚刚兴起的定位方法之一。主要被应用于非接触式室内空间目标点的高精度定位与观察目标的姿态测量。相关的案例有面部表情的采集，人体姿态的采集以及各类机器人的姿态估计等。目前，基于多相机空间质点定位的实用系统不多。现有的系统主要是双相机定位系统，用于深度图的测量，并不具有红外图像的捕捉功能。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有视觉定位方法不能捕捉红外图像等不足，本发明提出了一种质点定位系统及方法。

本发明的技术方案是，一种质点定位系统，用于对物体进行定位，其特征是该系统包括红外相机、红外射灯、红外反光标志点、同步脉冲信号发生器和计算机；

所述红外相机分别与同步脉冲信号发生器和计算机连接；红外反光标志点置于所要定位的物体上；红外射灯对准红外反光标志点；

所述红外射灯用于对红外反光标志点进行照射；

所述红外相机用于接收红外反光标志点的反射光；

所述同步脉冲信号发生器用于对红外相机发送同步脉冲信号；

所述计算机对红外相机采集的信号进行处理。

所述红外相机包括外触发电路、广角镜头和高速红外工业相机。

所述红外射灯为LED广角红外射灯。

所述红外相机和同步脉冲信号发生器用同步触发线连接。

一种定位方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：将所述红外反光标志点放置在所要定位的物体上；

步骤2：所述红外射灯对所述红外反光标志点进行照射；

步骤3：所述红外相机接收所述红外反光标志点的反射光，并计算出红外反光标志点图像的二维重心坐标；所述同步脉冲信号发生器控制所述红外相机同时将红外反光标志点图像的二维重心坐标发送给所述计算机；

步骤4：所述计算机根据红外反光标志点图像的二维重心坐标得到红外反光标志点的三维坐标。

所述红外反光标志点图像的二维重心坐标得到红外反光标志点的三维坐标的公式为：

$\min \underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|x_j^i-P_j{X}^i\left|\right|}^2$

其中：

Xⁱ是第i个红外反光标志点的三维坐标；

P_j是第j个相机的透视投影矩阵；

是第i个红外发光标志点在第j个相机中的二维坐标。

本发明能够捕捉红外图像，且结构简单，不受普通光线影响，图像上的关键信息不会淹没在噪声之中，易于提取，提高了系统的鲁棒性。同时采用广角镜头，扩大了观察范围。这样使得定位的范围广、同时保证定位精度高。

附图说明

图1是质点定位系统的结构示意图；

图2是标志点在四台高速红外工业相机中的成像位置示意；

图3是计算机的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的目的在于提供一种适合室内使用的基于红外质点识别技术的大范围高精度定位系统，并通过把反光点放置在观察目标上，可以准确、实时地得到目标的位置量、运动速度、加速度等信息。本发明包括红外相机、红外射灯、红外反光标志点、同步脉冲信号发生器和计算机。红外相机、红外射灯、红外反光标志点的数量视具体情况而定。

本发明通过以下步骤来实现：

步骤1：将红外反光标志点放置在所要定位的物体上；

步骤2：红外射灯对红外反光标志点进行照射；

步骤3：红外相机接收红外反光标志点的反射光，并计算出红外反光标志点图像的二维重心坐标；同步脉冲信号发生器控制红外相机同时将红外反光标志点图像的二维重心坐标发送给计算机。

为了减少传输图像时对带宽的占用，高速工业红外相机具备处理图像的功能。高速工业红外相机对当前的图像进行噪声滤除以突出其中红外反光标志点图像的特征，然后统计红外反光标志点图像的轮廓，由轮廓来估算红外反光标志点图像的重心坐标，并将图像中的红外反光标志点图像的二维重心坐标传输给计算机。

步骤4：计算机根据红外反光标志点图像的二维重心坐标得到红外反光标志点的三维坐标。

联合同一标志点在不同相机中的对应点坐标求解标志点的三维坐标值，求解过程是将每个相机的投影矩阵、标志点的三维坐标和红外反光标志点的在不同相机中的二维坐标这三个部分建立一个约束关系，使得红外标志点的三维坐标通过投影矩阵映射到不同相机坐标平面后的坐标与相机成像点的坐标距离平方和最小，其中一种表示形式如下式所示：

$\min \underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|x_j^i-P_j{X}^i\left|\right|}^2$

其中：

Xⁱ是第i个红外反光标志点的三维坐标；

P_j是第j个相机的透视投影矩阵；

是第i个红外发光标志点在第j个相机中的二维坐标。

进而由优化方法求解该约束关系从而得到红外反光标志点的三维坐标值。

具体实施过程中，将红外相机分别与同步脉冲信号发生器和计算机连接；红外反光标志点置于所要定位的物体上；红外射灯对准红外反光标志点；红外射灯对红外反光标志点进行照射；红外相机用于接收红外反光标志点的反射光；同步脉冲信号发生器用于对红外相机发送同步脉冲信号，确保数据采集的时间一致性。同时脉冲信号的频率可以调节，按照不同的实时性需求来调节信号的产生频率；计算机对红外相机采集的信号进行处理。

其中，红外相机包括外触发电路、广角镜头和高速红外工业相机。外触发电路为与所有红外工业相机相连接的图像采集触发信号产生电路；广角镜头为短焦距、宽视角的特殊光学镜头。

