CN112762831B - 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法 - Google Patents

一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112762831B
CN112762831B CN202011603817.XA CN202011603817A CN112762831B CN 112762831 B CN112762831 B CN 112762831B CN 202011603817 A CN202011603817 A CN 202011603817A CN 112762831 B CN112762831 B CN 112762831B
Authority
CN
China
Prior art keywords
freedom
axis
posture
cameras
detected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011603817.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112762831A (zh
Inventor
夏灵林
曾路川
耿仁亮
刘梦华
乐雪萍
黄强辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang University
Original Assignee
Nanchang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang University filed Critical Nanchang University
Priority to CN202011603817.XA priority Critical patent/CN112762831B/zh
Publication of CN112762831A publication Critical patent/CN112762831A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112762831B publication Critical patent/CN112762831B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明涉及一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，方法的核心内容在于：首先由多个高速相机按设定的工作方式同步、匀速采集多自由度物体上标记物的运动图像；再通过本发明设计的多相机姿态重建算法完成多自由度运动物体的姿态参数计算。本发明具有非接触，高精度，高速采集的优点，可以测量并计算得到多自由度运动物体的空间位置参数、姿态参数、速度及加速度等量化参数，精确重建空间物体的运动姿态，实现与震颤、稳定性相关应用的物体位姿信息测量，在运动检测领域具有良好的应用前景。

Description

一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法。
背景技术
运动自由度是确定一个系统在空间中的准确位置所需要的最小坐标数。一个刚体在空间任意运动时，可分解为质心的平动和绕通过质心某直线的定轴转动，它既有平动自由度还有转动自由度。
目前，对于震颤、稳定性相关应用的多自由度运动物体姿态数据采集，常用的方法主要包括：(1)接触式测量，采用运动加速度计、角速度计等传感器的便携穿戴技术，被广泛应用于物体的稳定性检测。然而，采用运动加速度、角速度等传感器需要将装置直接或间接地“绑定”于待测物体的特定部位，由于传感器及附件具有一定的体积和重量，容易导致不适并可能影响结果的有效性，而且接触式检测一直面临检测过程中误差积累的挑战，加速度计表现为检测误差或低频干扰引起加速度信号漂移，陀螺仪存在零位误差和动态误差等。(2)非接触式测量，采用光学成像为主。雷达探测技术的运动物体姿态检测方法分辨率明显不足；光学单目成像技术可被用于测量物体运动的2D信息；双目立体成像本身因左右相机由于所处空间位置的不同，拍摄得到的图像在成像平面上会存在水平和深度视差导致两幅图像存在差异，为此立体匹配仍是影响精度的瓶颈问题，同时相机参数标定对重建精度影响大，都制约了双目立体重建技术在多自由度运动物体姿态测量与重建领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于满足现实需要，提供一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，通过采用多个高速相机采集多自由度运动物体实时姿态，通过多个标记点完成物体运动姿态的捕获，克服了传统单双目立体成像时相机参数标定的精度问题和图像匹配的问题，所得重建后的物体姿态精度可以达到微米级，采样速度可以达到毫秒级，远远满足与震颤、稳定性相关应用的物体姿态测量分析的精度要求。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，包括以下步骤：
S1.标记识别：在待测物体上多个部位进行标记并用高速相机识别各标记点；
S2.多相机架构：在待测物体的多个方位上架设已识别标记的高速相机；
S3.距离测量：以待测物体的中心点为坐标原点，测量坐标原点至待测物体各标记点的距离l；
S4.图像采集：由架设在待测物体各个方位的高速相机同步、匀速采集待测物体运动状态下的图像；
S5.数据处理：对采集的图像进行二值化处理，完成对图像中标记点坐标序列的计算，并在计算机中重建待测物体姿态。
进一步地，步骤S1中所述标记点为实心圆点，各标记点间无相对位置要求。
进一步地，步骤S3中所述坐标原点为待测物体放置好后运动前初始状态下的中心点。
进一步地，步骤S4中所述高速相机同步、匀速采集待测物体运动状态下的图像，图像采集过程中，各高速相机通过控制模块统一控制采样速度一致，采样的图像按照先后顺序由0开始进行编号。
进一步地，步骤S5所述标记点坐标序列的计算过程为：
S51.对各高速相机采集的图像按照顺序从0开始编号，将第0幅图像至最后一幅图像输入计算机中进行二值化处理；
