一种锥形目标双目视频位姿测量方法及靶标图案的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，以及锥形目标的靶标图案。使得锥形目标位于两摄像机的公共视场中，从两摄像机的图像中确定靶标图案的公共子扇区，并提取特征点的图像坐标，再利用三角测量原理求出特征点在摄像机坐标系下的三维坐标，解算出锥形目标的位姿。锥形目标的表面设置靶标图案以圆锥形顶点为中心，将圆锥表面等分成灰黑色间隔的六个子扇区，圆锥顶端区域设置为白色。子扇区内设置编码区域，编码区域的颜色与其所在子扇区的颜色有较大对比度。使靶标图案在两摄像机的公共视场中有3个以上公共特征点。本发明的靶标图案的主特征点分布位置达到最优，使靶标成像对锥形目标位姿变化的响应最强。
【专利说明】一种锥形目标双目视频位姿测量方法及靶标图案
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双目视频位姿测量方法，尤其是一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，以及在该方法中应用的锥形目标的靶标图案。
【背景技术】
[0002]炮弹引信及弹丸通常设计成锥形或类锥形，这类目标的位姿测量是目前的难点问题。基于视频的位姿测量技术不接触被测目标、测量精度较高，适合用于锥形目标的位姿测量。实现锥形目标的视频测量，需要目标上有足够特征点，如果目标表面没有足够特征点而又不能安装发光体靶标，就需要在锥形目标表面设计某种靶标图案，利用靶标上的图案所形成的特征点为位姿测量提供特征信息。靶标图案的设计对位姿测量的精度有重要影响。参见张庆君、胡修林、叶斌等的《基于双目视觉的航天器间相对位置和姿态的测量方法》，宇航学报，2008年，29卷(I) =156-161页；孙先逵、秦岚，《一种新型非接触位姿检测系统研究》，光电工程，2007年34(1):50-54页。
[0003]现有技术中，常见的靶标为棋盘格靶标，该靶标由黑白相间的方格排列而成，方格的顶点为靶标的特征点。例如中国专利文献CN100449459C的“一种单摄像机虚拟鼠标系统的校准方法”:在靶标平面上布置黑白相间的棋盘格，黑方块与白方块公有的顶点称为格点。选取祀面上格点为特征点。其他常见的编码祀标可参见:ARToolKit marker system(http://www.hitl.washington.edu/ar toolkit/)、ARTag marker system (2010 年 7 月IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,第 1317至Ij第 1324页中的“Designing Highly Reliable Fiducial Markers”),这两种祀标均由方块构成，方块的顶点为靶标的特征点，方块内部为靶标的识别编码。这些靶标易于检测和识别，应用很广泛。
[0004]但是，棋盘格靶标没有设计编码，不能实现特征点的自动识别，而且，上述这些靶标都是在平面上设计和使用的平面靶标，很少有专门针对锥形目标设计的靶标。平面靶标，例如棋盘格靶标，在锥形目标上使用时会产生变形，导致特征点定位不准确；另外，平面靶标也不能充分利用锥形目标的顶点等特殊形状特征。若将平面靶标应用在锥形目标上，得到位姿测量结果不准确。因此要实现锥形目标位姿视频测量，需要针对锥形目标特殊的形状结构来设计靶标。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中存在的上述缺陷，解决平面靶标无法适应锥形目标曲面结构的问题以及提高锥形目标的位姿测量精度，本发明的目的是:在锥形目标的表面设计一种靶标图案，并提供一种锥形目标双目视频位姿测量方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
[0007]—种锥形目标的双目视频位姿测量方法，以及应用于双目视频位姿测量的锥形目标的靶标图案，该测量方法包括以下步骤:[0008]两个摄像机设置在一个基座上，朝向要进行位姿测量的锥形目标，并使得锥形目标位于两摄像机的公共视场中。两摄像机光轴平行使两摄像机的公共视场最大。
[0009]将摄像机采集到的图像数据通过图像采集卡发送给计算机，解算锥形目标的位姿参数。
[0010]所述锥形目标的表面设置靶标图案，使靶标图案在两摄像机的公共视场中有3个以上公共特征点。