红外射灯采用LED广角红外射灯。红外相机和同步脉冲信号发生器用同步触发线连接。系统由多台所述红外相机组成。至少2台或以上红外相机才能完成质点的空间位置估计。

如图1中所示，为此套系统的整体框架，它包括红外反光标志点7、4台红外相机（高速红外工业相机）5、4台LED广角红外射灯6、计算机4、同步脉冲信号发生器3等。首先，把4台红外相机置于高处，使它们组成如图1的正方体区域，为了得到更大的公共视野，调整相机角度为朝向45°左右，同时在每台相机附近安装红外射灯；接着，把红外相机的数据线、同步触发线以及红外射灯的电源线由线槽1引出分别连接到计算机、同步脉冲信号发生器和电源2，将红外反光标志点放置在所要定位与分析的物体表面上，这样空间标志点的运动就代表了物体的运动；若干红外反光标志点就放置在图1中所示的环境中，由红外射灯发射的红外光经过红外反光标志点的反射进入红外相机中。通过红外射灯照射反光标志点，既所谓质点，由安排在四周的高速红外工业相机接收它们的红外反光图像；在得到图像之后4台红外相机通过外触发电路统一地、同时地向计算机传送数据；计算机对所得到的图像数据进行一系列操作得到各个红外反光点在其图像上的二维坐标；对各个不同反光点在图像上的像点进行匹配，分别对每个红外反光标志点进行三维重建，得到他们在空间的坐标；根据标志点在空间中的位置和相对位置，确定物体的位置、速度等信息。

高速红外工业相机的作用是只允许红外光进入相机，即只有反光球反射出来的红外光在相机中成像。这样，不仅去除了可见光的干扰，突出了红外反光标志点，增加了鲁棒性，同时得到的图像点坐标也使得传输的数据量大大减小，保证了系统的实时性。

为了解决数据同步采集的问题，首先4台红外相机5都带有触发信号接收口（专门用来接收由同步脉冲信号发生器产生的同步触发信号），随后如图1中所示由同步脉冲信号发生器3来4台同步红外相机，使4台红外相机同时采集数据。一种基于红外图像的室内定位系统，如图1所示，为了尽量扩大所定位的空间，本设计使用了两种方案：

1）将红外相机悬挂在高处且镜头向下倾斜，这样使得4台红外相机的公共视场达到最大。

2）采用短焦距宽视角镜头，进一步扩大观察范围。

使用了一个同步信号发生器3来向4个相机产生一定频率的脉冲信号，此频率可以根据实际情况来调节：在所用计算机的处理能力强且要求实时性高的情况下，可是调高此频率；反之则可以降低此频率。如图3所示，为计算机完成三位重建的流程图：

同一时间的来自4台相机的图像经过数据线被传送到计算机中，通过对点的二维坐标（如图2所示）进行三维重建，从而得到了标志点的空间位置；通过对点空间位置的保留与显示可以得到物体的运动轨迹；通过标志点的空间结构位置关系，可以得到观察目标的位姿信息；再者进行积分处理得到目标运动的速度、加速度等信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种质点定位方法，其特征是：

该方法利用的质点定位系统包括红外相机、红外射灯、计算机、红外反光标志点和同步脉冲信号发生器；

所述红外相机有两台以上，相机角度可调，分别与同步脉冲信号发生器和计算机连接，用于接收红外反光标志点的反射光；

所述红外射灯为LED广角红外射灯，安装于每台相机附近，用于对红外反光标志点进行照射；

所述红外反光标志点置于所要定位的物体表面；

所述同步脉冲信号发生器与红外相机用同步触发线连接，用于对红外相机发送同步脉冲信号，同步脉冲信号发生器的频率可调，按照不同实时性需求来调节信号的产生频率；

所述计算机对红外相机采集的信号进行三维重建；

该方法包括以下步骤：

步骤1：将2台以上红外相机置于高处，保证相机之间有公共视野区域；

步骤2：在每台相机附近安装红外射灯；

步骤3：将红外相机的数据线连接至计算机，同步触发线连接至同步脉冲信号发生器；

步骤4：根据使用环境设置同步脉冲信号发生器的频率；

步骤5：将若干红外反光标志点放置在所要定位的物体上；

步骤6：所述红外射灯对所述红外反光标志点进行照射，红外反光标志点对红外射灯发出的红外光进行反射；

步骤7：所述红外相机接收反射光，计算出红外反光标志点图像的二维重心坐标；

步骤8：红外相机在所述同步脉冲信号发生器的控制下统一地、同时地将红外反光标志点图像的二维重心坐标发给所述计算机；

步骤9：所述计算机对各个不同反光点在图像上的像点进行匹配，分别对每个红外反光标志点进行三维重建，得到每个反光标志点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征是所述红外反光标志点图像的二维重心坐标得到红外反光标志点的三维坐标的公式为：

$\min {\mathrm{\Σ}}_{i,j}{\left|\right|x_j^i-P_j{X}^i\left|\right|}^2$

其中：

Xⁱ是第i个红外反光标志点的三维坐标；

P_j是第j个相机的透视投影矩阵；

是第i个红外发光标志点在第j个相机中的二维坐标。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征是所述红外相机包括外触发电路、广角镜头和高速红外工业相机。