CN111637851B - 一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法及装置，包括处理与显示设备1、相机2、固定平面装置3、安装在固定平面装置3上的Aruco码4、旋转物体5、安装在旋转物体5上的Aruco码6；处理与显示设备1负责处理图像与计算角度；相机2的安装要确保固定平面上的Aruco码4与旋转物体上的Aruco码5都在视野范围之内；安装在旋转设备5上的Aruco码6安装在非旋转中心处。方法包括：步骤1：建立坐标系；步骤2：确定旋转角；步骤3：计算旋转角度。本发明的法通过非接触式的方式对旋转物体的旋转角度进行实时的高精度测量，可适应复杂变换的环境，装置简单，安装与使用要求低，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法及装置，属于旋转角度测量领域。
背景技术
目前，很多应用场合需要对旋转物体的旋转角度进行实时测量，如军工领域、航空航天领域，对旋转角度的测量精度和实时性提出了较高的要求。传统旋转角度的测量方法大多采用电子传感器或光学仪器等方式进行，需要与旋转物体进行必要的接触，并且可能会对物体造成损伤。同时，电子传感器对旋转物体的结构有较高要求，需要预留传感器的放置位置；光学仪器的操作复杂、成本较高，且适用场合有限。
机器视觉通过对图像进行分析计算，获取所需的识别与测量信息，已经在工业领域得到了广泛应用，如目标检测定位、产品缺陷检测、固定角度测量等。通过机器视觉可对旋转角度进行非接触式测量，对旋转物体的结构要求较低，可避免对旋转物体带来损伤，同时可满足对测量精度与速度的要求。
公开号为CN108007388A的中国专利申请公开了一种基于机器视觉的转盘角度高精度在线测量方法，通过使用机器视觉的方式对转盘的旋转角度进行了在线测量。该方法包含测量参考标记圆孔设定阶段、图像采集阶段、图像处理阶段与角度测量阶段。具体为：首先将两个参考标记圆孔分别设置到圆盘的正中心与离正中心2cm处；然后以相机成像中心与转盘中心重合的方式安装相机，在转盘旋转之后采集表面图像；其次，经过对采集图像的灰度化处理、形态学滤波、边缘检测等操作，获取两圆孔圆心坐标及半径，最后利用检测的两个圆心以及转盘在垂直轴线方向上任意一点，三点组成两个向量，利用向量的夹角的余弦值，获取最终的旋转角度。
该基于机器视觉的转盘角度高精度在线测量方法虽然可较高精度的对旋转角度进行测量，但存在以下问题：(1)以圆孔作为标记容易与其他形状近圆的物体冲突，导致识别失败(2)通过打圆孔的方式设定标记，对待测物体会有损伤，并且很难保证圆孔的圆心与转盘的旋转中心是完全重合的；(3)安装相机时很难保证相机的成像中心与转盘中心完全重合；(4)在图像处理阶段要依赖稳定的光源才可避免重复的图像处理，无法适用于变化的光照条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法及装置。该方法通过非接触式的方式对旋转物体的旋转角度进行实时的高精度测量，可适应复杂变换的环境，装置简单，安装与使用要求低，适用范围广。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤1：建立坐标系
利用Aruco码建立世界坐标系与旋转物体坐标系，然后通过相机对Aruco码的识别，获取旋转物体上的一个转动点在世界坐标系下的坐标；
步骤2：确定旋转角
在世界坐标系下确定旋转物体的旋转平面与旋转中心，在旋转平面内转动点绕旋转中心转动的角即为旋转角；
步骤3：计算旋转角度
在旋转平面内，转动点的起始位置与终止位置分别与旋转中心组成两个空间向量，计算两个空间向量的夹角，得到旋转角度的大小。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.在步骤1中，具体包括以下步骤：
步骤1.1：将两个不同ID的Aruco码分别置于固定平面与旋转物体上，确保两者都在相机视野范围内；
步骤1.2：以Aruco码的一个角点为原点，相邻的两条边为坐标轴，建立右手坐标系，以固定平面上Aruco码所确定的坐标系为世界坐标系，旋转物体上Aruco码所确定坐标系为旋转物体坐标系，以旋转物体坐标系原点为转动点，获取该转动点在世界坐标系下的坐标。
2.在步骤1.2中，获取转动点在世界坐标系下的坐标，具体包括以下步骤：
步骤1.2.1：利用棋盘格标定出相机的内参数矩阵M；
步骤1.2.2：获取Aruco码所确定的坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵与平移向量，具体方法为：获取Aruco码四个角点的像素坐标，然后获取四个角点在其坐标系下的三维坐标，通过PnP迭代算法估计相机的位姿，获取旋转矩阵与平移向量；设世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵与平移向量为R1、T1，旋转物体坐标系为R2、T2；
步骤1.2.3：设旋转物体坐标系原点在世界坐标系下的坐标为(X1,Y1,Z1)，在像素坐标系下的坐标为(u1,v1)，根据世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系与像素坐标系之间的转换关系，有以下坐标转换关系：
其中，Z2＝T2[0 0 1]T，为转旋转物体坐标系原点到相机坐标系原点的距离；为获取(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，对式(1)做如下变形：
其中，
则有
进而得到了(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，在获取转动点像素坐标(u1,v1)之后，得到其在世界坐标系下的坐标。
3.在步骤2中，所述旋转角的确定方法具体包括以下步骤：
步骤2.1：转动旋转物体，实时采集并保存转动点在世界坐标系下的坐标值，得到一个三维点云；
步骤2.2：利用最小二乘法拟合三维点云的分布平面，得到物体的旋转平面；
步骤2.3：将三维点云投影到某一坐标平面内，得到呈椭圆分布的二维点云，通过最小二乘法获取二维点云的拟合椭圆方程，并由此获取椭圆的中心坐标；
步骤2.4：将椭圆中心投影到旋转平面内，得到的三维空间点即为物体的旋转中心；
步骤2.5：在旋转平面内，转动点绕旋转中心的转动的角即为旋转角。
4.在步骤3中，所述旋转角的计算方法具体为：获取转动点的起始位置与终止位置，与旋转中心组成两个空间向量，两个空间向量夹角的角度即为旋转角大小，计算公式为：
其中q1为转动点的起始位置，q2为转动点的终止位置，o为旋转中心，
表示向量
与
的夹角，并且
记录在0°与180°时转动点的坐标，根据正转与反转时坐标的变化规律，将测量的角度范围扩展到[-360°,360°]的范围内；通过记录物体转动的圈数，将测量范围扩展到无限大。
5.一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法的测量装置，包括处理与显示设备1、相机2、固定平面装置3、安装在固定平面装置3上的Aruco码4、旋转物体5、安装在旋转物体5上的Aruco码6；处理与显示设备1负责处理图像与计算角度；相机2的安装要确保固定平面上的Aruco码4与旋转物体上的Aruco码5都在视野范围之内；安装在旋转设备5上的Aruco码6安装在非旋转中心处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法及装置，通过对Aruco码的识别，将旋转角度的变化过程映射到三维坐标系中，在不影响旋转设备结构的情况下即可布置测量装置进行非接触式测量；对所需装置的安装方式没有特殊要求，具有成本低、布置灵活、适用性强的特点，同时，依赖于相机的高帧频图像采集与高性能的处理设备，可实现高精度、高灵敏度的旋转角度实时测量，并且旋转角度的测量范围不受限制，可灵活设置。
附图说明
图1是本发明方法具体安装装置示意图；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明方法中利用Aruco码确定坐标系的示意图；
图4是本发明中像素坐标系下各点位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为本发明施实例的安装装置示意图，该装置包括：处理与显示设备1、相机2、固定平面装置3、安装在固定平面装置3上的Aruco码4、旋转设备5、安装在旋转设备5上的Aruco码6；处理与显示设备1负责处理图像与计算角度；相机2的安装位置是确保安装在固定平面上的Aruco码4与安装在旋转设备上的Aruco码5都在视野范围之内；固定平面装置3与选装设备5的旋转平面可以共面也可以不共面；安装在旋转设备5上的Aruco码6安装在非旋转中心处。
如图2所示为基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法的流程图，主要分为三个部分：分别为建立坐标系、确定旋转角、计算旋转角度。其中坐标系是利用Aruco码构建的，分别建立世界坐标系与旋转物体坐标系；旋转角在旋转平面内确定；旋转角度通过求解三维向量的夹角获得。下面依据这三大部分对本发明的整个实现过程进行详细说明：
步骤1：建立坐标系:利用Aruco码建立世界坐标系与旋转物体坐标系，然后通过相机对Aruco码的识别，获取旋转物体上的一个转动点在世界坐标系下的坐标，具体实现步骤如下：
步骤1.1：将两个不同ID的Aruco码分别置于固定平面与旋转物体上，确保两者都在相机视野范围内；
步骤1.2：以Aruco码的一个角点为原点，相邻的两条边为坐标轴，建立右手坐标系，如图3所示，其中边长S为Aruco码实际的边长；以固定平面上Aruco码所确定的坐标系为世界坐标系，旋转物体上Aruco码所确定坐标系为旋转物体坐标系，以旋转物体坐标系原点为转动点，获取该转动点在世界坐标系下的坐标。获取转动点坐标的具体步骤如下：
步骤1.2.1：利用棋盘格标定出相机的内参数矩阵M；
步骤1.2.2：获取Aruco码所确定的坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵与平移向量，具体方法为：获取Aruco码四个角点的像素坐标，然后获取四个角点在其坐标系下的三维坐标，通过PnP迭代算法估计相机的位姿，获取旋转矩阵与平移向量；设世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵与平移向量为R1、T1，旋转物体坐标系为R2、T2。
步骤1.2.3：设旋转物体坐标系原点在世界坐标系下的坐标为(X1,Y1,Z1)，在像素坐标系下的坐标为(u1,v1)，根据世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系与像素坐标系之间的转换关系，有以下坐标转换关系：
其中，Z2＝T2[0 0 1]T，为转旋转物体坐标系原点到相机坐标系原点的距离；为获取(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，对式(1)做如下变形：
其中，
则有
进而得到了(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，在获取转动点像素坐标(u1,v1)之后，便可获得其在世界坐标系下的坐标。
步骤2：确定旋转角
在世界坐标系下确定旋转物体的旋转平面与旋转中心，在旋转平面内转动点绕旋转中心转动的角即为旋转角；具体的实现步骤如下：
步骤2.1：转动旋转物体，实时采集并保存转动点在世界坐标系下的坐标值，得到一个三维点云；
步骤2.2：利用最小二乘法拟合三维点云的分布平面，得到物体的旋转平面，具体为：设平面方程为z＝a0x+a1y+a2，并且设所述空间点集中的空间点的个数为n(n>＝3)，则优化的目标函数为，
需要使S值最小，即要满足
k＝1,2,3，得
三个未知数，三组方程，求解方程则可求得a0，a1，a2，进而得到平面方程。
步骤2.3：将三维点云投影到某一坐标平面内，得到呈椭圆分布的二维点云，通过最小二乘法获取二维点云的拟合椭圆方程，并由此获取椭圆的中心坐标，具体为：将空间点投影到xoay坐标平面内，得到一个二维的点集，设椭圆的方程为x2+Axy+By2+Cx+Dy+E＝0，二维点的个数为N(N>＝5)，有目标函数
需要使S值最小，即要满足
得
五个未知数，五组方程，求解方程则可求得A、B、C、D、E，则椭圆的圆心q的坐标为
步骤2.4：将椭圆中心投影到旋转平面内，得到的三维空间点即为物体的旋转中心。
步骤2.5：在旋转平面内，转动点绕旋转中心的转动的角即为旋转角。
步骤3：计算旋转角度
在旋转平面内，转动点的起始位置与终止位置分别与旋转中心组成两个空间向量，计算两个空间向量的夹角，得到旋转角度的大小。具体为：获取转动点的起始位置与终止位置，与旋转中心组成两个空间向量，两个空间向量夹角的角度即为旋转角大小，计算公式为：
其中q1为转动点的起始位置，q2为转动点的终止位置，o为旋转中心，
表示向量
与
的夹角，并且
因为向量的夹角在[0°,180°]范围内，需要对角度的测量范围进行扩展。如图4所示，绕旋转中心o的顺时针方向为正方向，向量
与
的夹角为180°时，记录下q2此时的像素坐标为(uf,vf)，若当前获取的q2的像素坐标为(ub,vb)为，则做如下变换：
若要测量旋转物体的旋转角度大于360°，则记录下转过初始位置的次数，进而求得旋转物体总的旋转角度。当旋转物体进行反转时，采用相同的方法进行扩展，将角度变为负数。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：建立坐标系
利用Aruco码建立世界坐标系与旋转物体坐标系，然后通过相机对Aruco码的识别，获取旋转物体上的一个转动点在世界坐标系下的坐标；
步骤1.1：将两个不同ID的Aruco码分别置于固定平面与旋转物体上，确保两者都在相机视野范围内；
