CN109269466B - 基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统 - Google Patents

基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统，测量方法如下：(1)设计5个黑色圆形靶面特征点，靶面的4个顶角处设置4个特征点，靶面的中心设置1个特征点；(2)基于特征点的自标定，求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息；(3)特征点识别及质心定位。测量系统包括沿无咋轨道长度方向等间距设置多个图像式沉降监测仪，每个监测仪的摄像机镜头对准自身前方或后方监测仪内的激光光源，列车行进方向的最前端的图像式沉降监测仪的输出端与数据采集分析终端的输入端连接。本发明实现了靶面位姿的实时非接触式测量，测量快速准确，成本低，实施便捷，可广泛应用于无砟轨道表面沉降监测。

Description

基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统
技术领域
本发明属于无砟轨道表面沉降监测技术领域，尤其涉及一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统。
背景技术
视觉监测法是一种新型非接触式的即刻式沉降测量方法，该测量方式简单、速度快、测量精度高，可以实现接力传递式的自动化测量。然而，在测量过程中，容易忽略因现场安装偏差以及靶面松动引起的靶面与相机的相对偏转问题，导致测量结果产生偏差，因此有必要对靶面与相机间的相对偏移情况进行研究，即对靶面相对位姿进行测量。
基于二维标定物的摄像机标定方法通过拍摄多幅不同角度的图像进行标定，依据标定过程中参照物的不同分为传统的标定方法和自标定方法，目前应用最广泛的则是一种介于传统标定和自标定之间的平面标定法。但对于铁路在线监测条件下采用该方法则存在以下问题：①标定板精度要求高，制作成本大；②监测现场环境限制导致对每个监测点的测量很难实施，且维护成本高；③标定过程缓慢。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统，通过对靶面图像的实时图像处理，得到靶面特征点的特征信息进行相机位姿自标定，建立了基于图像处理的靶面相对位姿测量系统。
本发明是这样实现的，一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法，包括如下步骤：
(1)设计靶面特征点：
设置5个圆形靶面特征点，其中4个靶面特征点分别设置于靶面的4个顶角处，另1个靶面特征点设置于靶面的中心，所述靶面特征点为黑色；
(2)基于特征点的自标定：
分别估计出每帧图像对应的被测目标世界坐标系与相机坐标系间的转换关系，以相机坐标系为中介，即可求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息；
(3)特征点识别及质心定位：
对获取的初始靶面图像进行处理，提取特征点及质心定位，质心求取算法实现步骤如下：
①对输入的图像进行预处理；
②进行图像分割；
③进行形态学处理；
④裁剪感兴趣区域；
⑤采用灰度质心法求质心，并标记；
⑥输出质心坐标。
优选地，所述步骤(1)中靶面的4个顶角处的水平和竖直方向的相邻靶面特征点相距15mm，所述靶面特征点的直径为2mm。
优选地，所述步骤(2)中，求取被测标靶沉降前后的位置和姿态信息的具体步骤如下：
取三维欧式空间中任意一点P，在两个不同坐标系中的坐标设为P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，则P1→P2的转化如下式：
P1＝RP2+t (1)
其中，R为旋转矩阵，t为平移向量；
Figure GDA0001902981590000021
设PC为点P在相机坐标系OC-XCYCZC中的坐标，P1为在初始坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标，P2为在运动后坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标，则有：
Figure GDA0001902981590000031
设坐标系O2-X2Y2Z2相对于坐标系O1-X1Y1Z1的姿态和位移关系为ΔRP和ΔtP，则：
P2＝ΔRPP1+ΔtP (3)
由式(2)和(3)可得：
Figure GDA0001902981590000032
依据P2和P1的关系，则有：
P1＝ΔRPP2-ΔtP (5)
通过待测目标空间位姿在相机坐标的位置P1和P2，可检测出P2相对P1的位姿变化ΔRP、ΔtP。
本发明进一步提供了一种基于特征点的靶面相对位姿测量系统，包括沿无咋轨道长度方向等间距设置的多个沉降监测点，列车行进方向的最前端和最后端的沉降监测点为基准点，每个监测点设置图像式沉降监测仪，所述图像式沉降监测仪包括监测靶面、倾角仪、光源补充仪、摄像机、嵌入式系统、激光器，每个图像式沉降监测仪的摄像机镜头对准自身前方或后方图像式沉降监测仪内的激光光源，摄像机安装在投影靶面前方0.2m处，所述无咋轨道上列车行进方向的最前端的图像式沉降监测仪的输出端与数据采集分析终端的输入端连接。
优选地，所述多个沉降监测点之间的间距为25-50m。
优选地，所述摄像机和激光器分别安装于可调支架上，所述可调支架的水平位置和竖直位置可调。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明基于单目视觉和图像处理技术获取靶面二维特征点信息，通过自标定得到靶面的相对姿态实现了靶面位姿的实时非接触式测量，本发明提供的基于特征点的靶面相对位姿测量系统三个角度的均方根误差分别是0.139°，0.142°，0.151°，整个识别过程用时0.9s，具有高的计算精度，用时短，在无砟轨道表面沉降监测中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的靶面特征点的设计图。
图2是本发明实施例1提供的单目视觉测量位姿估计原理图。
图3是本发明实施例1提供的初始靶面图像。
图4是本发明实施例1提供的质心求取流程图。
图5是本发明实施例1提供的特征点提取及质心定位结果图。
图6是本发明实施例2提供的一种基于特征点的靶面相对位姿测量系统的结构示意图。
图7是本发明实施例2提供的图像式沉降监测仪的结构示意图。
图8是本发明实施例提供3提供的实验测量位姿角度误差示意图。
图中：1-监测靶面；2-倾角仪；3-光源补充仪；4-摄像机；5-嵌入式系统；6-激光器；7-可调支架；8-靶面特征点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法，包括如下步骤：
1、设计靶面特征点：
设计采用圆形特征点，其中心对称的结构可以避免自身形变导致的质心定位偏差。相机相对位姿解算归结为求6个自由度的未知参数，即3个旋转参数和3个平行参数。每给定一个图像特征点就可以消除一个自由度，从各特征点的x、y坐标导出的约束条件最大为2，因此给出4个及以上的特征点，便可获得解析解。
本发明测量时设置5个圆形靶面特征点，考虑到靶面或相机相对位置改变而导致某个特征点缺失的情况，将其中4个靶面特征点分别设置于靶面的4个顶角处，另1个靶面特征点设置于靶面的中心，靶面特征点为黑色，如图1所示。靶面的4个顶角处的水平和竖直方向的相邻靶面特征点相距15mm，靶面特征点的直径为2mm。监测靶面特征点具有易于识别和匹配，现场安装难度小等优点。
2、基于特征点的自标定：
单目视觉测量就是利用单台相机测量空间目标的位置和姿态，分别估计出每帧图像对应的被测目标世界坐标系与相机坐标系间的转换关系，以相机坐标系为中介，即可求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息，单目视觉测量位姿估计原理图如图2所示，具体如下：
取三维欧式空间中任意一点P，在两个不同坐标系中的坐标设为P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，则P1→P2的转化如下式：
P1＝RP2+t(1)
其中，R为旋转矩阵，t为平移向量；
Figure GDA0001902981590000051
设PC为点P在相机坐标系OC-XCYCZC中的坐标，P1为在初始坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标，P2为在运动后坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标，则有：
Figure GDA0001902981590000061
设坐标系O2-X2Y2Z2相对于坐标系O1-X1Y1Z1的姿态和位移关系为ΔRP和ΔtP，则：
P2＝ΔRPP1+ΔtP (3)
由式(2)和(3)可得：
Figure GDA0001902981590000062
依据P2和P1的关系，则有：
P1＝ΔRPP2-ΔtP (5)
由此，通过待测目标空间位姿在相机坐标的位置P1和P2，可检测出P2相对P1的位姿变化ΔRP、ΔtP，从而实现了单目相机的空间位姿测量。
3、特征点识别及质心定位：
由于实际测量中普遍存在的背景干扰和复杂的光照环境的干扰，实际获取的初始靶面图像如图3所示，其不利于特征点的识别，因此对获取的初始靶面图像要进行处理，提取特征点及进行质心定位，质心求取流程图如图4所示，质心求取算法实现步骤如下：
①对输入的图像进行预处理；
②进行图像分割；
③进行形态学处理；
④裁剪感兴趣区域；
⑤采用灰度质心法求质心，并标记；
⑥输出质心坐标。
经过上述步骤，对初始靶面的最终定位结果如图5所示。
实施例2
