CN104482924B - 旋成体目标位姿视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋成体目标位姿视觉测量方法，该方法基于视觉测量技术，使用两个高速摄像机，分别布设在目标的侧面和下面；为测量目标的滚转角和质心位置，在目标上设置标记；通过提取摄像机捕获图像中目标表面的标记线和轴向轮廓线，计算得到目标的位置和姿态信息。本发明通过上述技术方案得到的旋成体目标的位置和姿态信息相比于现有测量技术具有精度高、鲁棒性高和测量范围大的优点。

Description

旋成体目标位姿视觉测量方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，特别涉及一种旋成体目标位姿视觉测量方法。

背景技术

对于需要测量旋成体目标位姿参数的试验，如投放试验，由于目标具有外形简单、体积小、运动速度快等特点。传统的测量位姿信息的方法，比如内置陀螺仪、加速度计等，将影响目标重量及质量分布，而且响应速度达不到要求，难以运用到此类目标的位姿测量试验中。

视觉测量技术作为一种先进的测量技术，具有非接触、高响应速度、高精度等诸多优点。首先，建立空间坐标系实体对象到其图像的映射关系，也即摄像机成像模型，在摄影测量和计算机视觉中普遍使用中心透视投影叠加非线性镜头畸变的成像模型。通过对摄像机参数标定，可以求解出摄像机几何模型参数近似值。在图像上提取目标特征信息，已知摄像机的内外参数，根据投影模型，就可以解算出目标的姿态参数。该方法具备简单、可靠、灵活、使用范围广等特点，因而有十分广阔的应用前景。

基于视觉测量技术的立体视觉方法，可以测量旋成体目标的位姿参数。如陈杰春的“基于被动视觉的位姿测量系统”，在模型表面布设标志点，通过双目视觉方法得到标志点的三维坐标，进而解算得到模型姿态角信息，但该方法测量范围很小。刘双军等提出了合作标志点立体匹配法，在模型表面按设计规律布设一系列标志点，使模型在任何姿态下都有特征被捕获，进而扩大了模型姿态的测量范围，也提高了测量精度，然而该方法仍然基于双目视觉原理，测量姿态参数依赖于图像上的点特征，容易受到干扰。对于旋成体目标，该方法得到的俯仰角精度较高，偏航角精度较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种旋成体目标位姿视觉测量方法，其包括：步骤101，设置两个摄像机的位置，将所述两个摄像机中的一个摄像机设置在所述旋成体目标的侧面，另一个摄像机设置在与所述旋成体目标的轴线平行的竖直平面内；或将所述两个摄像机中的一个摄像机设置在所述旋成体目标的下面，另一个摄像机设置在与所述旋成体目标的轴线垂直的竖直平面内；步骤102，在所述旋成体目标上设置标记以形成标记线；步骤103，建立三维坐标系；步骤104，标定摄像机以获取用于图像校正的所述摄像机的内参数和用于确定所述摄像机位置和姿态的所述摄像机的外参数，且根据所述两个摄像机拍摄的标尺的图像，获取三维坐标系中三个坐标轴方向的图像像素分别与真实世界的比例；步骤105，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的侧视图，提取所述旋成体目标的轴向轮廓线和标记线，并计算得到所述旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标；步骤106，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的侧视图，获得所述旋成体目标质心Z坐标；步骤107，构建三维仿真场景，以所述旋成体目标的三维数模为模型，根据步骤105获得的所述旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标和步骤106获得的所述旋成体目标质心Z坐标，预设一个偏航角初始值；视点设置为与拍摄产生旋成体目标仰视图的仰视摄像机相同的位姿；然后以小角度改变所述旋成体目标的偏航角，获得一系列的模型投影图；步骤108，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的仰视图，提取所述旋成体目标的轴向轮廓线；对所述步骤107获取的一系列模型投影图提取所述模型的轴向轮廓线，并分别与所述旋成体目标的轴向轮廓线对比斜率，最接近的一条轮廓线，其对应的模型投影图相应的模型偏航角即为所述旋成体目标的偏航角。在所述步骤108之后，还包括：步骤109，根据步骤108获得的所述旋成体目标的偏航角，继续执行步骤105，重新计算所述旋成体目标的俯仰角；然后再继续后续步骤，完成所述旋成体目标的位姿测量。

