CN105809702B - 一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法 - Google Patents
一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,包括步骤,对使用的相机进行标定得到相机焦距;在相机的当前使用位姿下,对空间中的共面的至少5个特征点进行成像,以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,并获取特征点的世界坐标和图像坐标;利用Tsai算法求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵R;根据旋转矩阵R、相机焦距、以及求解得到的特征点之间线段长度,求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的平移向量T;根据旋转矩阵R和平移向量T,求解相机的位姿参数。有益效果:在Tsai算法求解旋转矩阵R的基础上,改进平移向量T的求解过程,以提高位姿估计的精度和实时性,从而大幅提高适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种位姿估计方法,特别是涉及一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,可应用于计算机视觉领域中的视觉定位及导航。
背景技术
基于视觉的位姿估计技术是计算机视觉领域中的研究热点之一,是视觉定位及导航技术的重要环节。基于视觉的位姿估计技术,通过相机捕获空间合作目标图像,通过图像处理和位姿估计算法求解相机的位姿参数,具有精度适中、成本低、使用独立灵活及抗电磁干扰的特点。
Tsai算法为常用的标定算法,可应用于位姿估计,以空间中共面的若干个特征点作为合作目标求解相机的位姿参数。然而,当相机到特征点的距离增大时,Tsai算法求解旋转矩阵R的精度较高,但求解平移向量T的精度却较低,且其迭代求解平移向量T的过程算法复杂、实时性较低。因此,目前位姿估计的适用范围有限,有待提高。
发明内容
本发明的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,在Tsai算法求解旋转矩阵R的基础上,改进平移向量T的求解过程,以提高位姿估计的精度和实时性,从而大幅提高适用范围。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,包括以下步骤:
步骤1、对使用的相机进行标定,得到相机焦距;
步骤2、在相机的当前使用位姿下,对空间中的共面的至少5个特征点进行成像,以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,并获取特征点的世界坐标和图像坐标;
步骤3、根据特征点的世界坐标和图像坐标,利用Tsai算法求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵R;
步骤4、根据步骤3求得的旋转矩阵R、步骤1标定得到的相机焦距、以及求解得到的特征点之间线段长度,求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的平移向量T;
具体为,
步骤4-1、根据特征点在等效成像平面上的投影点坐标、即特征点的图像坐标,选取投影点间的任意一条线段、记线段长度为l,并获取构成该线段的两个投影点对应的两个特征点、记两个特征点分别为P1和P2;
步骤4-2、将步骤3求得的旋转矩阵R作用于世界坐标系,得到旋转后的新坐标系,该新坐标系平面与相机等效成像平面平行;
根据旋转矩阵R和特征点P1、P2的世界坐标,求解特征点P1、P2在新坐标系中的坐标,进而获取特征点P1、P2在新坐标系平面上的投影点间的线段、记新线段长度为L;
步骤4-3、根据线段长度l和新线段长度L、步骤1标定得到的相机焦距、以及步骤2获取的特征点P0的图像坐标,由以下公式求解平移向量T,
T=(x0c,y0c,z0c)T
其中,f为相机焦距,x0i、y0i为特征点P0的图像坐标,x0c、y0c、z0c为相机坐标系的相机坐标;
步骤5、根据步骤3求得的旋转矩阵R和步骤4求得的平移向量T,求解相机的位姿参数。
进一步地:所述步骤1中的标定采用张正友标定法。
进一步地:所述步骤2中的获取特征点的世界坐标和图像坐标,具体为,
步骤2-1、在空间中布置一个平面合作目标,该平面合作目标上包含至少5个特征点;
步骤2-2、以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,通过工具测得特征点的世界坐标;
