基于编码结构光的高速运动目标位姿测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种大视场内非合作高速运动目标空 间位置和姿态的测量方法。
【背景技术】
[0002] 物体位姿信息在航空航天、机器人导航以及汽车工业领域都有着十分重要的地 位，为了保证在各种工况下的目标位姿实时可控，使得对物体位姿进行测量是十分必要的， 这也对物体位姿测量技术提出了很多新的要求。特别针对大视场高速运动目标位姿测量 时，为保证真实还原工况，不对目标物做任何处理的情况下，快速准确地测量目标物位姿信 息是现阶段所要解决的主要问题。
[0003]目前利用结构光投影技术测量高速运动物体位姿的研究较少，多数利用视觉测量 配合结构光完成静态尺寸测量，而不能对运动目标进行位姿测量。高学海等2012年在宇航 学报发表的《非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法》中提出了一种利用单目摄像机 结合投射在大目标上的激光矩形特征进行对接位姿测量和控制的方法，但该方法只针对大 目标且物体运动变化不大时的情况，仍不能解决大视场、小目标高速位姿测量。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种基于编码结构光的高 速运动目标位姿测量方法，该方法采用单目高速摄像机与彩色投影仪组成的高速测量系统 进行大视场高速运动目标位姿测量，解决了传统测量方法无法在非合作目标表面安装特征 标记点而影响测量的可达性难题；利用单目结构光投影三维测量技术结合彩色编码栅线， 通过基于先验模型的匹配运算，实现了在不对高速运动目标物做任何处理的条件下，位姿 信息的高精度动态测量；与双目位姿测量系统相比结构简易，降低了设备投入，扩大了测量 视场；解决了在大测量视场、非合作目标高速运动工况下，准确、快速测量目标运动位姿信 息的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是一种基于编码结构光的高速运动目标位姿测量方法， 采用单目摄像机，其特征是，测量方法采用彩色投影仪向测量区域投射含有编码信息的彩 色栅线，使用单目高速摄像机连续拍摄经运动物体表面调制而变形的结构光编码栅线图 案；经过数字图像解码后实现成像平面与投影平面的对应点匹配，获取相位变化信息，由系 统结构参数反算出高速运动物体的三维动态形貌；通过将测量点与基于待测物几何参数建 立的先验模型进行匹配，最终准确地测量出高速运动物体的位置、姿态信息；测量方法的具 体步骤如下：
[0006] 1、彩色栅线编码设计
[0007] 采用一种彩色条纹伪随机序列与灰度栅线相位相结合的彩色栅线空域编码图案。 由于灰度栅线图案的相位信息周期规律难以在单幅图像中恢复，而彩色条纹伪随机序列空 域编码在对条纹位置编码时充分利用了条纹自身及其周边的色彩信息，可实现单幅图像动 态测量。将两种方法相结合，利用色彩编码解决单幅图案周期定位问题，同时保留灰度栅线 相位编码的高分辨率优点，在单幅图像中构成像素级别唯一编码。
[0008] 2、彩色栅线图像解码
[0009] 彩色栅线图像解码即求解每一像素点对应的有效完全相位Φ (X，y):包括获取相 展开，获取周期序列号η和相主值妒(Λ% .V'j，折叠在0~231中两部分，如公式（1)所示。
[0011] 采用由粗到细的分步彩色栅线图像解码技术，在粗识别阶段根据周期边界及色彩 信息划分周期区域进行相展开，在细分阶段根据局部区域亮度余弦变化规律进行空域解相 (解算相主值）。具体解码过程如下：
[0012] 1)由RGB表示模式转化为HIS表示模式
[0013] 根据各颜色通道亮度大小及差值比例关系将RGB表示模式转换为HIS表示模式， 将色彩信息与亮度信息分离。
[0014] R、G、B分别表示RGB模式下某颜色在三个通道的色调值，色调值H对应彩色栅线 图案中的六种颜色，分六种情况计算。用于获取颜色信息从而确定周期序列号，色调的计算 如公式（2)所示：
[0016] 将求得的色调定义为六种色彩，当H值处于0~0. 5或者5. 5~6区间时为红色， 处于0. 5~1. 5区间时为黄色，处于1. 5~2. 5区间时为绿色，处于2. 5~3. 5区间时为青 色，处于3. 5~4. 5区间时为蓝色，处于4. 5~5. 5区间时为品红色，6个颜色区间分别对应 周期序列号0-5。
[0017] 亮度值I余弦变换规律用于相主值的求解。其计算公式为：
[0019] 2)对彩色栅线图像进行相展开
[0020] 在彩色栅线编码的伪随机序列中，只要提取出高亮度中心边界和其左右相邻两个 周期高亮度中心边界色彩信息，即可确定中心边界对应的周期顺序号，实现周期解码。即解 算出完全相位中的η值。
[0021] 3)对彩色栅线图像进行相主值解算
[0022] 接下来通过等步长相移法对彩色栅线图像进行局域空域解相，即对相主值 炉(夂，>'）进行求解。假设连续5个像素对应相同的物体表面反射率r，环境光分量a，条纹调 制幅度b和基本畸变相位梦，.每两个像素间的相位步长均为2 ε。则有：
[0027] 反正切值在0~π /2之间。待入测量亮度值进行求解展开至0~2 π之间，取两 者平均值解出最终根据公式（1)实现完全解相。
[0028] 3、高速运动物体三维动态形貌解算
[0029] 经过彩色栅线图像的解码后，即可获取即时的相位变化信息，通过预先标定好的 测量系统参数，反算出高速运动物体测量表面高度信息，进而得到三维动态形貌，测量原理 见图2,计算公式如下：
[0031] 投影光线照射到参考面A点，成像平面上对应的像素点其相位为ΦΑ(χ，y)，放上被 测物体后，像素点对应的是投影至物体表面D点的光线，该光线投影至参考平面的B点，相 位为ΦΒ(χ，y)。d为投影出瞳P和摄影入瞳C的距离，L为摄影入瞳C与参考面的距离，pi 为参考面上投影光栅的周期长度。距离AB包含了高度信息h (X，y)，而该距离可由两点间的 相位差计算。
[0032] 通过对彩色光栅图像解码，解算出测量表面的高度信息，最终获得高速运动物体 的三维动态形貌。
[0033] 4、基于先验模型的三维测量点匹配与位姿求解，
[0034] 采用一种基于先验模型的测量点匹配技术，以实现高速运动物体位置、姿态参数 的精确求解；分为预估阶段和匹配求解两个阶段：
[0035] 1)预估阶段
[0036] ①在预校准前，首先通过定义两个指标V和Ku，对起始测量数据点集的可靠度进行 预估。
[0037] V= Anax (Cov (P)) (8)
[0038] 其中
[0039] P = {pj (9)
[0040] 表示将要进行预校准的测量点数据集。
[0041] Cov(P) = Ε[(ρ_μ) (ρ_μ)τ] (10)
[0042] μ = E[p] (11)
[0043] Ku定义为
[0045] Np表示集合P中点的数量。V表示P的特征矩阵的主要特征值，反应点的分布情 况。如果有很多点沿着一个特定的方向分布，V将会取大值，并且相应的特征向量表示出点 分布的主要方向。Ku是表示点集分布集中化程度的一个指标，当Ku= 0时表明符合正态分 布，这样的点分布是可靠的。结合这两个指数，定义具有相对较大的V值和相对较小的心值 的测量点分布是可靠的。