S52.选取三台高速相机X、Y、Z和待测物体上的三个标记点x、y、z，设定各高速相机位置点与坐标原点所在直线分别为X轴、Y轴、Z轴，得到图像二值化后三个标记点相对于各轴的空间坐标分别为(Xx，Xy，Xz)，(Yx，Yy，Yz)，(Zx，Zy，Zz)，并按照图片的编号顺序得出坐标点对应的相对时刻t；
S53.将所选三个标记点的空间坐标(Xx，Xy，Xz)，(Yx，Yy，Yz)，(Zx，Zy，Zz)及其对应的相对时刻t存储至计算机中；
S54.通过预先编写在计算机中的公式(1)：
Figure BDA0002869967960000021
计算出标记点相对于各轴的偏移序列(Δx，Δy，Δz)；
S55.通过预先编写在计算机中的公式：
1)以坐标原点为中心，标记点绕X轴YOZ方向的旋转角θ
Figure BDA0002869967960000031
2)以坐标原点为中心，标记点绕Y轴XOZ方向旋转角α
Figure BDA0002869967960000032
3)以坐标原点为中心，标记点绕Z轴XOY方向旋转β角
Figure BDA0002869967960000033
计算出标记点相对于各轴的偏转角序列(α，β，θ)；
进一步地，步骤S5中所述在计算机中重建待测物体姿态的过程为：
通过所得到的待测物体标记点相对于各轴的偏移序列(Δx，Δy，Δz)和偏转角序列(α，β，θ)，可构建出待测物体在空间的六个自由度(Δx，Δy，Δz，α，β，θ)，从而确定待测物体在空间中的位置，进而在计算机中重建待测物体的姿态。
上述在计算中重建的待测物体姿态，结合待测物体运动的相对时刻t，可进一步重建出待测物体连续的运动姿态。
本发明的有益效果：
1)本发明一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，具有非接触，高精度，高速采集的优点；
2)本发明方法可以测量并计算得到多自由度运动物体的空间位置参数、姿态参数、速度及加速度等量化参数，进而实现多自由度运动物体姿态的精确重建；
3)本发明可以实现与震颤、稳定性相关应用的物体姿态测量，在运动检测领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法流程示意图；
图2为本发明方法一个具体实施例的结构示意图；
图3为本发明方法待测物体姿态特征标记点的示意图；
图中：1、X高速摄像机；2、Y高速摄像机；3、Z高速摄像机；4、镜头；5、旋转角度α；6、计算机；7、待测物体；8、y标记点；9、x标记点；10、z标记点；11、旋转角度β；12、旋转角度θ。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例：参见图1-3。
如图1所示，一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，过程如下:
步骤一：对待测物体7上相应部位进行标记并用高速相机识别标记，得到y标记点8、x标记点9和z标记点10三个标记点，三个标记点之间没有正交要求，各标记点为实心黑点，用于使得标记点最终成像后形成对比明显的图片；
步骤二：采用金属架搭建固定的框架，配合直角件构成一个立体环境，如图2结构示意图所示，将X高速摄像机1、Y高速摄像机2和Z高速摄像机3三个高速摄像头在特定的部位进行固定，构成各自正交的三维成像空间，三个正交摆放的高速摄像头与坐标原点所在直线形成空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴，各高速摄像头的镜头正对待测物体7；
步骤三：测量坐标原点(即待测物体放置好后的中心点)到待测物体各标记点的距离，分别记为：lx、ly、lz；
步骤四：将上述三个呈正交位置和方位固定的高速相机同步、匀速采集带标记物体7的带标记图像，各高速相机采用控制块统一控制，采样速度按照100张/秒执行，图像按照从0开始的先后顺序进行编号。
步骤五：将第0幅图像至最后一幅图像输入计算机中进行二值化处理，得到图像二值化后三个标记点相对于各轴的空间坐标分别为(Xx，Xy，Xz)，(Yx，Yy，Yz)，(Zx，Zy，Zz)，并按照图片的编号顺序得出坐标点对应的相对时刻t；将所选三个标记点的空间坐标(Xx，Xy，Xz)，(Yx，Yy，Yz)，(Zx，Zy，Zz)及其对应的相对时刻t存储至计算机中；
步骤六：通过预先编写在计算机中的公式(1)：
Figure BDA0002869967960000051
计算出标记点相对于各轴的偏移序列(Δx，Δy，Δz)；
步骤七：通过预先编写在计算机中的公式：
以坐标原点为中心，标记点绕X轴YOZ方向的旋转角θ
Figure BDA0002869967960000061
以坐标原点为中心，标记点绕Y轴XOZ方向旋转角α
Figure BDA0002869967960000062
以坐标原点为中心，标记点绕Z轴XOY方向旋转β角
Figure BDA0002869967960000063
计算出标记点相对于各轴的偏转角序列(α，β，θ)；
步骤八：通过所得到的待测物体标记点相对于各轴的偏移序列(Δx，Δy，Δz)和偏转角序列(α，β，θ)，构建出待测物体在空间的六个自由度(Δx，Δy，Δz，α，β，θ)，从而确定待测物体在空间中的位置，进而在计算机中重建待测物体的姿态。
上述重建的待测物体姿态，结合待测物体运动的相对时刻t，可进一步重建出待测物体连续的运动姿态，以求出多自由度运动物体在各时刻的速度及加速度等量化参数。
应当明确，所述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.标记识别：在待测物体上多个部位进行标记并用高速相机识别各标记点；
S2.多相机架构：在待测物体的多个方位上架设已识别标记的高速相机；
S3.距离测量：以待测物体的中心点为坐标原点，测量坐标原点至待测物体各标记点的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S4.图像采集：由架设在待测物体各个方位的高速相机同步、匀速采集待测物体运动状态下的图像；
S5.数据处理：对采集的图像进行二值化处理，完成对图像中标记点坐标序列的计算，并在计算机中重建待测物体姿态；
所述标记点坐标序列的计算过程为：
S51.对各高速相机采集的图像按照顺序从0开始编号，将第0幅图像至最后一幅图像输入计算机中进行二值化处理；
