CN106153012B - 指定目标的空间姿态参数测量方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种指定目标的空间姿态参数测量方法，包括：步骤100：对摄像机进行标定，获取摄像机的内部参数；采集得到指定目标的图像；步骤200：通过对指定目标的图像进行二值化处理和区域标识，分别得到圆区域和直线段区域的图像；步骤300：计算指定目标的图像中的椭圆参数和直线段倾角；步骤400：通过摄像机内部参数以及指定目标与指定目标的图像之间的几何关系计算获得指定目标的空间姿态参数，包括：在摄像机坐标系中，指定目标中圆心的三维坐标、指定目标的方位角以及摄像机到指定目标平面的高度。本发明可依据目标的几何尺寸和成像尺寸确定目标的空间姿态参数，操作简单且准确可靠。

Description

指定目标的空间姿态参数测量方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种指定目标的空间姿态参数测量方法及其应用，属于空间物体的位姿测量技术领域。
背景技术
现有的基于视觉的目标空间姿态检测方法中，大多需要预先利用其它技术手段获取一项或者几项目标位姿参数，在此基础上再利用视觉检测获得其它参数。例如，预先知道摄像机到目标平面的高度，或摄像机平面与目标平面之间的夹角等，但这些限制条件大大缩小了测量方法的使用范围。尤其是需要多台摄像机协同工作时，庞大的数据量和较小的拍摄范围则会限制此类技术的推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种指定目标的空间姿态参数测量方法及其应用，依据目标的几何尺寸和成像尺寸确定目标的空间姿态参数，操作方便且准确可靠。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
一种指定目标的空间姿态参数测量方法，包括如下步骤：
步骤100：对摄像机进行标定，获取摄像机的内部参数；采集得到指定目标的图像；
所述指定目标由置于周围环境中的圆和直线段组成，圆、直线段和周围环境均为单一颜色且各不相同，圆的直径已知；
步骤200：通过对指定目标的图像进行二值化处理和区域标识，分别得到圆区域和直线段区域的图像；
步骤300：计算指定目标的图像中的椭圆参数和直线段倾角，其中椭圆参数包括：椭圆的中心坐标、椭圆长轴的长度、椭圆短轴的长度和椭圆长轴倾角；
步骤400：通过摄像机内部参数以及指定目标与指定目标的图像之间的几何关系计算获得指定目标的空间姿态参数，包括：在摄像机坐标系中，指定目标中圆心的三维坐标、指定目标的方位角以及摄像机到指定目标平面的高度。
为了便于标定，所述步骤100中的摄像机的标定方法为张正友平面法。
具体来说，所述步骤300中通过惯量椭圆法计算得到椭圆参数和直线段倾角。
本发明还提供一种如上所述的指定目标的空间姿态参数测量方法的应用，该应用包括如下：
步骤1000：将指定目标粘贴在机器人表面；
步骤2000：摄像机安装在机械臂上，根据上述的方法确定的指定目标的空间姿态参数，控制机械臂运动到适当位置以便抓取机器人。
具体来说，所述步骤1000中指定目标贴在机器人的上表面。
所述的机器人包括地面处理机器人、擦窗机器人或壁面处理机器人。
综上所述，本发明无需利用其它技术手段，在指定目标和摄像机均在随机位置的情况下，只要目标完全处于摄像机视野内，便可依据目标的几何尺寸和成像尺寸确定目标的空间姿态参数，操作方便且准确可靠。
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。
附图说明
图1为本发明指定目标的示意图形；
图2为本发明的坐标系对应关系示意图；
图3为本发明的成像示意图；
图4为本发明的拍摄示意图。
具体实施方式
本发明提供一种指定目标的空间姿态参数测量方法，最终得到的结果包括：在摄像机坐标系中，指定目标中圆心的三维坐标、指定目标的方位角以及摄像机到指定目标平面的高度。图1为本发明指定目标的示意图形。如图1所示，为方便参数的计算，指定目标由一个单一颜色的圆10和一个单一颜色的直线段20组成，为了便于区分，其中圆10、直线段20和周围环境30的颜色需要各不相同，这里对颜色本身没有特殊要求，只须三者的颜色不同，以便于区分即可。在三种形状中，只有圆10的尺寸参数，即：圆的直径为已知数。