一种基于特征点的靶面相对位姿测量系统，如图6所示，包括沿无咋轨道长度方向等间距设置的多个沉降监测点，沉降监测点之间的间距以25-50m为佳。列车行进方向的最前端和最后端的沉降监测点为基准点，每个监测点设置图像式沉降监测仪，每个图像式沉降监测仪的摄像机镜头对准自身前方或后方图像式沉降监测仪内的激光光源，定时拍摄监测靶面的光斑图像，通过定位激光图像中心得到测量标靶沉降前后的位置数据差值，来反映监测点相对于基准点的路基沉降变形。无咋轨道上列车行进方向的最前端的图像式沉降监测仪的输出端与数据采集分析终端的输入端连接；通过采集、分析光斑图像数据，计算得到前后光斑中心数值差分结果，以此来反映两个监测点间的表面相对沉降值。
如图7所示，图像式沉降监测仪包括监测靶面、倾角仪、光源补充仪、摄像机、嵌入式系统、激光器，摄像机安装在投影靶面前方0.2m处，摄像机和激光器分别安装于可调支架上，可调支架的水平位置和竖直位置可调。
实施例3
采用实施例2的测量系统进行靶面相对位姿测量实验，摄像机选用Microvision公司的MV3000UC型CMOS相机，像元数512×384。靶面尺寸120mm×150mm。倾角仪选用高精度双轴倾角仪型号TLL-90S，双轴精度为0.005°，单轴精度为0.01°。靶面和倾角仪固定在一个NT305WM光学三维高精密旋转台上，精度0.1°。摄像机安装在投影靶面前方0.2m处。
在测量过程中，为避免靶面三轴同时转动时发生耦合现象，测量按照单轴转动进行，通过调节精密旋转平台改变靶面偏转角度，做了10组实验，实验测量位姿角度误差如图8所示，实验测量位姿角度误差分析如表1所示。
表1实验误差分析
Figure GDA0001902981590000071
由表1可知，位姿测量系统三个角度的均方根误差分别是0.139°，0.142°，0.151°，满足无砟轨道沉降监测要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设计靶面特征点：
设置5个圆形靶面特征点，其中4个靶面特征点分别设置于靶面的4个顶角处，另1个靶面特征点设置于靶面的中心，所述靶面特征点为黑色；
(2)基于特征点的自标定：
利用每帧图像对应的被测目标世界坐标系与相机坐标系间的转换关系，以相机坐标系为中介，即可求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息；
(3)特征点识别及质心定位：
对获取的初始靶面图像进行处理，提取特征点及质心定位，质心求取算法实现步骤如下：
①对输入的图像进行预处理；
②进行图像分割；
③进行形态学处理；
④裁剪感兴趣区域；
⑤采用灰度质心法求质心，并标记；
⑥输出质心坐标。
2.如权利要求1所述的基于特征点的靶面相对位姿测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中靶面的4个顶角处的水平和竖直方向的相邻靶面特征点相距15mm，所述靶面特征点的直径为2mm。
3.如权利要求1所述的基于特征点的靶面相对位姿测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，求取被测标靶沉降前后的位置和姿态信息的具体步骤如下：
取三维欧式空间中任意一点P，在两个不同坐标系中的坐标设为P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，则P1→P2的转化如下式：
P1＝RP2+t (1)
其中，R为旋转矩阵，t为平移向量；
Figure FDA0002774226110000021
设PC为点P在相机坐标系OC-XCYCZC中的坐标，P1为在初始坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标，P2为在运动后坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标，则有：
Figure FDA0002774226110000022
设坐标系O2-X2Y2Z2相对于坐标系O1-X1Y1Z1的姿态和位移关系为ΔRP和ΔtP，则：
P2＝ΔRPP1+ΔtP (3)
由式(2)和(3)可得：
Figure FDA0002774226110000023
依据P2和P1的关系，则有：
P1＝ΔRPP2-ΔtP (5)
通过待测目标空间位姿在相机坐标的位置P1和P2，可检测出P2相对P1的位姿变化ΔRP、ΔtP。
4.一种基于特征点的靶面相对位姿测量系统，其特征在于，包括沿无咋轨道长度方向等间距设置的多个沉降监测点，列车行进方向的最前端和最后端的沉降监测点为基准点，每个监测点设置图像式沉降监测仪，所述图像式沉降监测仪包括监测靶面、倾角仪、光源补充仪、摄像机、嵌入式系统、激光器，每个图像式沉降监测仪的摄像机镜头对准自身前方或后方图像式沉降监测仪内的激光光源，摄像机安装在投影靶面前方0.2m处，所述无咋轨道上列车行进方向的最前端的图像式沉降监测仪的输出端与数据采集分析终端的输入端连接。
5.如权利要求4所述的基于特征点的靶面相对位姿测量系统，其特征在于，所述多个沉降监测点之间的间距为25-50m。
6.如权利要求4所述的基于特征点的靶面相对位姿测量系统，其特征在于，所述摄像机和激光器分别安装于可调支架上，所述可调支架的水平位置和竖直位置可调。
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