一种双目摄像头水平相对位姿识别方法与流程

本发明涉及一种双目摄像头水平相对位姿识别方法，属于计算机视觉技术领域。

背景技术：

人类的视觉不仅可以识别物体颜色形状等表象特征，还可以通过对比两只眼睛所获得图像的差别进行分析来获得图像的深度、转角姿态等一系列信息。双目视觉是机器视觉的一个重要的形式，也是未来主流的机器视觉的发展方向。双目视觉通过使用仿人类的视觉方式，根据摄像头针孔成像模型的原理，通过左右两个摄像头来获得图像的信息，并通过计算不同视角的图像差，结合特征点的对应关系，来获得目标的深度、转角，姿态等信息，从而为机器视觉提供更多的数字信号。

目前针对多目标位姿测量，主要采用微波雷达、激光技术、位姿传感器和计算机视觉等技术。微波雷达技术主要应用于大范围测量中，测量精度低且价格昂贵；激光技术获取的点云信息校正后精度高，但是矫正和处理点云的过程很复杂，且三维激光设备价格昂贵；位姿传感器技术使用方便，但是仅适用于小型系统，并且由于无线通信的传输速度问题，所以存在测量延迟，测量实时性不好；计算机视觉的应用也很广泛，包括全景视觉、单目视觉、双目视觉等，其中，全景视觉信息量大、图像畸变较大，造成算法复杂，无用信息多的缺点；单目视觉结构简单，但是存在着信息量少，对空间信息获取不足的问题；双目视觉通过对双目摄像头的图像差进行分析识别位姿，具有价格低廉、信息全面等优点，但是也存在着图像处理相对复杂的问题。因此，提出一种方法简单可行、计算量小的双目视觉识别方法是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种双目摄像头水平相对位姿识别方法。该方法简单可行、充分利用了双目视觉的特点和优势，通过对图像差进行几何关系运算便可以得到水平姿态转角。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的问题，本发明采用的技术方案是：一种双目摄像头水平相对位姿识别方法，包括以下步骤：

步骤1、安装识别物与双目摄像头，在需要识别水平相对位姿的物体上固定一个识别物，识别物需要满足的条件是具有两个垂直地面的直线边缘，将双目摄像头水平放置，再把识别物放置在双目摄像头的摄像范围内，以保证可以采集到识别物的图像信息；

步骤2、采集识别物的双目图像，打开运行摄像头，通过双目摄像头采集出同一时刻对识别物的两个不同方位的图像；

步骤3、构建平面坐标系，过双目摄像头的左右摄像头光心所在的直线构建平行于地面的平面坐标系(x,y)，以左右摄像头光心连线所在的直线为x轴，左摄像头光心指向右摄像头光心为x轴正方向；以过左摄像头光心并垂直于x轴的水平方向为y轴，指向识别物一侧的方向为y轴正方向；这里，设o点为坐标系原点，亦为左摄像头光心，o1点为右摄像头光心，线段ab为识别物平面(垂直于地面的平面在俯视图中显示为线段)；a点和b点分别为识别物左边缘和右边缘(垂直于地面的线段在俯视图中显示为点)；

步骤4、获取识别物在双目摄像头图像中的夹角信息，获取双目摄像头图像中识别物在水平方向上的夹角，包括左摄像头图像中识别物左边缘与右边缘之间的水平夹角∠aob设为θ1、左摄像头图像中识别物右边缘与x轴的正方向水平夹角∠boo1设为θ2，右摄像头图像中识别物左边缘与右边缘之间的水平夹角∠ao1b设为θ3，右摄像头图像中识别物左边缘与x轴负方向的水平夹角∠ao1o设为θ4；

步骤5、计算识别物边缘与摄像头光心的距离，以左摄像头光心o、右摄像头光心o1与识别物左边缘a在水平方向上所围成的三角形δoo1a，根据三角形正弦定理得到，

式中，l1表示右摄像头光心o1与识别物左边缘a的水平距离，即线段ao1的长度，d表示双目摄像头中左右摄像头光心的距离，即线段oo1的长度，由公式(1)解得右摄像头光心o1与识别物左边缘a的水平距离l1为，

同理，以左摄像头光心o、右摄像头光心o1与识别物右边缘b在水平方向上所围成的三角形δoo1b，根据三角形正弦定理得到，

式中，l2表示右摄像头光心o1与识别物右边缘b的水平距离，即线段bo1的长度，由公式(3)解得右摄像头光心o1与识别物右边缘b的水平距离l2为，

步骤6、计算识别物相对双目摄像头的水平偏角信息，以右摄像头光心o1、识别物左边缘a与识别物右边缘b在水平方向上所围成三角形δao1b，根据三角形余弦定理得到，

l²＝l1²+l2²-2l1·l2·cosθ3(5)