本发明利用单个摄像机拍摄指定目标获得目标图像，通过摄像机内部参数以及指定目标和指定目标图像之间的几何关系，便可计算出在摄像机坐标系中，指定目标的空间姿态参数。获得这些空间姿态参数之后，便可以通过程序控制对贴有该指定目标的机器进行抓取。
图2为本发明的坐标系对应关系示意图；图3为本发明的成像示意图；图4为本发明的拍摄示意图。
以下结合图1至图4，对本发明的具体步骤进行如下详细说明：
步骤100：利用张正友平面法(具体步骤参见：Zhangzhengyou.“A flexiblenewtechnique for camera calibration.”MS Technical Report.Dec.21998)的方法对摄像机进行标定，获取摄像机的内部参数，包括：镜头焦距f、光心的图像O’坐标(xo',yo')、矫正图像的映射矩阵mapx,mapy，然后采集指定目标的图像，得到矫正后的指定目标图像image_src。
摄像机的透镜成像系统采用的是针孔成像的原理，由于透镜畸变导致实际成像效果与针孔成像略有偏差；同时，在摄像机装配过程中也会导致镜头与感光元件位置的小范围偏移，这些误差都会降低测量精度，通过摄像机标定可以矫正图像，使成像系统更加接近针孔模型。
步骤200：通过对指定目标图像进行二值化处理和区域标识分别得到的圆区域和直线段区域的图像。
指定目标图像有显著地颜色特征，在HSV空间(HSV(Hue,Saturation,Value)是根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间,也称六角锥体模型(Hexcone Model)，这个模型中颜色的参数分别是：色调(H)，饱和度(S)和亮度(V))可以轻易的实现二值化操作。
二值化的目的是使圆和直线段分别与周围环境区分开来，而通过区域标识是为了剔除其他环境干扰因素，例如：通过二值化处理后，除了圆的部分显示出光亮效果，很可能还会有其他微小的亮点，此时通过面积的判断即可忽略这些亮点，使圆的部分被识别出来。
步骤300：计算圆区域成像的各几何参数，实际成像效果如图3所示：指定目标中的圆区域对应为目标图像中的椭圆区域，通过惯量椭圆法，利用一阶矩及二阶中心矩可以计算出目标图像坐标系中椭圆的中心C1的坐标长轴A’B’的长度length_longAxe、短轴D’E’的长度length_shortAxe以及长轴倾角ω，上述的惯量椭圆法为现有算法，具体的算式包括：
在上式中，R为二值图像中的椭圆区域，a为椭圆的区域面积，u1,1,u2,0,u0,2为二阶中心矩。
利用惯量椭圆法计算图像坐标系中直线段的倾角γ'，
其中，v1,1,v2,0,v0,2是直线段区域的二阶中心矩，其算法同椭圆的二阶中心矩，则摄像机坐标系中直线倾角γ＝γ'-ω。椭圆参数的计算和直线段倾角的计算顺序不分先后，也可以先计算直线段倾角γ'，再计算各椭圆参数。
在实际应用中，图3中直线H’K’和机器人的一条横向边界平行，计算出直线的倾角，也就得到了机器人的偏转角度。具体如图3所示，γ’角是指直线H’K’在图像坐标系中的倾角，γ角是指在摄像机坐标中的倾角，要计算的角度就是γ角。结合如图2所示，XcFYc是摄像机坐标系，XO’Y是图像坐标系，两个坐标系的Z轴相同，即：图2中的Zc轴，图像坐标系XO’Y相对于摄像机坐标系XcFYc有一个倾角ω角。因此，只需算出图像坐标系XO’Y中的直线H’K’的倾角γ’，即可算出H’K’在摄像机坐标系XcFYc中的倾角γ，由于直线H’K’和机器人的一条边界平行，算出γ也就是算出了机器人的偏转角度。
步骤400：在拍摄示意图4中，已知参数包括|FO’|(镜头焦距f)、圆的直径|AB|、|DE|及其成像的长度|A’B’|(椭圆长轴长度length_longAxe)、|D’E’|(椭圆短轴长度(length_shortAxe)、光心的像O’、椭圆中心的像C1。欲求参数包括摄像机坐标系下的圆心坐标C{XC,YC,ZC}，沿FJ轴的方位角α、沿l轴方位角β、沿FO轴(光轴)方位角γ以及摄像机到指定目标平面的高度h。
首先，在图像坐标系中，可以得到
摄像机平面与目标平面的夹角
然后，根据相似三角形可以得到
可以证明|