根据如上所述的旋成体目标位姿视觉测量方法，优选，所述步骤102具体包括：建立世界坐标系，以投放有所述旋成体目标的风洞洞体水平向右为X_w轴，以竖直向上为Y_w轴，以垂直于X_w轴和Y_w轴且与X_w轴和Y_w轴构成右手坐标系的方向为Z_w轴。

根据如上所述的旋成体目标位姿视觉测量方法，优选，所述摄像机为高速摄像机。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明基于视觉测量技术，使用两个高速摄像机，分别布设在目标的侧面和下面，光路图如附图1所示；为测量目标的滚转角和质心位置，在目标上设置标记，如附图2所示；通过提取摄像机捕获图像中目标表面的标记线和轴向轮廓线，计算得到目标的位置和姿态信息，从而使得本发明的旋成体目标位姿测量方法与现有的测量方法相比的优点在于：

一、精度高，旋成体目标的两个视角的图像充分反映了其位姿信息，表面的标记则确保了滚转角和旋成体目标质心测量的准确性，小角度情况下目标姿态精度达到0.05°；

二、鲁棒性高，本方法使用的特征都是线特征，不容易受到图像噪声点的干扰；

三、测量范围大，能够计算旋成体目标处于各种姿态下的值。

附图说明

图1本发明中两个摄像机形成的视觉测量系统的光路；

图2本发明中适用的旋成体目标及目标表面设置的标记；

图3本发明中用于摄像机标定的棋盘格标定板和获取图像与真实世界比例的标尺；

图4本发明中在侧视图提取目标特征线及标记；

图5本发明中的旋成体目标侧视图成像示意图；

图6本发明中的测量滚转角原理图；

图7本发明中在仰视图中提取特征线；

图8本发明中构建的三维仿真场景示意图；

图9本发明中不同偏航角状态下的三维仿真场景图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

在旋成体目标高速运动时，如风洞投放试验中的被投放物，为了测量旋成体目标各个时刻的位姿信息，且使得位资信息具有较高的精确度，其中，位姿信息指的是旋成体目标的俯仰角、滚转角、偏航角和旋成体目标的质心坐标。

参见图1-9，本发明实施例提供了一种旋成体目标位姿视觉测量方法，其包括：

步骤101，设置两个摄像机的位置，将两个摄像机中的一个摄像机设置在旋成体目标的侧面，另一个摄像机设置在与旋成体目标的轴线平行的竖直平面内；或将两个摄像机中的一个摄像机设置在旋成体目标的下面，另一个摄像机设置在与旋成体目标的轴线垂直的竖直平面内；

步骤102，在旋成体目标上设置标记以形成标记线；

步骤102和102为实施本实施例提供的方法所需条件。实际中摄像机为高速摄像机，摄像机物理参数为：型号Photron FASTCAM SA5，有效像素1024(H)×1024(V)，最大拍摄速度7000fps；摄像机的位置：一个摄像机设置在目标侧面，另一个摄像机设置在与目标轴线平行的竖直平面内(如附图1所示)；或者一个摄像机设置在目标下面，另一个摄像机设置在与目标轴线垂直的竖直平面内。旋成体目标上设置标记，如附图2所示，图2中符号说明如下：L₁，L₂，L₃，L₄，L₅代表各段的长度，具体为：L₁代表目标头部到第一段标记起始位置的距离，L₂代表第一段标记的长度，L₃代表第一段标记末尾到第二段标记起始位置的距离，L₄代表第二段标记的长度，L₅代表第二段标记末尾到目标尾部的距离；L_c代表目标头部到目标重心(或称为质心)的距离；r代表目标径向半径。需要说明的是在对旋成体目标位姿进行视觉测量时，所需环境条件是：旋成体目标的运动场景，如风洞投放试验。