[0011]锥形目标上的靶标图案设置为，以锥形目标的圆锥形顶点为中心，将圆锥表面等分成六个子扇区，将所述六个子扇区间隔设置为两种对比度较大的颜色。将锥形目标的顶端区域设置为与所述六个子扇区颜色有较大对比度的第三种颜色。
[0012]在所述六个子扇区内分别设置一定数量的编码区域，所述编码区域的颜色与其所在子扇区的颜色有较大对比度。
[0013]所述编码区域基本为四边形，编码区域的侧边平行于锥形目标母线；编码区域的上下边平行于锥形目标横截面的截面圆；所述编码区域的侧边与其所在子扇区的侧边相隔离；所述编码区域下边与锥形目标的底面圆相隔离。
[0014]同一子扇区内的各个编码区域相隔离。
[0015]相邻子扇区内的编码区域数量或者编码区域的面积比设置为不同。
[0016]根据所述的锥形目标的靶标图案中子扇区颜色、子扇区内编码区域的数量及同一子扇区内不同编码区域的面积比，为所述的每个子扇区构造唯一的识别编码。
[0017]将所述锥形目标的顶点、所述六个子扇区的侧边与锥形目标底面圆的交点作为测量的主特征点。
[0018]将所述的六个子扇区内的各个四边形编码区域的顶点作为测量的辅助特征点。
[0019]解算所述锥形目标位姿时，首先从两摄像机的图像中确定所述锥形目标的靶标图案的公共子扇区，提取所述公共子扇区中特征点的图像坐标，再利用三角测量原理求出所述的特征点在摄像机坐标系下的三维坐标，解算出锥形目标的位姿。
[0020]所述的两摄像机的基线为0.15米?0.35米；摄像机的分辨率像素为768 X 576以上，视场角为25°?45°，等效焦距为43.456mm?8L 193mm。
[0021]本发明的方法还可包括，根据摄像机与锥形目标之间的相对距离，将测量分为10米以内的近距离测量和10米以上的远距离测量两种模式:在近距离测量模式中，提取主特征点和辅助特征点来进行位姿解算；在远距离测量模式中，仅利用主特征点来进行位姿解算；两种模式位姿解算公式相同。
[0022]由于靶标图案设计在锥形目标的圆锥面上，所以安放摄像机时应保证摄像机能够拍摄到锥形目标的侧面。如果锥形目标的位姿变化幅度较大(如翻转)则需要两套以上的双目视频位姿测量系统，以保证摄像机始终能够拍摄到锥形目标的侧面。
[0023]由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是:通过采用本发明的靶标图案，将锥形目标的表面分成六个子扇区，在本发明的双目视频位姿测量方法中，当锥形目标顶端朝向摄像机时，至少会有一个完整的子扇区出现在两摄像机的公共视场内。由于每个子扇区都含有3个主特征点及4个以上辅助特征点，保证了靶标上始终有足够数量O 3个)的特征点，靶标图案的主特征点分布位置为最优，使靶标成像对锥形目标位姿变化的响应最强，靶标选取顶点为特征点并依据锥面弧形结构设计靶标，充分适应了锥形目标的形状特征。在设计子扇区编码时，考虑了子扇区扇形颜色和包含区域数量等因素，使得子扇区更容易识别。
[0024]通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细的描述后，本发明的其他特征、特点和优点将会更加的明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的一种锥形目标的双目视频位姿测量系统的构成示意图。
[0026]图2是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的子扇区划分图(顶视图)。
[0027]图3是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的子扇区在图像平面上投影成扇形(60° )示意图。
[0028]图4是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的每个扇形(60° )内设计3个点(0、Α、Β)示意图。
[0029]图5是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的每个扇形(60° )内设计4个点(O、A、B、H)示意图。
[0030]图6是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的靶标图案。
[0031]图7是本发明的一种双目视频位姿测量方法的锥形目标上的靶标图案的特征点分布图。