S52.选取三台高速相机X、Y、Z和待测物体上的三个标记点x、y、z，设定各高速相机位置点与坐标原点所在直线分别为X轴、Y轴、Z轴，得到图像二值化后三个标记点相对于各轴的空间坐标分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，并按照图片的编号顺序得出坐标点对应的相对时刻t；
S53.将所选三个标记点的空间坐标
Figure 777486DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 641537DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 924751DEST_PATH_IMAGE008
及其对应的相对时刻t存储至计算机中；
S54.通过预先编写在计算机中的公式（1）：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（1）
计算出标记点相对于各轴的偏移序列
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
S55.通过预先编写在计算机中的公式：
以坐标原点为中心，标记点绕X轴YOZ方向的旋转角θ
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（2）
以坐标原点为中心，标记点绕Y轴XOZ方向旋转角
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（3）
以坐标原点为中心，标记点绕Z轴XOY方向旋转β角
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（4）
计算出标记点相对于各轴的偏转角序列
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
2.根据权利要求1所述的一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，步骤S1中所述标记点为实心圆点，各标记点间无相对位置要求。
3.根据权利要求1所述的一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，步骤S3中所述坐标原点为待测物体放置好后运动前初始状态下的中心点。
4.根据权利要求1所述的一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，步骤S4中所述高速相机同步、匀速采集待测物体运动状态下的图像，图像采集过程中，各高速相机通过控制模块统一控制采样速度一致，采样的图像按照先后顺序由0开始进行编号。
5.根据权利要求1所述的一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，步骤S5中所述在计算机中重建待测物体姿态的过程为：
通过所得到的待测物体标记点相对于各轴的偏移序列
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和偏转角序列
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，可构建出待测物体在空间的六个自由度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，从而确定待测物体在空间中的位置，进而在计算机中重建待测物体的姿态。
6.根据权利要求1所述的一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法，其特征在于，所述在计算中重建的待测物体姿态，结合待测物体运动的相对时刻t，可进一步重建出待测物体连续的运动姿态。
CN202011603817.XA 2020-12-29 2020-12-29 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法 Active CN112762831B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011603817.XA CN112762831B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011603817.XA CN112762831B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112762831A CN112762831A (zh) 2021-05-07
CN112762831B true CN112762831B (zh) 2022-10-11

Family

ID=75697295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011603817.XA Active CN112762831B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112762831B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1732370A (zh) * 2002-12-27 2006-02-08 有泽博 多视点视频捕获系统
JP2013083505A (ja) * 2011-10-07 2013-05-09 National Institute Of Information & Communication Technology ３次元座標位置推定装置、その方法、そのプログラムおよび３次元座標推定システム、ならびに、カメラ較正情報生成装置
JP2017037053A (ja) * 2015-08-14 2017-02-16 藤垣　元治 多数カメラによる高速度計測方法および装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005106614A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Tdk Corp 立体カメラ用校正治具および当該カメラの校正方法
JP4529157B2 (ja) * 2004-06-15 2010-08-25 株式会社トプコン ３次元測量システム及び電子的記憶媒体
JP4611708B2 (ja) * 2004-10-18 2011-01-12 富士通株式会社 高精度マーク位置・姿勢検出装置