步骤103，建立三维坐标系；

为了描述方便，选用世界坐标系O_wX_wY_wZ_w为三维坐标系。如附图1所示，坐标原点O_w按具体需要设定，X_w轴沿风洞洞体水平向右，Y_w轴竖直向上，Z_w轴垂直于X_w轴和Y_w轴，组成右手坐标系。在其他的实施例中，还可以选用其他坐标系，本实施例不对此进行限定。

步骤104，标定摄像机以获取用于图像校正的摄像机的内参数和用于确定摄像机位置和姿态的摄像机的外参数，且根据两个摄像机拍摄的标尺的图像，获取三维坐标系中三个坐标轴方向的图像像素分别与真实世界的比例；

具体地，该步骤具体包括：通过标定板(图3中位于左方的图所示)标定摄像机，通过标尺(图3中位于右方的图所示)获取图像像素与真实世界的比例，如附图3所示，棋盘格标定板用于标定摄像机，获取摄像机的焦距、畸变参数等内参数和位置、方位等外参数，内参数可用于图像的校正，外参数用于确定摄像机的位置和姿态。标尺用于确定图像与现实空间即真实世界的比例关系。根据摄像机拍摄的标尺图像，获取三个坐标轴方向的图像像素与真实世界的比例s_x，s_y，s_z，单位为毫米/像素，如附图3所示的比例为50.0/n。

步骤105，根据摄像机拍摄的旋成体目标的侧视图，提取旋成体目标的轴向轮廓线和标记线，并计算得到旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标；

具体地，该步骤的具体包括：

输入目标侧视图，提取目标轴向轮廓线和标记线。可得目标俯仰角α，偏航角β，与轴向轮廓线与水平方向的夹角C之间的关系式：

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{{\cos }^2{\mathrm{\βtan}}^{2}C+1}}$

给定偏航角β的初始值(如β＝0)，由目标轴向轮廓线与水平方向的夹角C，可得目标俯仰角α。

根据标记线的位置，可得滚转角：

根据侧视图中目标一个特征点M′(x_m，y_m)，计算目标质心在XOY平面的坐标：

X＝s_xx_m-(L_c-L₁-L₂-L₃-L₄)cosαcosβ-rsinα

Y＝-s_yy_m+(L_c-L₁-L₂-L₃-L₄)sinαcosβ-rcosα

进一步详细的过程如下：

输入目标侧视图，提取目标轴向轮廓线和标记线，如附图4所示。附图5是抽象出的侧视图的成像过程，OP为目标，其俯仰角、偏航角、滚转角分别为α，β，γ，OP′为侧视图，可得：

cosA＝cosαcosβ＝cosBcosC (1)

sinB＝cosαsinβ (2)

由公式(2)得

$\cos B=\sqrt{1-{\sin }^{2}B}=\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\αsin}}^2\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

将公式(3)带入公式(1)得

$cos\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{{\cos }^2{\mathrm{\βtan}}^{2}C+1}}---\left(4\right)$

给定偏航角β的初始值(如β＝0)，由目标轴向轮廓线与水平方向的夹角C，可得目标俯仰角α。

由附图4中特征线④⑤⑥的相对位置，依据附图6所示原理，可得滚转角：

图6中符号说明如下：L代表第一段标记的长度，与图2中的L₂相同，P代表第一段标记起始位置到标记中分割线的距离。

下面根据侧视图计算XOY平面的质心坐标。

附图4中检测到特征线②③④⑥，它们各有两个端点，且根据标记的设置(如附图2)，各个点相对质心的位置固定，因此可以通过每个点在侧视图中的位置计算质心的X，Y坐标，在图2中下方的图里从左到右依次为设置在位置区域②的标记，设置在位置区域④的标记，下面以特征线②上一点M说明质心坐标的计算。由附图2，可得M相对质心的位置为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}={(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4,r,0)}^T---\left(6\right)$

设目标的俯仰角、偏航角、滚转角分别为α，β，γ，由于M始终可见，故不考虑滚转角的影响。则，目标由零姿态到现姿态的旋转矩阵为：

$\begin{array}{c}R=R_z\left(\mathrm{\α}\right)R_y\left(\mathrm{\β}\right)\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\end{array}---\left(7\right)$

可得，现姿态下M相对于质心的坐标为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{OM}}^{\′}=R\stackrel{\→}{OM}\\ =\left[\begin{array}{c}(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+r\sin \mathrm{\α}\\ -(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)\sin \mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+rcos\mathrm{\α}\\ (L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)sin\mathrm{\β}\end{array}\right]\end{array}---\left(8\right)$

投影到侧视图，即XOY平面为：

${{\stackrel{\→}{OM}}^{\′}}_{XOY}=\left[\begin{array}{c}(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+rsin\mathrm{\α}\\ -(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)sin\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+rcos\mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(9\right)$

根据M′点的像素坐标(xm，ym)，以及X、Y坐标轴方向的图像像素与真实世界的比例s_x，s_y(单位为毫米/像素)，可得质心X，Y坐标(以图像左上角为原点的物理坐标，单位为毫米)：

$\begin{array}{c}X=s_x{x}_m-(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}-rsin\mathrm{\α}\\ Y=-s_y{y}_m+(L_c-L_1-L_2-L_3-L_4)sin\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}-rcos\mathrm{\α}\end{array}---\left(10\right)$

同此方法，可依据特征线②③④⑥的其他端点计算质心X，Y坐标，取均值作为最终结果。

步骤106，根据摄像机拍摄的旋成体目标的侧视图，获得旋成体目标质心Z坐标；

具体地，该步骤具体包括：输入仰视图，如附图7所示。提取目标轴向轮廓线①②。由光路可知，目标在水平方向的位置即为目标在世界坐标系中Z方向的坐标。设特征线①②在水平方向的位置(以右上角为原点)分别为x₁，x₂，以及Z坐标轴方向的图像像素与真实世界的比例s_z毫米/像素，则质心Z坐标(以图像右上角为原点的物理坐标，单位毫米)：

$Z=\frac{s_z(x_1+x_2)}{2}---\left(11\right)$

步骤107，构建三维仿真场景，以旋成体目标的三维数模为模型，根据步骤105获得的旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标和步骤106获得的旋成体目标质心Z坐标，预设一个偏航角初始值；视点设置为与拍摄仰视图的摄像机相同的位姿；然后以小角度改变旋成体目标的偏航角，获得一系列的模型投影图；

具体地，该步骤具体包括：构建三维仿真场景，以目标的三维数模为模型，其姿态参数的X，Y，Z，俯仰角、滚转角设置为上述已获得的参数，给定一个偏航角初始值β₀。视点设置为与拍摄产生旋成体目标仰视图的仰视摄像机相同的位姿，如附图8。在图8中让模型的偏航角β以小角度从β₀-Δβ变化到β₀+Δβ，并在每个角度状态下捕获场景图像，可获得一系列的模型投影图，Δβ可以为5°，1°，本实施例不对其值进行具体限定。

步骤108，根据摄像机拍摄的旋成体目标的仰视图，提取旋成体目标的轴向轮廓线；对步骤107获取的一系列模型投影图提取模型的轴向轮廓线，并分别与旋成体目标的轴向轮廓线对比斜率，最接近的一条轮廓线，其对应的模型投影图相应的模型偏航角即为旋成体目标的偏航角。

具体地，该步骤具体包括：输入目标仰视图，提取目标的轴向轮廓线。输入上一步骤获得的一系列模型投影图，提取模型轴向轮廓线，与之前得到的轮廓线对比斜率，最接近的一条轮廓线，其对应的投影图，相应的模型偏航角即为目标偏航角，如附图9所示，在图9中，从左到右依次为目标的仰视图，在步骤107中获得的5个投影图，在仰视图中α＝15°、θ＝75.6°；5个投影图中α、β、θ依次为(15°、4.90°、75.87°)、(15°、4.95°、75.78°)、(15°、5.00°、75.62°)、(15°、5.05°、75.51°)和(15°、5.10°、75.42°)。图9中符号说明如下：α，β分别代表模型俯仰角、偏航角，θ代表模型轮廓线与水平方向的夹角。

为了对步骤105获得的俯仰角的值进行补偿，在步骤108之后，本发明实施例提供的方法还包括步骤109，根据步骤108获得的旋成体目标的偏航角，继续执行步骤105，重新计算旋成体目标的俯仰角；然后再继续后续步骤，完成旋成体目标的位姿测量。

具体地，该步骤具体包括：返回步骤105，以上一步获得的偏航角，带入(2)式，重新计算俯仰角，可对俯仰角的值进行补偿。继续后续步骤，完成这一帧图像的目标位姿计算。

综上所述，本发明实施例的有益效果如下：

本发明基于视觉测量技术，使用两个高速摄像机，分别布设在目标的侧面和下面，光路图如附图1所示；为测量目标的滚转角和质心位置，在目标上设置标记，如附图2所示；通过提取摄像机捕获图像中目标表面的标记线和轴向轮廓线，计算得到旋成体目标的位置和姿态信息，从而使得本发明的旋成体目标位姿测量方法与现有的测量方法相比的优点在于：

一、精度高，旋成体目标的两个视角的图像充分反映了其位姿信息，表面的标记则确保了滚转角和旋成体目标质心测量的准确性，小角度情况下目标姿态精度达到0.05°；

二、鲁棒性高，本方法使用的特征都是线特征，不容易受到图像噪声点的干扰；

三、测量范围大，能够计算旋成体目标处于各种姿态下的值。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种旋成体目标位姿视觉测量方法，其特征在于，所述旋成体目标位姿视觉测量方法包括：

步骤101，设置两个摄像机的位置，将所述两个摄像机中的一个摄像机设置在所述旋成体目标的侧面，另一个摄像机设置在与所述旋成体目标的轴线平行的竖直平面内；或将所述两个摄像机中的一个摄像机设置在所述旋成体目标的下面，另一个摄像机设置在与所述旋成体目标的轴线垂直的竖直平面内；

步骤102，在所述旋成体目标上设置标记以形成标记线；

步骤103，建立三维坐标系；

步骤104，标定摄像机以获取用于图像校正的所述摄像机的内参数和用于确定所述摄像机位置和姿态的所述摄像机的外参数，且根据所述两个摄像机拍摄的标尺的图像，获取三维坐标系中三个坐标轴方向的图像像素分别与真实世界的比例；

步骤105，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的侧视图，提取所述旋成体目标的轴向轮廓线和标记线，并计算得到所述旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标；

步骤106，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的侧视图，获得所述旋成体目标质心Z坐标；

步骤107，构建三维仿真场景，以所述旋成体目标的三维数模为模型，根据步骤105获得的所述旋成体目标的俯仰角，滚转角和质心X，Y坐标和步骤106获得的所述旋成体目标质心Z坐标，预设一个偏航角初始值；视点设置为与拍摄产生旋成体目标仰视图的仰视摄像机相同的位姿；然后以小角度改变所述旋成体目标的偏航角，获得一系列的模型投影图；

步骤108，根据所述摄像机拍摄的所述旋成体目标的仰视图，提取所述旋成体目标的轴向轮廓线；对所述步骤107获取的一系列模型投影图提取所述模型的轴向轮廓线，并分别与所述旋成体目标的轴向轮廓线对比斜率，最接近的一条轮廓线，其对应的模型投影图相应的模型偏航角即为所述旋成体目标的偏航角；

步骤109，根据步骤108获得的所述旋成体目标的偏航角，继续执行步骤105，重新计算所述旋成体目标的俯仰角；然后再继续后续步骤，完成所述旋成体目标的位姿测量。

2.根据权利要求1所述的旋成体目标位姿视觉测量方法，其特征在于，所述步骤103具体包括：

建立世界坐标系，以投放有所述旋成体目标的风洞洞体水平向右为X_w轴，以竖直向上为Y_w轴，以垂直于X_w轴和Y_w轴且与X_w轴和Y_w轴构成右手坐标系的方向为Z_w轴。

3.根据权利要求1所述的旋成体目标位姿视觉测量方法，其特征在于，所述摄像机为高速摄像机。