CN108090931A - 一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法 - Google Patents

一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法，步骤包括：(1)获取标志器图像；(2)阈值分割、边缘检测；(3)识别标志器；(4)提取标志器特征点；(5)位姿解算。该方法运用图像识别手段解决了空间飞行器目标视觉位姿测量过程中在标志器被部分遮挡、干扰下识别和位姿测量问题，识别测量结果准确、可靠。

Description

一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与 位姿测量方法
技术领域
本发明涉及一种标志器识别和位姿测量方法，尤其涉及一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别和位姿测量方法。
背景技术
基于视觉的目标位姿(位置、姿态)测量是光电精密测量技术领域重点研究的前沿方向，在空间探测、工业制造、机器人等领域扮演着举足轻重的作用。尤其在空间领域中，准确测量空间目标的位姿是直接关系到空间任务(交会对接、目标捕获、在轨装配和维修等)成功与否的重要前提。
视觉位姿测量可分为合作目标测量和非合作目标测量，合作目标测量由于具有精度高、测量技术成熟、可靠等优势，在空间领域广泛采用。目前已采用过的合作标志器形态多种多样，有利用特征点、特征线、特征圆等多种几何特征的，通过对合作标志器的特征识别提取，从而利用提取的特征点坐标重投影约束、特征直线斜率约束、特征圆的半径约束等解算出目标位姿。
根据秦丽娟等人的《基于矩形的三维物体位姿估计研究》(参见《计算机工程与科学》，2009年31卷(4)49-51页)，利用了矩形对边平行直线等条件构造了位姿解析解算方法，但未涉及利用圆形等几何特征。根据邓才华等人的《近景摄影测量圆形人工标志的量测方法及精度分析》(参见《矿山测量》，2011年12月(6期)39-41页)，研究了利用HOUGH变换检测图像椭圆中心的方法，但同样未涉及十字特征提取。中国专利CN201010563504.6中提出了一种基于特征线的运动目标位姿光学测量方法，方法中利用了两条相交直线上4个特征点不重合且不共线条件，解算目标位置姿态，未涉及利用圆形和十字组合特征的识别和位姿测量方法。综上所述，上述方法均未涉及利用圆形和十字组合特征的抗遮挡和抗干扰的识别标志器并解算位姿方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法。步骤包括：(1)获取标志器图像；(2)阈值分割、边缘检测；(2)识别标志器；(4)提取标志器特征点；(5)位姿解算。该方法运用图像处理手段解决了航天器空间交会对接视觉位姿测量过程中在标志器被部分遮挡、干扰下识别和位姿测量问题，识别测量结果准确、可靠。
本发明采用的技术方案为：一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法，步骤如下：
步骤(1)、设置标志器由高反光圆形和十字图形构成，十字图形位于圆形内部，十字图形4个顶点与圆形内接，且圆形圆心与十字中心重合。获取合作标志器图像；
步骤(2)、将步骤(1)获取的图像进行阈值分割和边缘检测，获取图像边缘；
步骤(3)、识别标志器。通过检测到椭圆的中心坐标和十字的中心坐标重合程度，识别出标志器。
所述步骤(3)具体为：
a、通过HOUGH变换检测图像中的椭圆环，并拟合得到图像中椭圆环的中线长轴长度li、短轴长度si，其中1<i<Ne，i为图像中检测到的椭圆环的中线的序号，Ne为图像中检测到椭圆环的中线总数；由于标志器圆形和相机之间呈一定角度成像关系，因此，标志器圆形成像后呈椭圆，且椭圆环的中线长轴li和短轴si比值应满足以下关系。
σ为预先设置的椭圆长轴和短轴比值阈值，和相机与标志器最大成像角度有关。获取满足上述关系的椭圆环的中心坐标Oi。