[0032]图8是本发明的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法中，当锥形目标的中轴线与摄像机图像平面平行时，两摄像机中锥形目标的靶标图案成像示意图。
[0033]图9是本发明的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法中坐标系的定义方式示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和一个典型的【具体实施方式】对本发明的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，以及锥形目标的靶标图案做详细说明。
[0035]根据本发明的对锥形目标进行测量的系统中，包括两个摄像机，设置有本发明特定的靶标图案的锥形目标，图像采集卡，计算机等构成。其中由摄像机采集到的图像数据通过图像采集卡发送给计算机，再经位姿测量程序解算出锥形目标的位姿参数。
[0036]一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，包括以下主要的步骤:两个摄像机设置在一个基座上，朝向锥形目标。两摄像机光轴平行使两摄像机的公共视场最大，使锥形目标位于两摄像机的公共视场中。在锥形目标上设计一种靶标图案，专门用于该目标的位姿测量。将摄像机采集到的图像数据通过图像采集卡发送给计算机，提取该锥形目标上的靶标图案的特征点，得到所述特征点的图像坐标，再求得其在摄像机坐标系下的三维坐标，解算出锥形目标的位姿参数。
[0037]锥形目标上的靶标图案设置为，以锥形目标的圆锥形顶点为中心，将圆锥表面等分成六个子扇区，子扇区间隔设置为两种对比度较大的颜色；将锥形目标的顶端区域设置为第三种颜色；在所述六个子扇区内分别设置一定数量的编码区域；为每个子扇区构造唯一的识别编码进行特征点的识别。[0038]参见图1，是本发明的锥形目标的双目视频位姿测量系统的示意图。本发明的双目视频位姿测量方法主要包括两个摄像机1，2和一个具有特定的靶标图案的锥形目标3，两个摄像机1，2设置在一个基座上，两摄像机光轴平行使两摄像机的公共视场最大。两摄像机朝向锥形目标3，使得锥形目标3位于两摄像机1，2的公共视场中。
[0039]所述的两摄像机的基线为0.2米，两摄像机的光轴平行且水平高度相同；摄像机的分辨率像素为768X576，视场角为30°，等效焦距为67.177mm。
[0040]由于靶标图案设计在锥形目标3的侧面，所以安放摄像机时应保证摄像机能够拍摄到锥形目标3的侧面。如果锥形目标3的位姿变化幅度较大(如翻转)则需要两套以上的双目视频位姿测量系统，以保证摄像机始终能够拍摄到锥形目标3的侧面。
[0041]以下对锥形目标上靶标图案的特征点的位置设计进行详细描述。
[0042]参见图2，是本发明的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法的锥形目标上的子扇区划分图(顶视图)。
[0043]解算锥形目标位姿参数需要目标在两摄像机的成像中有3个以上公共特征点。这里的“公共特征点”意思是指不同图像中的特征点，对应实际空间中相同的点。参见图2，将锥形目标侧面划分6个子扇区，以确保在锥形目标运动时，两摄像机视场中始终有一个以上完整的子扇区；以子扇区为靶标设计的基本单元，在每个子扇区内设计3个以上特征点。
[0044]由于特征点的位置分布对系统的位姿测量有重要影响，需要进行特征点位置设计。特征点在图像平面上的投影点间距越大，姿态角的分辨能力就越强，根据这个原理设计特征点在锥面上的分布位置。由于特征点在图像平面上的投影点间距与目标相对于摄像机姿态有关，为了方便分析，选择锥形目标中轴线垂直于摄像机图像平面时的姿态设计靶标。在该姿态下进行靶标设计，使特征点的投影点间距最大。
[0045]参见图3，当锥形目标中轴线垂直于摄像机图像平面时，锥形目标在图像平面上投影成圆形，子扇区投影成顶角为60°的扇形。
[0046]在子扇区内设计3个以上特征点并使其图像平面投影点的间距最大。先考虑设计3个特征点，问题转化为:在顶角为60°的扇形内设计3个点使它们之间的最小间距最大(最小间距对靶标图案的姿态角分辨能力具有决定性影响)。
[0047]参见图4，表示了本发明的锥形目标上的每个扇形(60° )内设计3个点(O、A、B)