式中，l表示识别物左边缘a与右边缘b的水平距离，即线段ab的长度，由公式(5)解得识别物左边缘a与右边缘b的水平距离l为，

再根据三角形δao1b中正弦定理得到，

式中，θ5表示线段ab与线段bo1所形成的水平夹角∠abo1，由公式(7)解得，

再根据三角几何关系，求得识别物相对x轴的水平偏角θ为，

本发明有益效果是：一种双目摄像头水平相对位姿识别方法，包括以下步骤：(1)安装识别物与双目摄像头，(2)采集识别物的双目图像，(3)构建平面坐标系，(4)获取识别物在双目摄像头图像中的夹角信息，(5)计算识别物边缘与摄像头光心的距离，(6)计算识别物相对双目摄像头的水平偏角信息，与已有技术相比，本发明使用计算机视觉识别姿态，设备成本低，不必局限在固定的场景中，系统在机器人位置移动时仍然有效。另外，本发明方法可行简单，复杂程度低。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图。

图2是本发明位姿识别系统的三维效果图。

图中：(a)是本发明位姿识别系统的主视图。

(b)是本发明位姿识别系统的俯视图。

(c)是本发明位姿识别系统的三维视图。

图3是本发明俯视图中位姿识别原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种双目摄像头水平相对位姿识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、安装识别物与双目摄像头，在需要识别水平相对位姿的物体上固定一个识别物，识别物需要满足的条件是具有两个垂直地面的直线边缘，将双目摄像头水平放置，再把识别物放置在双目摄像头的摄像范围内，以保证可以采集到识别物的图像信息；

步骤2、采集识别物的双目图像，打开运行摄像头，通过双目摄像头采集出同一时刻对识别物的两个不同方位的图像；

步骤3、构建平面坐标系，过双目摄像头的左右摄像头光心所在的直线构建平行于地面的平面坐标系(x,y)，以左右摄像头光心连线所在的直线为x轴，左摄像头光心指向右摄像头光心为x轴正方向；以过左摄像头光心并垂直于x轴的水平方向为y轴，指向识别物一侧的方向为y轴正方向；这里，设o点为坐标系原点，亦为左摄像头光心，o1点为右摄像头光心，线段ab为识别物平面(垂直于地面的平面在俯视图中显示为线段)；a点和b点分别为识别物左边缘和右边缘(垂直于地面的线段在俯视图中显示为点)；

步骤4、获取识别物在双目摄像头图像中的夹角信息，获取双目摄像头图像中识别物在水平方向上的夹角，包括左摄像头图像中识别物左边缘与右边缘之间的水平夹角∠aob设为θ1、左摄像头图像中识别物右边缘与x轴的正方向水平夹角∠boo1设为θ2，右摄像头图像中识别物左边缘与右边缘之间的水平夹角∠ao1b设为θ3，右摄像头图像中识别物左边缘与x轴负方向的水平夹角∠ao1o设为θ4；

步骤5、计算识别物边缘与摄像头光心的距离，以左摄像头光心o、右摄像头光心o1与识别物左边缘a在水平方向上所围成的三角形δoo1a，根据三角形正弦定理得到，

式中，l1表示右摄像头光心o1与识别物左边缘a的水平距离，即线段ao1的长度，d表示双目摄像头中左右摄像头光心的距离，即线段oo1的长度，由公式(1)解得右摄像头光心o1与识别物左边缘a的水平距离l1为，

同理，以左摄像头光心o、右摄像头光心o1与识别物右边缘b在水平方向上所围成的三角形δoo1b，根据三角形正弦定理得到，

式中，l2表示右摄像头光心o1与识别物右边缘b的水平距离，即线段bo1的长度，由公式(3)解得右摄像头光心o1与识别物右边缘b的水平距离l2为，

步骤6、计算识别物相对双目摄像头的水平偏角信息，以右摄像头光心o1、识别物左边缘a与识别物右边缘b在水平方向上所围成三角形δao1b，根据三角形余弦定理得到，

l²＝l1²+l2²-2l1·l2·cosθ3(5)

式中，l表示识别物左边缘a与右边缘b的水平距离，即线段ab的长度，由公式(5)解得识别物左边缘a与右边缘b的水平距离l为，

再根据三角形δao1b中正弦定理得到，

式中，θ5表示线段ab与线段bo1所形成的水平夹角∠abo1，由公式(7)解得，

再根据三角几何关系，求得识别物相对x轴的水平偏角θ为，

本发明优点在于：一种双目摄像头水平相对位姿识别方法简单可行、充分利用了双目视觉的特点和优势，通过对图像差进行几何关系运算便可以得到水平姿态转角。