b、通过HOUGH变换检测图像中的平行直线，并拟合得到图像中平行直线的中线的斜率kj，和截距bj，其中1<j<Nl，j为图像中平行直线的中线的序号，Nl为图像中检测到平行直线的中线总数；由于标志器十字与相机之间呈一定角度成像关系，因此标志器十字的两条平行直线的中线夹角应约为斜率应满足以下关系。
kj，kq为图像检测到两条平行直线的中线斜率，满足1<j<Nl，1<q<Nl。δ为预先设置的相交角度阈值。获取满足上述关系的平行直线的中线交点坐标Cj,q。
c、判断Oi和Cj,q的距离，若满足以下关系：
||Oi-Cj,q||≤△
则图像中检测到的椭圆与十字交点距离较近，识别判定此椭圆和相交十字为标志器。△为预先设置直线交点和椭圆中心的距离阈值。由于采用HOUGH变换检测图像中的残缺、断裂的椭圆和直线，因此，本方法识别图像中标志器具有抗遮挡、抗干扰的优点。
步骤(4)、提取标志器特征点。针对识别得到的标志器，通过拟合出的椭圆和十字的交点，即可获取标志器4个特征点坐标。由于椭圆和十字均由HOUGH变换提取并对椭圆和十字进行拟合，因此，针对椭圆或十字被部分遮挡，或被干扰情况，依旧可准确识别椭圆和十字，并准确提取椭圆和十字的交点，即该方法提取标志器特征点具有抗遮挡、抗干扰等优点。
步骤(5)、解算位姿。针对提取到的标志器4个特征点，通过POSIT等方法即可解算标志器的三维位置、姿态信息。
本发明与现有技术相比的优点为：根据标志器圆形和十字组合特征，通过HOUGH变换检测图像中椭圆和直线，并利用椭圆中心和直线相交点的重合度判别识别出图像中的标志器；利用椭圆和十字的交点提取标志器的4个特征点；利用4个特征点可解算标志器的位置、姿态信息。本发明方法能有效针对标志器在部分遮挡、被干扰情况下，进行标志器识别、特征点提取及位姿测量。提高了标志器识别、位姿测量的提取准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法具体流程图；
图2为仿真生成标志器模型；
图3为仿真生成标志器成像图像；
图4为图像边缘检测结果；
图5为检测图像边缘中的椭圆环；
图6为检测图像边缘中的平行直线；
图7为检测图像中椭圆环中线；
图8为检测平行直线中线检测结果；
图9为识别出图像中标志器及4个特征点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明方法进一步说明。
本发明一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法，具体流程如图1所示。
步骤(1)、设置标志器由高反光圆形和十字图形构成，十字图形位于圆形内部，十字图形4个顶点与圆形内接，且圆形圆心与十字中心重合，如图2所示。获取合作标志器图像，如图3所示；
步骤(2)、将步骤(1)获取的图像进行阈值分割和边缘检测，获取图像边缘，如图4所示；
步骤(3)、识别标志器。通过检测到椭圆的中心坐标和十字的中心坐标重合程度，识别出标志器。
所述步骤(3)具体为：
a、通过HOUGH变换检测图像中的椭圆环，如图5所示。并拟合得到图像中椭圆环的中线(如图7所示)长轴长度li、短轴长度si，其中1<i<Ne，i为图像中检测到的椭圆环的中线的序号，Ne为图像中检测到椭圆环的中线总数；由于标志器圆形和相机之间呈一定角度成像关系，因此，标志器圆形成像后呈椭圆，且椭圆环的中线长轴li和短轴si比值应满足以下关系。
σ为预先设置的椭圆长轴和短轴比值阈值，和相机与标志器最大成像角度有关。获取满足上述关系的椭圆环的中心坐标Oi。
b、通过HOUGH变换检测图像中的平行直线，如图6所示。并拟合得到图像中平行直线的中线(如图8所示)的斜率kj，和截距bj，其中1<j<Nl，j为图像中平行直线的中线的序号，Nl为图像中检测到平行直线的中线总数；由于标志器十字与相机之间呈一定角度成像关系，因此标志器十字的两条平行直线的中线夹角应约为斜率应满足以下关系。
kj，kq为图像检测到两条平行直线的中线斜率，满足1<j<Nl，1<q<Nl。δ为预先设置的相交角度阈值。获取满足上述关系的平行直线的中线交点坐标Cj,q。
c、判断Oi和Cj,q的距离，若满足以下关系：
||Oi-Cj,q||≤△
则图像中检测到的椭圆与十字交点距离较近，识别判定此椭圆和相交十字为标志器。△为预先设置直线交点和椭圆中心的距离阈值。由于采用HOUGH变换检测图像中的残缺、断裂的椭圆和直线，因此，本方法识别图像中标志器具有抗遮挡、抗干扰的优点。