步骤1.2：以Aruco码的一个角点为原点，相邻的两条边为坐标轴，建立右手坐标系，以固定平面上Aruco码所确定的坐标系为世界坐标系，旋转物体上Aruco码所确定坐标系为旋转物体坐标系，以旋转物体坐标系原点为转动点，获取该转动点在世界坐标系下的坐标；
获取转动点在世界坐标系下的坐标，具体包括以下步骤：
步骤1.2.1：利用棋盘格标定出相机的内参数矩阵M；
步骤1.2.2：获取旋转物体坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵与平移向量，具体方法为：获取Aruco码四个角点的像素坐标，然后获取四个角点在旋转物体坐标系的三维坐标，通过PnP迭代算法估计相机的位姿，获取旋转矩阵与平移向量；设世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵与平移向量为R1、T1，旋转物体坐标系为R2、T2；
步骤1.2.3：设旋转物体坐标系原点在世界坐标系下的坐标为(X1,Y1,Z1)，在像素坐标系下的坐标为(u1,v1)，根据世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系与像素坐标系之间的转换关系，有以下坐标转换关系：
其中，Z2＝T2[0 0 1]T，为转旋转物体坐标系原点到相机坐标系原点的距离；为获取(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，对上式做如下变形：
其中，
则有
进而得到了(u1,v1)到(X1,Y1,Z1)的变换关系，在获取转动点像素坐标(u1,v1)之后，得到其在世界坐标系下的坐标；
步骤2：确定旋转角
在世界坐标系下确定旋转物体的旋转平面与旋转中心，在旋转平面内转动点绕旋转中心转动的角即为旋转角；
步骤3：计算旋转角度
在旋转平面内，转动点的起始位置与终止位置分别与旋转中心组成两个空间向量，计算两个空间向量的夹角，得到旋转角度的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法，其特征在于：在步骤2中，所述旋转角的确定方法具体包括以下步骤：
步骤2.1：转动旋转物体，实时采集并保存转动点在世界坐标系下的坐标值，得到一个三维点云；
步骤2.2：利用最小二乘法拟合三维点云的分布平面，得到物体的旋转平面；
步骤2.3：世界坐标系有三个平面分别为x-o-y平面、x-o-z平面及y-o-z平面，将三维点云投影到上述任意一坐标平面内，得到呈椭圆分布的二维点云，通过最小二乘法获取二维点云的拟合椭圆方程，并由此获取椭圆的中心坐标；
步骤2.4：将椭圆中心投影到旋转平面内，得到的三维空间点即为物体的旋转中心；
步骤2.5：在旋转平面内，转动点绕旋转中心转动的角即为旋转角。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法，其特征在于：在步骤3中，所述旋转角度的计算方法具体为：获取转动点的起始位置与终止位置，与旋转中心组成两个空间向量，两个空间向量夹角的角度即为旋转角大小，计算公式为：
其中：q1为转动点的起始位置，q2为转动点的终止位置，o为旋转中心，
表示向量
与
的夹角，并且
记录在0°与180°时转动点的坐标，根据正转与反转时坐标的变化规律，将测量的角度范围扩展到[-360°,360°]的范围内。
4.一种依据权利要求1-2任意一项所述的基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法的测量装置，其特征在于：包括处理与显示设备(1)、相机(2)、固定平面装置(3)、安装在固定平面装置(3)上的Aruco码(4)、旋转物体(5)、安装在旋转物体(5)上的Aruco码(6)；处理与显示设备(1)负责处理图像与计算角度；相机(2)的安装要确保固定平面上的Aruco码(4)与旋转物体(5)上的Aruco码（ 6） 都在视野范围之内；安装在旋转物体(5)上的Aruco码(6)安装在非旋转中心处。
5.一种依据权利要求3所述的基于Aruco码的平面旋转角度视觉测量方法的测量装置，其特征在于：包括处理与显示设备(1)、相机(2)、固定平面装置(3)、安装在固定平面装置(3)上的Aruco码(4)、旋转物体(5)、安装在旋转物体(5)上的Aruco码(6)；处理与显示设备(1)负责处理图像与计算角度；相机(2)的安装要确保固定平面上的Aruco码(4)与旋转物体(5)上的Aruco码（ 6） 都在视野范围之内；安装在旋转物体(5)上的Aruco码(6)安装在非旋转中心处。
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