CN117252922A - 一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法及系统，包括：对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀T₀]进行单目位姿迭代，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，建立畸变量空间动态模型；对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果；本发明能够改善视觉测量中畸变系数带来的误差问题，提升视觉测量精度。

Description

一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法及系统

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及针对畸变量估算的目标位姿定位方法及系统。

背景技术

目前，大部分的视觉测量中对于相机镜头的畸变系数考虑较少，一般都是基于多项式标定以及除法模型标定，这两种标定方式属于多参数标定和单参数标定，然而畸变是由复杂的棱镜系统、相机几何和图像传感器表面的累计作用，且不同焦距、区域、高度处的畸变系数均不一样，导致视觉测量的误差较大。

发明内容

本发明提供了一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法及系统，能够改善视觉测量中畸变系数带来的误差问题，提升视觉测量精度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，包括：

对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；

使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；

将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果。

优选的，通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代方法包括：

公式中，p_i为第i个标志点在世界坐标系下的坐标，n表示为标志点的数量，t^(k)(R)为第k次迭代中标定板B_k位姿的平移向量，R^(k+1)为第k+1次迭代中标定板B_k位姿的旋转矩阵；V_i表示为投影矩阵；I表示为三阶单位矩阵，R表示为定向旋转矩阵，T表述为定向平移向量。

优选的，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

通过畸变系数κ₀对标定板B_k的图像进行去畸变获得标定板B_t的实际位姿高度，计算标定板B_k的实际位姿高度与投影高度h_ty的差值Q；

当差值Q小于设定高度差阈值时，计算标定板B_k的标定点在图像上像素坐标(x_k,y_k)；基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k；

当差值Q大于设定高度差阈值时，对畸变系数κ₀同时递增和递减后，重复迭代直至计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k。

优选的，对畸变系数κ₀同时递增和递减的方法包括：

κ₀＝κ₀±10m

公式中，m表述为畸变系数κ₀递增和递减的次数。

优选的，基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

公式中，k表示为对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代的次数。

优选的，对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ的方法包括：

公式中，f(x,y)为像素点坐标(x,y)的插值结果，即为像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；(x_i,y_i)表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的第i个样本点坐标；f_i为第i个样本点的畸变系数值，w_i(x_i,y_i)为第i个样本点关于插值点(x,y)的权重，取值范围为[0，1]；L_i为像素点坐标(x,y)与第i个样本点的边长；D表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的样本点数量。

本发明第二方面提供了一种针对畸变量估算的目标位姿定位系统，包括：

标定模块，用于对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

模型构建模块，用于通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

位姿检测模块，用于对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果。

本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其特征在于其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述目标位姿定位方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明建立畸变量空间动态模型后，对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果；本发明可解决相机标定过程中不同区域畸变系数不一致的情况，标定过程简单、易操作，最大限度降低了视觉测量中由于畸变系数不一致带来的误差，该标定方法相比传统多项式畸变系数模型和除法模型畸变系数满足实际工程中的使用需求。

附图说明

图1是实施例1提供的目标位姿定位方法的流程图；

图2是实施例1提供的畸变量空间动态模型的示意图；

图3是实施例1提供的插值模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提供了一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，包括：

对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；本实施例中标定板B₀设置为20张；

使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代，标定板B₀位姿迭代后即为标定板B_k，迭代公式为：

公式中，p_i为第i个标志点在世界坐标系下的坐标，n表示为标志点的数量，t^(k)(R)为第k次迭代中标定板B_k位姿的平移向量，R^(k+1)为第k+1次迭代中标定板B_k位姿的旋转矩阵；V_i表示为投影矩阵；I表示为三阶单位矩阵，R表示为定向旋转矩阵，T表述为定向平移向量；R和T可以通过最小化物方残差和函数计算获得。

基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

通过畸变系数κ₀对标定板B_k的图像进行去畸变获得标定板B_t的实际位姿高度，计算标定板B_k的实际位姿高度与投影高度h_ty的差值Q；

当差值Q小于设定高度差阈值时，计算标定板B_k的标定点在图像上像素坐标(x_k,y_k)；基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

公式中，k表示为对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代的次数；

当差值Q大于设定高度差阈值时，对畸变系数κ₀同时递增和递减的表达公式为：κ₀＝κ₀±10m，公式中，m表述为畸变系数κ₀递增和递减的次数；重复此过程直至计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k。

如图2所示，通过标定板遍历相机视野后，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

通过单目相机采集目标物体图像，通过模板匹配的方式计算出目标物体世界坐标系原点在图像中对应的像素点坐标(x,y)；

如图3所示，对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ的方法包括：

公式中，f(x,y)为像素点坐标(x,y)的插值结果，即为像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；(x_i,y_i)表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的第i个样本点坐标；f_i为像素点坐标(x,y)相邻的第i个样本点的畸变系数值，w_i(x_i,y_i)为像素点坐标(x,y)相邻的第i个样本点关于插值点(x,y)的权重，取值范围为[0，1]；L_i为像素点坐标(x,y)与第i个相邻的样本点的边长；D表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的样本点数量。