步骤2-3、使用已标定好焦距的相机,在相机的当前使用位姿下,对平面合作目标进行成像;
步骤2-4、利用图像处理算法,从相机采集的平面合作目标图像中提取特征点的图像坐标。
进一步地:所述工具为卷尺。
进一步地:所述步骤4-1中的选取投影点间的任意一条线段为投影点间长度最长的线段。
进一步地:所述步骤5中的求解相机的位姿参数,具体为,
步骤5-1、根据步骤3求得的旋转矩阵R,由以下公式,
采用Levenberg-Marquardt算法求解相机的姿态参数中的姿态角估计值,姿态角估计值包括俯仰角、滚转角和偏航角:
其中,α为俯仰角,β为滚转角,γ为偏航角;
步骤5-2、根据步骤4中求得的平移向量T,由以下公式求解相机的姿态参数中的位置估计值,位置估计值包括在世界坐标系中的x坐标、y坐标和z坐标:
P=-R-1T=(x,y,z)T
其中,P为P=(x,y,z)T,表示相机的三维坐标,即位置参数。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
在Tsai算法求解旋转矩阵R的基础上,改进平移向量T的求解过程,具体是利用了相机焦距和特征点间距离作为冗余信息进行改进,从而提高位姿估计的精度;以及将传统Tsai算法求解平移向量T的过程由迭代计算改为线性计算,从而提高位姿估计的实时性。
上述内容仅是本发明技术方案的概述,为了更清楚的了解本发明的技术手段,下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例的坐标系关系示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,包括以下步骤:
步骤1、对使用的相机进行标定,得到相机焦距;其中的标定可采用张正友标定法,即张氏标定法。
步骤2、在相机的当前使用位姿下,对空间中的共面的至少5个特征点进行成像,以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,如图1所示,该世界坐标系平面记为XwOwYw,并获取共面上所有特征点的世界坐标和图像坐标;
具体为,
步骤2-1、在空间中布置一个平面合作目标,该平面合作目标上包含至少5个特征点;
步骤2-2、以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,通过卷尺等工具测得特征点的世界坐标;
步骤2-3、使用已标定好焦距的相机,在相机的当前使用位姿下,对平面合作目标进行成像;
步骤2-4、利用图像处理算法,从相机采集的平面合作目标图像中提取特征点的图像坐标。
步骤3、根据特征点的世界坐标和图像坐标,利用Tsai算法求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵R。
步骤4、根据步骤3求得的旋转矩阵R、步骤1标定得到的相机焦距、以及求解得到的特征点之间线段长度,求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的平移向量T;
具体为,
步骤4-1、根据特征点在等效成像平面上的投影点坐标、即特征点的图像坐标,选取投影点间的任意一条线段、记线段长度为l,并获取构成该线段的两个投影点对应的两个特征点、记两个特征点分别为P1和P2;
步骤4-2、将步骤3求得的旋转矩阵R作用于世界坐标系,得到旋转后的新坐标系,该新坐标系平面为Xw'Ow'Yw'与相机等效成像平面平行;
根据旋转矩阵R和特征点P1、P2的世界坐标,求解特征点P1、P2在新坐标系中的坐标,进而获取特征点P1、P2在新坐标系平面Xw'Ow'Yw'上的投影点间的线段、记新线段长度为L;
步骤4-3、根据线段长度l和新线段长度L、步骤1标定得到的相机焦距、以及步骤2获取的特征点P0的图像坐标,由以下公式求解平移向量T,
T=(x0c,y0c,z0c)T
其中,f为相机焦距,x0i、y0i为特征点P0的图像坐标,x0c、y0c、z0c为相机坐标系的相机坐标。
步骤5、根据步骤3求得的旋转矩阵R和步骤4求得的平移向量T,求解相机的位姿参数;
具体为,
步骤5-1、根据步骤3求得的旋转矩阵R,
由以下公式,采用Levenberg-Marquardt算法求解相机的姿态参数中的姿态角估计值,姿态角估计值包括俯仰角、滚转角和偏航角:
其中,α为俯仰角,β为滚转角,γ为偏航角;
步骤5-2、根据步骤4中求得的平移向量T,由以下公式求解相机的姿态参数中的位置估计值,位置估计值包括在世界坐标系中的x坐标、y坐标和z坐标:
P=-R-1T=(x,y,z)T
其中,P为P=(x,y,z)T,表示相机的三维坐标,即位置参数。
进一步地,所述步骤4-1中的选取线段优选为选取投影点间长度最长的一条线段,可确保精度和实时性更好,具体分析如下,