KR101638173B1 (ko) * 2011-09-06 2016-07-12 한국전자통신연구원 캘리브레이션을 위한 자동 피처 탐지용 기구물 및 그 탐지 방법
JP5748174B2 (ja) * 2011-09-15 2015-07-15 株式会社Ihi 移動体の相対姿勢計測方法と装置
CN103871073B (zh) * 2012-12-18 2017-08-25 华为技术有限公司 一种基于增强现实的目标跟踪方法、设备及系统
US9305365B2 (en) * 2013-01-24 2016-04-05 Kineticor, Inc. Systems, devices, and methods for tracking moving targets
TWI575645B (zh) * 2016-06-06 2017-03-21 盟立自動化股份有限公司 採用雙攝像鏡頭為對位平台上的物件進行對位的方法、顯示面板之基板對位上膠的方法和顯示面板之上下基板的對位方法
US10319141B2 (en) * 2016-06-21 2019-06-11 Apple Inc. Method and system for vision based 3D reconstruction and object tracking
CN107014338B (zh) * 2017-04-21 2019-02-19 华南农业大学 一种基于高速相机的构件姿态测量方法及其应用
CN107121125B (zh) * 2017-06-12 2019-05-14 哈尔滨工业大学 一种通讯基站天线位姿自动检测装置与方法
CN108638069B (zh) * 2018-05-18 2021-07-20 南昌大学 一种机械臂末端精确运动控制方法
CN108613626A (zh) * 2018-05-31 2018-10-02 武汉中观自动化科技有限公司 一种球体扫描仪及三维扫描系统
CN109883326A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 湖南省鹰眼在线电子科技有限公司 一种摄像测量式汽车三维四轮定位方法、系统及介质
CN110230983B (zh) * 2019-07-16 2021-01-08 北京欧比邻科技有限公司 抗振式光学三维定位方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1732370A (zh) * 2002-12-27 2006-02-08 有泽博 多视点视频捕获系统
JP2013083505A (ja) * 2011-10-07 2013-05-09 National Institute Of Information & Communication Technology ３次元座標位置推定装置、その方法、そのプログラムおよび３次元座標推定システム、ならびに、カメラ較正情報生成装置
JP2017037053A (ja) * 2015-08-14 2017-02-16 藤垣　元治 多数カメラによる高速度計測方法および装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN112762831A (zh) 2021-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113379822B (zh) 一种基于采集设备位姿信息获取目标物3d信息的方法
CN103759716B (zh) 基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法
JP4976756B2 (ja) 情報処理方法および装置
JP4708752B2 (ja) 情報処理方法および装置
CN108253939B (zh) 可变视轴单目立体视觉测量方法
CN111192235B (zh) 一种基于单目视觉模型和透视变换的图像测量方法
CN105222772A (zh) 一种基于多源信息融合的高精度运动轨迹检测系统
CN110044374B (zh) 一种基于图像特征的单目视觉测量里程的方法及里程计
CN108413917B (zh) 非接触式三维测量系统、非接触式三维测量方法及测量装置
JP6441346B2 (ja) 光学追跡
EP4155873A1 (en) Multi-sensor handle controller hybrid tracking method and device
CN110140023B (zh) 标记器和使用了标记器的姿势推定方法及位置姿势推定方法
CN110695982A (zh) 一种基于三维视觉的机械臂手眼标定方法和装置
CN102881040A (zh) 一种数码相机移动拍摄三维重建方法
CN112229323A (zh) 基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法及其应用
JP4445472B2 (ja) 小さい対象物の表面再構成のための較正ソフトウェア
Huttunen et al. A monocular camera gyroscope
CN112762831B (zh) 一种采用多相机实现多自由度运动物体姿态重建方法
He et al. A new camera calibration method from vanishing points in a vision system
JP5726024B2 (ja) 情報処理方法および装置
JPH04181106A (ja) 位置寸法計測装置のキャリブレーション装置
CN204314239U (zh) X射线ct装置
CN113483669B (zh) 一种基于立体靶标的多传感器位姿标定方法及装置
JP2016102755A (ja) 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム
Castanheiro et al. Modeling Hyperhemispherical Points and Calibrating a Dual-Fish-Eye System for Close-Range Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant