基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于伴随滚转运动回转体的空 间位置和姿态测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天、航空技术的逐步完善和提高，飞行器及其投放物执行任务过程中的位 姿信息测量在飞行器设计和试验阶段有着极其重要的作用。机器视觉测量技术具有非接 触、灵活性、测量精度高等优点，被广泛用于飞行器及其投放模型的位姿测量中。滚转物体 在实际运动过程中移动速度快、运动空间大的特点对运动物体的位姿测量提出了更高的要 求。
[0003] 大连理工大学刘巍等人2014年在航空学报发表的《基于彩色编码的副油箱风洞 模型位姿测量方法》中提出了基于彩色编码图像的副油箱位姿测量方法，利用彩色编码的 自发光标记点进行图像匹配，解决了低照度条件下目标标记亮度不足和由于物体滚转造成 的标记点消隐现象。但双目测量系统的测量视场只有两台摄像机视场相交的部分，物体运 动范围较大时很难保证其始终在测量视场内。北京宇航系统工程研宄所湛德荣等人发明专 利号了为CN103512559A《一种弹丸单目视频位姿测量方法及靶标图案》提出一种适用于弹 丸的单目视频位姿测量方法，采用视场较大的单目摄像机结合弹丸外圆周表面的分区域靶 标图案对弹丸的运动位姿进行测量。但该方法采用的靶标图案与弹丸表面仅通过颜色对比 进行区分，在光照不足的条件下会造成图像特征轮廓不清晰或标记特征无法提取的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是克服现有技术的问题，发明一种基于彩色图像的滚转 物单目位姿测量方法，单目视觉系统测量滚转物位姿的特征是仅使用一台高速摄像机采集 目标物图像，克服了传统双目视觉系统测量视场小，难以覆盖目标整个运动空间的问题；与 使用两台摄像机进行测量的双目系统相比，单目测量系统设备简单；此外，无需考虑两台摄 像机同时触发的问题；沿回转体圆周方向均匀分布的自发光标志点可以解决物体滚转时图 像特征被遮挡的问题，利用环绕式彩色编码的方式对标记点进行编码，无需特征匹配即可 实现运动目标的位姿测量，满足单目测量要求。同时，简化图像处理流程，提高测量效率，并 且保证测量结果有很好的精度。
[0005] 本发明所采用的技术方案是一种基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法，其特 征是，测量方法采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的 表面，利用单目视觉系统对滚转体目标进行X、Y、Z方向的位移和俯仰角、偏航角、滚转角六 参数位姿测量；以目标物表面彩色编码自发光标志点作为特征标记，采集运动目标表面彩 色编码特征图像，在高速摄像机标定的基础上，经彩色编码标记特征的识别和提取的图像 处理步骤后，求解出滚转体目标位置姿态信息；测量方法的具体步骤如下：
[0006] 1、彩色特征点的编码
[0007] 本发明采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体 的表面，标志点分为两组，每组含有一定数量的编码标志点，以周向均布方式分布在被测物 体的表面，标记点的数量根据具体测量视场的大小和被测回转体直径的大小决定，必须保 证在每一帧图像上至少有三个特征点，才能以此拟合出被测回转体的圆心；用标记点的颜 色信息作为其编码信息，每种颜色采用一定的代码进行标记；几个连续的编码标志点组成 一个编码片段，即代码数组；编码组中任意两编码片段因所含标志点颜色顺序不同而使各 编码片段都是唯一的；编码颜色和编码片段长度根据标记点的个数来确定，且编码片段长 度至少为3,才能保证一组中编码组各不相同；最后将代码代入编码组得到每个标记点的 编码；
[0008] 2、进行尚速摄像机的标定
[0009] 本发明采用张正友基于平面标定板的标定方法对高速摄像机进行标定，其具体标 定过程如下：
[0010] 首先将精密加工的二维棋盘格标定板放置在物体运动的平面附近，并将标定板摆 放多个位置，同时触发高速摄像机拍摄标定板的多幅图像，通过标定板上每个特征点和其 像平面的像点间的对应关系来标定摄像机，得到摄像机的内外参数，然后利用各靶标角点 坐标与实际坐标的偏差构建目标函数f( x)并利用优化算法对内外参数进行整体优化；目 标函数公式如下：
[0011] f(x) = (Xw-Xd)2+(Yw-Yd) 2+(Zw-Zd)2 (1)
[0012] 其中：XW，Yw，Zw表示各特征角点在世界坐标系中的坐标，而X d，Yd，Zd为采用摄像机 标定参数重建得到的对应特征角点的坐标，则可建立目标函数F(X)如下：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法，其特征是，测量方法采用环绕式分 组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的表面，利用单目视觉系统对滚 转体目标进行X、Y、Z方向的位移和俯仰角、偏航角、滚转角六参数位姿测量；以目标物表面 彩色编码自发光标志点作为特征标记，采集运动目标表面彩色编码特征图像，在高速摄像 机标定的基础上，经彩色编码标记特征的识别和提取的图像处理步骤后，求解出滚转体目 标位置姿态信息；测量方法的具体步骤如下： 1) 彩色特征点的编码 本发明采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的表 面，标志点分为两组，每组含有一定数量的编码标志点，以周向均布方式分布在被测物体的 表面，标记点的数量根据具体测量视场的大小和被测回转体直径的大小决定，必须保证在 每一帧图像上至少有三个特征点，并以此拟合出被测回转体的圆心；用标记点的颜色信息 作为其编码信息，每种颜色采用一定的代码进行标记；几个连续的编码标志点组成一个编 码片段，即代码数组；编码组中任意两编码片段因所含标志点颜色顺序不同而使各编码片 段都是唯一的；编码颜色和编码片段长度根据标记点的个数来确定，且编码片段长度至少 为3,以保证一组中编码组各不相同；最后将代码代入编码组得到每个标记点的编码； 2) 进彳丁尚速摄像机的标定 本发明采用张正友基于平面标定板的标定方法对高速摄像机进行标定，其具体标定过 程如下： 首先，将精密加工的二维棋盘格标定板放置在物体运动的平面附近，并将标定板摆放 多个位置，同时触发高速摄像机拍摄标定板的多幅图像，通过标定板上每个特征点和其像 平面的像点间的对应关系来标定摄像机，得到摄像机的内外参数；然后，利用各靶标角点坐 标与实际坐标的偏差构建目标函数f(x)并利用优化算法对内外参数进行整体优化；目标 函数公式如下： f(x) = (Xw-Xd)2+(Yw-Yd) 2+(Zw-Zd)2 (1) 其中：XW，Yw，Zw表示各特征角点在世界坐标系中的坐标，而X d，Yd，Zd为采用摄像机标定 参数重建得到的对应特征角点的坐标，则可建立目标函数F(X)如下：
(2) 其中，N为特征点的个数：
为所有特征角点偏差函数的平方和，应用LM方法对 该目标函数F(X)进行优化，进而得摄像机内外参数的全局最优解； 3) 彩色图像特征的识别和提取 (1)彩色编码特征的识别 本发明采用基于RGB的图像分割方法对彩色标记点的颜色信息进行识别，将图像特征 分解为红、绿、蓝三个互相独立的颜色通道分别用R、G、B表示；每个通道的灰度范围都是 O~255,根据欧几里德距离公式判断图像上像素点的颜色是否与某一颜色之间的相似度 是否小于所设阈值T，进而判断出该像素点特征所属的颜色，欧几里德距离公式表示为： D (z，m) = I I z-m I I = [ (z-m)T (z-m) ]1/2 = [ (z K-mK)2+ (zG-mG)2+ (zB-mB)2]1/2 (3) 其中，m为某一颜色的RGB向量，z表示该像素点的RGB向量，下标R、G、B表示向量m 和z的RGB分量； 在解码时，采用曲线拟合的方法找出图像特征标记所组成的环形曲线，然后将标记点 按该曲线串联排序，按顺序写出图像中标记点的片段代码数组并与标记点编码数组列表进 行对比，找到与之完全相同的数组，确定图像中标记点与编码组中标记点的对应关系，从而 得知所采集片段在整个编码组中的位置； (2)标记点的提取 本发明采用梯度重心法提取被测类圆柱体表面的编码标记点，首先，使用高斯一阶微 分算子对被测类圆柱体运动图像进行卷积处理，获得二维图像上各点的灰度梯度，图像特 征标记所在区域的梯度重心点坐标用下式表示：
(4) 其中：c为应用梯度重心法所提取的标记中心像素的坐标值，（i，j)点的梯度幅值用 |G(i，j) I表示，w，h分别为二维图像的宽和高，（i，j)点的图像坐标表示为P(i，j); 4)目标物位姿求取 选取滚转物体表面的三个特征点A，B，C，通过求解方程组：
C5) 解出hA，hB，hc的值；其中h A，hB，比分别为A，B，C与摄像机光心O之间的距离，A，B，C 两两组成的三条直线之间的夹角为α，β，γ，并且三个特征点之间的距离表示为：IabI = c，I AC I = b，IBCI = a ; 设"，8、（^分别是八，8，（：在摄像机平面上的对应点，求出1^1^比后，利用^， B'，C'坐标，根据摄像机的成像关系，解算出特征点在摄像机坐标系下的坐标，再通过摄 像机的标定参数将该坐标转换到物体在世界坐标系下的坐标，即求出被测目标的初始位姿 参数；最后，通过图像上其余特征标记对目标的初始位姿参数进行优化，得出运动目标的准 确位姿信息。
【专利摘要】本发明基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法属于计算机视觉领域，涉及一种在风洞环境下使用单目视觉原理结合自发光编码标志点进行滚转体模型位姿测量。该测量方法采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的表面，利用单目视觉系统对滚转体目标进行X、Y、Z方向的位移和俯仰角、偏航角、滚转角六参数位姿测量。以目标物表面彩色编码自发光标志点作为特征标记，采集运动目标表面彩色编码特征图像，在高速摄像机标定的基础上，经彩色编码标记特征的识别和提取的图像处理步骤后，求解出滚转体目标位置姿态信息。本发明采用单目摄像机配合彩色图像进行测量，测量效率高，设备简单的特点，适用范围广。
【IPC分类】G01C11-00
【公开号】CN104764440
【申请号】CN201510113207
【发明人】刘巍, 陈玲, 贾振元, 李肖, 马鑫, 尚志亮
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月12日