由步骤4-3中的公式可得到如下公式,
其中,L由人为布置即选取的特征点间距离决定,相机焦距f由标定得到,可认为不包含随机误差;而x0i、y0i、l由图像处理算法得到,其包含由随机噪声引起的随机误差。
则以方差衡量间接测量的随机误差,根据误差合成原理有如下公式,
可以得出,x0i、y0i、l包含方差一定的随机误差,则l越大时平移向量T的求解精度越高。因此,选取投影点间长度最长的一条线段可确保精度和实时性更好。
本发明的创新点在于,在Tsai算法求解旋转矩阵R的基础上,改进平移向量T的求解过程,以提高位姿估计的精度和实时性,从而大幅提高适用范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、对使用的相机进行标定,得到相机焦距;
步骤2、在相机的当前使用位姿下,对空间中的共面的至少5个特征点进行成像,以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,并获取特征点的世界坐标和图像坐标;
步骤3、根据特征点的世界坐标和图像坐标,利用Tsai算法求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵R;
步骤4、根据步骤3求得的旋转矩阵R、步骤1标定得到的相机焦距、以及求解得到的特征点之间线段长度,求解相机所在相机坐标系相对于世界坐标系的平移向量T;
具体为,
步骤4-1、根据特征点在等效成像平面上的投影点坐标、即特征点的图像坐标,选取投影点间的任意一条线段、记线段长度为l,并获取构成该线段的两个投影点对应的两个特征点、记两个特征点分别为P1和P2;
步骤4-2、将步骤3求得的旋转矩阵R作用于世界坐标系,得到旋转后的新坐标系,该新坐标系平面与相机等效成像平面平行;
根据旋转矩阵R和特征点P1、P2的世界坐标,求解特征点P1、P2在新坐标系中的坐标,进而获取特征点P1、P2在新坐标系平面上的投影点间的线段、记新线段长度为L;
步骤4-3、根据线段长度l和新线段长度L、步骤1标定得到的相机焦距、以及步骤2获取的特征点P0的图像坐标,由以下公式求解平移向量T,
<mrow>
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<mi>L</mi>
</mfrac>
</mrow>
T=(x0c,y0c,z0c)T
其中,f为相机焦距,x0i、y0i为特征点P0的图像坐标,x0c、y0c、z0c为相机坐标系的相机坐标;
步骤5、根据步骤3求得的旋转矩阵R和步骤4求得的平移向量T,求解相机的位姿参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于:所述步骤1中的标定采用张正友标定法。
3.根据权利要求1所述的一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于:所述步骤2中的获取特征点的世界坐标和图像坐标,具体为,
步骤2-1、在空间中布置一个平面合作目标,该平面合作目标上包含至少5个特征点;
步骤2-2、以特征点中任意一个特征点P0为原点建立世界坐标系,通过工具测得特征点的世界坐标;
步骤2-3、使用已标定好焦距的相机,在相机的当前使用位姿下,对平面合作目标进行成像;
步骤2-4、利用图像处理算法,从相机采集的平面合作目标图像中提取特征点的图像坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于:所述工具为卷尺。
5.根据权利要求1所述的一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于:所述步骤4-1中的选取投影点间的任意一条线段为投影点间长度最长的线段。
6.根据权利要求1所述的一种基于Tsai算法的改进位姿估计方法,其特征在于:所述步骤5中的求解相机的位姿参数,具体为,
步骤5-1、根据步骤3求得的旋转矩阵R,由以下公式,
采用Levenberg-Marquardt算法求解相机的姿态参数中的姿态角估计值,姿态角估计值包括俯仰角、滚转角和偏航角:
<mrow>
<mi>R</mi>
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其中,α为俯仰角,β为滚转角,γ为偏航角;
步骤5-2、根据步骤4中求得的平移向量T,由以下公式求解相机的姿态参数中的位置估计值,位置估计值包括在世界坐标系中的x坐标、y坐标和z坐标:
P=-R-1T=(x,y,z)T
其中,P为P=(x,y,z)T,表示相机的三维坐标,即位置参数。
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