将畸变系数值κ代入位姿检测算法对目标物体图像进行去畸变，计算所述目标物体对应的位姿结果实现高精度定位；本实施例可解决相机标定过程中不同区域畸变系数不一致的情况，标定过程简单、易操作，最大限度降低了视觉测量中由于畸变系数不一致带来的误差，该标定方法相比传统多项式畸变系数模型和除法模型畸变系数满足实际工程中的使用需求。

实施例2

本实施例提供了一种针对畸变量估算的目标位姿定位系统，本实施例中的目标位姿定位可以应用于实施例1所述的目标位姿定位方法，目标位姿定位系统包括：

标定模块，用于对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

模型构建模块，用于通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

位姿检测模块，用于对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果。

所述模型构建模块用于基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

通过畸变系数κ₀对标定板B_k的图像进行去畸变获得标定板B_k的实际位姿高度，计算标定板B_k的实际位姿高度与投影高度h_ty的差值Q；

当差值Q小于设定高度差阈值时，计算标定板B_k的标定点在图像上像素坐标(x_k,y_k)；基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k；

当差值Q大于设定高度差阈值时，对畸变系数κ₀同时递增和递减后，重复迭代直至计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k。

实施例3

本实施例提供了计算机可读存储介质，其特征在于其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1所述目标位姿定位方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，包括：

对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；

使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；

将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果。

2.根据权利要求1所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k方法包括：

公式中，p_i为第i个标志点在世界坐标系下的坐标，n表示为标志点的数量，t^(k)(R)为第k次迭代中标定板B_k位姿的平移向量，R^(k+1)为第k+1次迭代中标定板B_k位姿的旋转矩阵；V_i表示为投影矩阵；I表示为三阶单位矩阵，R表示为定向旋转矩阵，T表述为定向平移向量。

3.根据权利要求1所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

通过畸变系数κ₀对标定板B_k的图像进行去畸变获得标定板B_k的实际位姿高度，计算标定板B_k的实际位姿高度与投影高度h_ty的差值Q；

当差值Q小于设定高度差阈值时，计算标定板B_k的标定点在图像上像素坐标(x_k,y_k)；基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k；

当差值Q大于设定高度差阈值时，对畸变系数κ₀同时递增和递减后，重复迭代直至计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k。

4.根据权利要求3所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，对畸变系数κ₀同时递增和递减的方法包括：

κ₀＝κ₀±10m

公式中，m表述为畸变系数κ₀递增和递减的次数。

5.根据权利要求3所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，基于像素坐标(x₀,y₀)和像素坐标(x_k,y_k)计算出标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k的方法包括：

公式中，k表示为对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代的次数。

6.根据权利要求1所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法，其特征在于，对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ的方法包括：

公式中，f(x,y)为像素点坐标(x,y)的插值结果，即为像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；(x_i,y_i)表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的第i个样本点坐标；f_i为第i个样本点的畸变系数值，w_i(x_i,y_i)为第i个样本点关于插值点(x,y)的权重，取值范围为[0，1]；L_i为像素点坐标(x,y)与第i个样本点的边长；D表示为畸变量空间动态模型中邻近像素点坐标(x,y)的样本点数量。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种针对畸变量估算的目标位姿定位方法的应用系统，其特征在于，包括：

标定模块，用于对设定的标定板B₀进行单目标定获得畸变系数κ₀；将各标定板B₀获取的图像进行投影变换至设定的投影高度h_ty；使用畸变系数κ₀进行识别计算对应的标定板B₀的位姿[R₀ T₀]及其标志点的像素坐标(x₀,y₀)；R₀表示为标定板B₀位姿的旋转矩阵；T₀表示为标定板B₀位姿的平移向量；

模型构建模块，用于通过平移向量和旋转矩阵对各标定板B₀的位姿[R₀ T₀]进行单目位姿迭代获得标定板B_k，基于像素坐标(x₀,y₀)计算标定板B_k对应的实际畸变系数κ_k，以标定板B_k中标志点的二维像素坐标(x_k,y_k)为自变量，畸变系数κ_k作为因变量，建立畸变量空间动态模型；

位姿检测模块，用于对目标物体的像素点坐标(x,y)代入畸变量空间动态模型进行插值，计算出像素点坐标(x,y)对应的畸变系数值κ；将畸变系数值κ代入位姿检测算法计算所述目标物体对应的位姿结果。

8.计算机可读存储介质，其特征在于其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述目标位姿定位方法的步骤。