步骤(4)、提取标志器特征点。针对识别得到的标志器，通过拟合出的椭圆和十字的交点，即可获取标志器4个特征点坐标，如图9所示。由于椭圆和十字均由HOUGH变换提取并对椭圆和十字进行拟合，因此，针对椭圆或十字被部分遮挡，或被干扰情况，依旧可准确识别椭圆和十字，并准确提取椭圆和十字的交点，即该方法提取标志器特征点具有抗遮挡、抗干扰等优点。
步骤(5)、解算位姿。针对提取到的标志器4个特征点，通过POSIT等方法即可解算标志器的三维位置、姿态信息。
本发明未详述部分属于本技术领域的公知技术。以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤(1)、设置标志器由高反光圆形和十字图形构成，十字图形位于圆形内部，十字图形4个顶点与圆形内接，且圆形圆心与十字中心重合，获取合作标志器图像；
步骤(2)、将步骤(1)获取的图像进行阈值分割和边缘检测，获取图像边缘；
步骤(3)、识别标志器，通过检测到椭圆的中心坐标和十字的中心坐标重合程度，识别出标志器；
步骤(4)、提取标志器特征点，针对识别得到的标志器，通过拟合出的椭圆和十字的交点，即可获取标志器4个特征点坐标，由于椭圆和十字均由HOUGH变换提取并对椭圆和十字进行拟合，因此，针对椭圆或十字被部分遮挡，或被干扰情况，依旧可准确识别椭圆和十字，并准确提取椭圆和十字的交点，即该方法提取标志器特征点具有抗遮挡、抗干扰等优点；
步骤(5)、解算位姿，针对提取到的标志器4个特征点，通过POSIT等方法即可解算标志器的三维位置、姿态信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆和十字特征组合的抗遮挡抗干扰的标志器识别与位姿测量方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：
a、通过HOUGH变换检测图像中的椭圆环，并拟合得到图像中椭圆环的中线长轴长度li、短轴长度si，其中1<i<Ne，i为图像中检测到的椭圆环的中线的序号，Ne为图像中检测到椭圆环的中线总数；由于标志器圆形和相机之间呈一定角度成像关系，因此，标志器圆形成像后呈椭圆，且椭圆环的中线长轴li和短轴si比值应满足以下关系：
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow>
σ为预先设置的椭圆长轴和短轴比值阈值，和相机与标志器最大成像角度有关，获取满足上述关系的椭圆环的中心坐标Oi；
b、通过HOUGH变换检测图像中的平行直线，并拟合得到图像中平行直线的中线的斜率kj，和截距bj，其中1<j<Nl，j为图像中平行直线的中线的序号，Nl为图像中检测到平行直线的中线总数；由于标志器十字与相机之间呈一定角度成像关系，因此标志器十字的两条平行直线的中线夹角应约为斜率应满足以下关系：
<mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msup> <mi>tg</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msup> <mi>tg</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>&amp;le;</mo> <mi>&amp;delta;</mi> </mrow>
kj，kq为图像检测到两条平行直线的中线斜率，满足1<j<Nl，1<q<Nl，δ为预先设置的相交角度阈值，获取满足上述关系的平行直线的中线交点坐标Cj,q；
c、判断Oi和Cj,q的距离，若满足以下关系：
||Oi-Cj,q||≤△
则图像中检测到的椭圆与十字交点距离较近，识别判定此椭圆和相交十字为标志器，△为预先设置直线交点和椭圆中心的距离阈值，由于采用HOUGH变换检测图像中的残缺、断裂的椭圆和直线，因此，本方法识别图像中标志器具有抗遮挡、抗干扰的优点。
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