CN110415292A - 一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用，该方法通过采用一台已知内部参数的相机，拍取一张已知内外圆半径的圆环标识图片，然后进行图像区域分割处理，提取图片中圆环曲线的边缘点，接着根据提取的边缘点拟合得到圆环曲线的二次型参数矩阵，以结合射影几何原理计算出真实圆心像点，最后根据真实圆心像点求出消隐线方程，依据曲线二次型和消隐线理论最终解算出圆环标识的转动参数和平移参数，即运动姿态。本发明相比现有技术具有以下优点：该方法能够获得较高精度的运动姿态参数，不但证明了使用单目视觉进行运动姿态测量的可行性和有效性，也为实际应用提供了一套高效、高精度、低成本的测量方案。
Description
技术领域
本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及的是一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法。
背景技术
运动姿态测量是为了获取目标物任意时刻的空间位置和定轴转动参数，是一项重要的通用基础技术，广泛应用于航空/航天器的运动分析、机动目标试验碰撞运动分析和自动化控制等领域。相较于通过安装在目标物上的各类速度、加速度、倾角以及直线/角度光栅等传感器进行运动姿态测量的接触式测量方法，基于计算机视觉原理的非接触式测量能够对目标物进行远距离测量，目标物体上一般仅粘贴或绘制简单的测量标识图案即可进行运动姿态测量，可有效解决有源传感器和数据存储通讯系统干涉目标物运动，以及无法长时间在线持续测量等难题，已成为当前的研究热点。
此外，计算机视觉测量技术还可以同时对多目标物进行测量，在实际工程应用中，能够有效降低测量成本和系统安装、调试、维护的复杂度。在运动姿态的计算机视觉测量理论中，双/多目视觉测量是一种直观和成熟的测量理论。其本质是一种三角测距系统，即通过2台或多台空间位置不同的相机获取2幅或多幅存在视差的目标物体图像，再根据特征点的视差值及相机拍摄参数，获得特征点的空间位置信息和目标物的运动姿态信息。但该系统需要明确各台相机的内外部参数，以及相机间的相对位置参数，多相机参数的定标难度大；一次测量需处理多幅图像，特征点在多图间的匹配算法复杂，特别是进行实时在线测量时，需要匹配高性能的计算设备。
针对上述问题，本文提出了一种采用1台已知内部参数的工业相机进行运动姿态测量的原理和方法。通过内部参数定标，在目标物体上粘贴或绘制已知内外半径参数的圆环形标识，这样，圆环标识的运动姿态即代表目标物体的运动姿态，每次测量时仅需获取1幅圆环标识图像即可计算出该时刻目标物的空间位置、定轴转动参数，即表征运动姿态的参数。所提方法可实现目标物体运动姿态的高效、高精度、低成本测量。。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法，其特征在于步骤如下:
步骤一、拍摄目标圆环照片，并提取目标圆环边外圆边缘点和内圆边缘点，
1.1、用张正友法标定相机的内部参数，并对已知内外圆半径的圆环标识拍取一张图片，
1.2、对步骤1.1所获得的图片进行图像区域分割处理并提取图片中目标圆环外圆边缘点和内圆边缘点；
步骤二、计算圆环标识的真实圆心像点，
2.1、取至少五组圆环外圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵，取至少五组圆环内圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵；
2.2、利用步骤2.1获得的目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵和目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵，结合射影几何原理得到圆环标识的真实圆心像点；
步骤三、计算转动参数，
计算圆环图像的消隐线方程，结合步骤1.1标定的相机内部参数确定至少两个平行于圆环标识平面的任意单位向量，与这两个单位向量垂直的单位向量即是圆环的转动参数；
步骤四、计算平移向量T，
根据下式计算得出平移向量T
其中，M′1、M′2为圆环标识的内、外圆曲线的二次型参数矩阵，K是相机的内部参数矩阵，λ1、λ2为圆环标识的内外圆比例因子，a1、a2为圆环标识的内外圆半径，r′1和r′2为任意一组相互正交且与转动参数正交的单位向量；
确定转动参数和平移向量即可确定圆环标识的运动姿态。
作为对上述方案的进一步改进，步骤三中计算转动参数的具体步骤是：
依据射影几何原理，消隐线上的每一点对应该圆环标识所在平面上的一个方向，即平行于标识平面的任意方向的单位向量V必与该平面消隐线存在一个交点，即满足关系式
其中ρ≠0，(u∞,v∞)为消隐线上的任意一点，在消隐线上任意选取至少2个点，由上式解出相应的单位向量，其平行于圆环标识平面，而标识平面的法线与所有该平面平行线垂直，因此可唯一确定法线所在直线，即表征运动姿态的转动参数，其为一组列向量。
1.作为对上述方案的进一步改进，平移向量T可通过下式计算得出：
T＝g1·r′1+g2·r′2+g3·r3，
其中、向量r3为转动参数，
g1、g2、g3满足
用最小二乘法即可解出g1/g3、g2/g3、1/g3的实数解，从而得出g1、g2、g3。
本发明还提供一种利用上述圆环标识的运动姿态视觉测量方法测量物体运动姿态的方法，其特征在于：将已知内外圆半径的圆环标识贴于待测量物体表面，利用权利要求1或2所述的测量方法测量圆环标识的运动姿态，根据圆环标识在物体上张贴的位置信息换算物体的具体运动姿态。
本发明相比现有技术具有以下优点：采用区域分割方法，使得拍取到的图片背景可以较为复杂，即带圆环标识的目标物体可处于复杂环境中，提高了算法的适用性；与传统的通过安装传感器的接触式测量方法相比，本发明具有非接触测量的优点，且为单目视觉测量，与其他双/多目视觉测量相比，本发明不仅算法简单，对设备要求也不高；本发明在求取平移向量时采用了简化算法，很大程度上简化了计算步骤，降低了计算复杂度，从而降低了计算设备的负担；本发明提出的基于圆环标识的运动姿态单目视觉测量方法与已有方法相比，具有高效、高精度、低成本的特性，有很大实际应用价值。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
在Windows操作系统中通过MATLAB平台用M语言编程实现了圆环标识的运动姿态视觉测量操作。
应用本方法进行圆环标识的运动姿态视觉测量主要包括采用已标定内部参数的相机拍摄粘贴有内外圆半径已知的圆环标识的目标物体获取图片、圆环曲线边缘点提取、圆环标识真实圆心像点求取、姿态参数测量四个操作步骤，具体步骤如下(步骤中未标明的单位都以像素为单位)：
步骤一、拍摄目标圆环照片，并提取目标圆环边外圆边缘点和内圆边缘点，
1.1、用张正友法标定相机的内部参数，并对已知内外圆半径的圆环标识拍取一张图片，
标定相机内部参数矩阵K，本方法采用张正友相机标定法，即拍摄15～20张棋盘格标定板图片，从而可解算出相机内部参数，这里可借助MATLAB平台中集成的相机标定工具箱标定相机内部参数，其中内部参数矩阵K形式如下：
其中，αu、αv分别为图像u、v轴上的尺度因子或称为归一化焦距；u0、v0为图片的几何中心，将已知内外圆半径的圆环标识绘制或粘贴于目标物体上，并用已标定了内部参数K的相机面向标识拍取一张图片。
1.2、对步骤1.1所获得的图片进行图像区域分割处理并提取图片中目标圆环外圆边缘点和内圆边缘点，具体方法如下：
对图像进行自适应滤波、阈值分割实现圆环标识图片的二值化，其中，阈值分割的阈值是以图像目标和背景的类间方差最大为阈值选取准则，综合考虑了像素邻域以及图像整体灰度分布等特征关系，以经过灰度分类的像素类群之间产生最大方差时的灰度数值作为图像的整体分割阈值。
对二值图像中的圆环标识曲线进行区域分割，这样可从整张图片中分割出圆环标识区域。
对区域分割后的图片中圆环二次曲线进行边缘点提取，方法如下：如果原图中有一点为白，而相邻的8个像素全部为黑，则将该像素点的灰度设置为0。经过边界提取后，对该图中的圆环曲线轮廓线进行跟踪并存储，可得到圆环二次曲线的边界点及其像素坐标。
步骤二、计算圆环标识的真实圆心像点，
2.1、取至少五组圆环外圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵，取至少五组圆环内圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵；
具体步骤如下：在提取到的内、外圆环曲线边缘点中各自任意选取至少五对或五对以上坐标点，采用最小二乘法分别拟合出内外圆环曲线的二次型参数矩阵M′1、M′2，即设图片中内外圆环曲线方程为：
Aiu2+Biv2+Ciuv+Diu+Eiv-1＝0，i＝1、2 (1)
其中(Ai、Bi、Ci、Di、Ei为曲线方程的系数，u,v为图像横纵坐标，也即边缘点坐标)，则二次型参数矩阵为：
其拟合的目标函数为：
j＝1、2、3、4、5
2.2、利用步骤2.1获得的目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵和目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵，结合射影几何原理得到圆环标识的真实圆心像点。
利用已得到两个的二次型参数矩阵M′1、M′2，结合射影几何原理即可求出圆环真实圆心像点，具体方法如下：
根据射影几何知识有圆环曲线二次型、消隐线和真实圆心像点存在对应关系，即设消隐线方程为a∞u+b∞v+c∞＝0(a∞、b∞、c∞为非零常数，u、v为图像横纵坐标)，则其对应关系如下：
其中ei为任意非零常数，i＝1，2，(uc,vc)为所要求取的圆环标识真实圆心像点，
式(2)又可表示为：
将二次型参数矩阵M′1、M′2表示如下：
则式(3)的可化简为：
即：
联立方程(4)和(5)即可得出圆环真实圆心像点图像坐标，出现多解可根据圆环几何特性进行简单判断从而排除多余解。
步骤三、计算转动参数，
计算圆环图像的消隐线方程，结合步骤1.1标定的相机内部参数确定至少两个平行于圆环标识平面的任意单位向量，与这两个单位向量垂直的单位向量即是圆环的转动参数，具体步骤如下：
3.1、根据圆环二次曲线特性知识，用公式(3)求出的真实圆心像点(uc,vc)再代回式(2)中即可解出(a∞,b∞,c∞)，从而得到圆环标识所在平面上的消隐线方程，
3.2、依据射影几何原理，消隐线上的每一点对应该圆环标识所在平面上的一个方向，即平行于标识平面的任意方向的单位向量V＝[vx,vy,vz]T，必与该平面消隐线存在一个交点，且满足以下方程：
其中，ρ≠0，(u∞,v∞)为消隐线上的任意一点，由于相机内部参数矩阵K已知，因此可由上式求解出单位向量V，
在消隐线上任意选取至少2个点，由上式解出相应的单位向量，其平行于圆环标识平面。而标识平面的法线与所有该平面平行线垂直，因此可唯一确定法线所在直线，即表征运动姿态的转动参数r3，其为一组列向量，
步骤四、计算平移向量T，具体步骤如下：
4.1、根据线性代数中的二次型理论，位于世界坐标系平面Xw-Yw上且圆心位于原点的圆环可表示为以下方程：
其中，ai(i＝1,2)表示圆环标识的内外圆半径，x，y是世界坐标下横纵坐标，
根据空间刚体运动理论，式(7)描述的圆环标识经过旋转和平移2个运动即可形成三维空间中任意位置处的标识，即可以用一个旋转矩阵R＝[r1 r2 r3]和平移向量T＝[tx tytz]T表示为：
其中，
因圆环标识与目标物体附着在一起，则上式中[r1 r2 T]即代表着目标物体的运动参数，因此运动参数的测量即转变为对式(8)中Mi项系数矩阵[r1 r2 T]求解的问题。在本发明中采用相机的线性成像模型，且相机坐标系与世界坐标系Ow-XwYwZw重合，则空间点P(x,y,z)的图像坐标可由下式描述：
其中K为相机的内部参数矩阵，并且通过标定事先获得；(u,v)为点P的图像坐标；δ为一比列因子；z为点P在相机坐标系(同时也是世界坐标系)中的“深度”坐标，实际成像条件下，z不等于0。若P是圆环上的点，则由式(8)和(9)可得：
其中M′i＝K-T·Mi·K-1是对称矩阵，且式(10)表示的是图片中两条二次曲线，在第3.1步中已求出在第3.1步中M′i(i＝1，2)的值；
在第4.2步已求解出圆环标识所在平面单位法向量(也即转动参数r3)的基础上，可构建一单位正交矩阵R′作为真实旋转矩阵的估计矩阵，即平面单位法向量为r3，则R′可表示为：
R′＝[r′1 r′2 r3]
其中r′1和r′2为任意一组相互正交且与r3正交的单位向量，
则结合上述已知数据如：M′i、K，有式子如下：
其中，M′1、M′2为圆环标识的内、外圆曲线的二次型参数矩阵，K是相机的内部参数矩阵，λ1、λ2为圆环标识的内外圆比例因子，a1、a2为圆环标识的内外圆半径，r′1和r′2为任意一组相互正交且与转动参数正交的单位向量；式(11)中的未知量仅有平移向量T，因此可从中解出T值，即圆环标识的平移参数，其也为一组列向量，此时，表征圆环标识的运动姿态的两个参数：转动参数r3、平移参数T已成功求出。
确定转动参数和平移向量即可确定圆环标识的运动姿态。
实施例2
对平移向量T可进行简化求解，具体方法如下：
本发明为了简化式(11)的求解过程，采用了一种简化算法对上式进行求解，即因R′为3×3的单位正交矩阵，则由其3组线性无关向量可表示任意平移向量T为：
T＝g1·r′1+g2·r′2+g3·r3， (12)
其中，g1、g2、g3为任意常数，则[r′1 r′2 T]-1可表示为：
则将式(11)两端同时右乘向量r3，可得下式：
用最小二乘法即可解出g1/g3、g2/g3、1/g3的实数解，真实的平移向量T可由式(12)解出，从而完成圆环标识的运动姿态测量。
以上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 (4)
1.一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法，其特征在于步骤如下:
步骤一、拍摄目标圆环照片，并提取目标圆环边外圆边缘点和内圆边缘点，
1.1、用张正友法标定相机的内部参数，并对已知内外圆半径的圆环标识拍取一张图片，
1.2、对步骤1.1所获得的图片进行图像区域分割处理并提取图片中目标圆环外圆边缘点和内圆边缘点；
步骤二、计算圆环标识的真实圆心像点，
2.1、取至少五组圆环外圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵，取至少五组圆环内圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵；
2.2、利用步骤2.1获得的目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵和目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵，结合射影几何原理得到圆环标识的真实圆心像点；
步骤三、计算转动参数，
计算圆环图像的消隐线方程，结合步骤1.1标定的相机内部参数确定至少两个平行于圆环标识平面的任意单位向量，与这两个单位向量垂直的单位向量即是圆环的转动参数；
步骤四、计算平移向量T，
根据下式计算得出平移向量T
其中，M′1、M′2为圆环标识的内、外圆曲线的二次型参数矩阵，K是相机的内部参数矩阵，λ1、λ2为圆环标识的内外圆比例因子，a1、a2为圆环标识的内外圆半径，r′1和r′2为任意一组相互正交且与转动参数正交的单位向量；
确定转动参数和平移向量即可确定圆环标识的运动姿态。
2.如权利要求1所述一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法，其特征在于：所述步骤三中计算转动参数的具体步骤是：
依据射影几何原理，消隐线上的每一点对应该圆环标识所在平面上的一个方向，即平行于标识平面的任意方向的单位向量V必与该平面消隐线存在一个交点，即满足关系式
其中ρ≠0，(u∞,v∞)为消隐线上的任意一点，在消隐线上任意选取至少2个点，由上式解出相应的单位向量，其平行于圆环标识平面，而标识平面的法线与所有该平面平行线垂直，因此可唯一确定法线所在直线，即表征运动姿态的转动参数，其为一组列向量。
3.如权利要求1所述一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法，其特征在于：平移向量T可通过下式计算得出：
T＝g1·r′1+g2·r′2+g3·r3，
其中、向量r3为转动参数，
g1、g2、g3满足
用最小二乘法即可解出g1/g3、g2/g3、1/g3的实数解，从而得出g1、g2、g3。
4.一种利用如权利要求1或2或3所述圆环标识的运动姿态视觉测量方法测量物体运动姿态的方法，其特征在于：将已知内外圆半径的圆环标识贴于待测量物体表面，利用权利要求1或2所述的测量方法测量圆环标识的运动姿态，根据圆环标识在物体上张贴的位置信息换算物体的具体运动姿态。
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| 梁晋等: "《3D反求技术》", 31 January 2019 * |
| 王继忠等: "《线性代数》", 31 March 2017 * |
| 贾静: ""多相机系统中若干视觉几何问题的研究"", 《中国博士学位论文全文库 信息科技辑》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111724366A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-09-29 | 武汉工程大学 | 一种激光腔识别方法及装置 |
| CN111724366B (zh) * | 2020-06-16 | 2023-08-25 | 武汉工程大学 | 一种激光腔识别方法及装置 |
| CN115497087A (zh) * | 2022-11-18 | 2022-12-20 | 广州煌牌自动设备有限公司 | 一种餐具姿态的识别系统及其方法 |
| CN115497087B (zh) * | 2022-11-18 | 2024-04-19 | 广州煌牌自动设备有限公司 | 一种餐具姿态的识别系统及其方法 |
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