从而可以得到
以及h＝|FC”|cos∠C”FG，其中h为摄像机光心到目标平面高度。
在三角形FC”J中可以求出|C”J|＝|FC”|sin∠C”FJ,
故,设圆心C在摄像机坐标系下的坐标为
{XC,YC,ZC}，ZC＝|FC|cosθ，
其中，
综上所述，得到目标位姿参数C{XC,YC,ZC}、方位角{α,β,γ}以及高度h。
图4中，光轴FO垂直于摄像机平面，摄像机平面是指摄像机镜头所在的平面，成像平面与摄像机平面平行，如图1中所示的指定目标中的圆区域投影到成像平面上，即得到图3中的椭圆，椭圆的长轴A’B’与图4中的l轴平行，l轴为摄像机平面SH与目标平面M的交线，如图1中所示的指定目标中的直线段在摄像机坐标系中的偏转角，即为直线段相对于A’B’的夹角γ，如图3所示。CC”垂直于平面OFG，其中FG为摄像机到目标平面的高度h，构成摄像机坐标的三个轴分别为FJ(X轴)，l(Y轴)，FO(Z轴)，由于C1和O’的坐标已知，O’C1可计算出来，焦距FO’已知，且FO’垂直于成像平面，因而FO’C1为直角三角形，通过公式求出FC1，由于C’C1平行于AB，因而可求出角C’C1O’，而角C1C’O’为直角，可求出O’C’,从而求出FC’；再通过相似三角形等条件求得h及方位角，最后求出圆心坐标。
该方法可以应用到机械臂抓取机器人上，这里所述的机器人包括地面处理机器人、擦窗机器人、壁面处理机器人等，只要是在指定的平面上作业的机器人都可以应用到操作中去，具体做法是将带有图1中所示的指定目标贴在机器人的上表面，贴在机器人上表面不仅有利于摄像机采集指定目标图像也可方便机械臂抓取，指定目标中的三个图形加以颜色区分。摄像机装在机械臂上，根据指定目标和本发明前述的算法确定机器人所在的位置坐标，从而控制机械臂运动到适当位置以便抓取机器人。需要说明的是，该方法不仅限于应用机械臂抓取目标物体的范畴，还可应用在其他领域，例如无人机对目标物体的探测、跟踪。
综上所述，本发明无需利用其它技术手段，在指定目标和摄像机均在随机位置的情况下，只要指定目标完全处于摄像机视野内，便可依据指定目标的几何尺寸和成像尺寸确定目标的空间姿态参数，操作方便且准确可靠。

Claims (6)

1.一种指定目标的空间姿态参数测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤100：对摄像机进行标定，获取摄像机的内部参数；采集得到指定目标的图像；
所述指定目标由置于周围环境中的圆和直线段组成，圆、直线段和周围环境均为单一颜色且各不相同，圆的直径已知；
步骤200：通过对指定目标的图像进行二值化处理和区域标识，分别得到圆区域和直线段区域的图像；
步骤300：计算指定目标的图像中的椭圆参数和直线段倾角，其中椭圆参数包括：椭圆的中心坐标、椭圆长轴的长度、椭圆短轴的长度和椭圆长轴倾角；
步骤400：通过摄像机内部参数以及指定目标与指定目标的图像之间的几何关系计算获得指定目标的空间姿态参数，包括：在摄像机坐标系中，指定目标中圆心的三维坐标、指定目标的方位角以及摄像机到指定目标平面的高度。
2.如权利要求1所述的指定目标的空间姿态参数测量方法，其特征在于，所述步骤100中的摄像机的标定方法为张正友平面法。
3.如权利要求1所述的指定目标的空间姿态参数测量方法，其特征在于，所述步骤300中通过惯量椭圆法计算得到椭圆参数和直线段倾角。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的指定目标的空间姿态参数测量方法的应用，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1000：将指定目标粘贴在机器人表面；
步骤2000：摄像机安装在机械臂上，根据权利要求1-3任一项所述的方法确定的指定目标的空间姿态参数，控制机械臂运动到适当位置以便抓取机器人。
5.如权利要求4所述的指定目标的空间姿态参数测量方法的应用，其特征在于，所述步骤1000中指定目标贴在机器人的上表面。
6.如权利要求4或5所述的应用，其特征在于，所述的机器人包括地面处理机器人、擦窗机器人或壁面处理机器人。
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