示意图。
[0048]这三个特征点应位于O、A、B处，最小间距为锥形目标的底面圆半径R，证明:
[0049]图4中Λ OAB为等边三角形，边长为R。EF和⑶为扇形内的任意线段，作辅助线AG，使AG//EF，连接AB、0C。根据大角对大边的性质有
[0050]Z AGB>60° > Z ABG, Z 0DC>60° > Z DOC (I)
[0051]AB I=R>I AG|>|EF|, 0C|=R>|CD (2)
[0052]由式(2)可知线段端点若不在O、A、B三点处，任意两点的间距始终小于R。因此应将3个特征点设计在O、A、B三处。证毕。
[0053]添加第4个特征点使其到O、A、B三点的最小间距最大。
[0054]参见图5，是本发明的锥形目标上每个扇形(60° )内设计4个点(0、Α、Β、Η)示意图。
[0055]其中，第4个特征点H应位于Λ OAB的中心，证明:[0056]图5中对于Λ OAB内的任意点I，假设线段Al、B1、OI中Al最短，有
[0057]AKI = IAHI cos Z HAK, | AJ | = | Al | cos Z IAJ (3)
[0058]Z HAK> Z IAJ, |AK|>|AJ (4)
[0059]所以|么!1|>41|，所以第4个特征点!1应位于厶(^8的中心。证毕。
【权利要求】
1.一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，包括以下步骤: 两个摄像机设置在一个基座上，朝向要进行位姿测量的锥形目标，并使得锥形目标位于两摄像机的公共视场中；两摄像机光轴平行使两摄像机的公共视场最大； 所述的两摄像机的基线为0.15米~0.35米；摄像机的分辨率像素为768X576以上，视场角为25°~45° ,等效焦距为43.456mm~81.193mm ; 将摄像机采集到的图像数据通过图像采集卡发送给计算机，解算锥形目标的位姿参数； 所述锥形目标的表面设置靶标图案，使靶标图案在两摄像机的公共视场中有3个以上公共特征点； 锥形目标上的靶标图案设置为，以锥形目标的圆锥形顶点为中心，将圆锥表面等分成六个子扇区，将所述六个子扇区间隔设置为两种对比度较大的颜色；将锥形目标的顶端区域设置为与所述六个子扇区颜色有较大对比度的第三种颜色； 在所述六个子扇区 内分别设置一定数量的编码区域，所述编码区域的颜色与其所在子扇区的颜色有较大对比度； 所述编码区域基本为四边形，编码区域的侧边平行于锥形目标母线；编码区域的上、下边沿锥形目标横截面的截面圆；所述编码区域的侧边与其所在子扇区的侧边相隔离；所述编码区域下边与锥形目标的底面圆相隔离； 同一子扇区内的各个编码区域相隔离； 相邻子扇区内的编码区域数量或者编码区域的面积比设置为不同； 根据所述的锥形目标的靶标图案中子扇区颜色、子扇区内编码区域的数量及同一子扇区内不同编码区域的面积比，给所述的每个子扇区构造唯一的识别编码； 将所述锥形目标的顶点、所述六个子扇区的侧边与锥形目标底面圆的交点作为测量的主特征点； 将所述的六个子扇区内的各个四边形编码区域的顶点作为测量的辅助特征点； 解算所述锥形目标位姿时，首先从两摄像机的图像中确定所述锥形目标的靶标图案的公共子扇区，提取所述公共子扇区中特征点的图像坐标，再利用三角测量原理求出所述的特征点在摄像机坐标系下的三维坐标，解算出锥形目标的位姿。
2.根据权利要求1所述的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，其特征在于，根据摄像机与锥形目标之间的相对距离，将测量分为10米以内的近距离测量和10米以上的远距离测量两种模式:在近距离测量模式中，提取主特征点和辅助特征点来进行位姿解算；在远距离测量模式中，仅利用主特征点来进行位姿解算；两种模式位姿解算公式相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，其特征在于，为每个子扇区构造一个唯一的三位二进制识别编码，编码第一位用于表示子扇区的两种不同的颜色，编码第二位用于表示子扇区内编码区域的数量，编码第三位用于表示编码区域的面积比；识别特征点时先利用识别编码识别子扇区，然后再根据特征点在子扇区内具体位置识别特征点。
4.根据权利要求3所述的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，其特征在于，提取所述锥形目标的靶标图案特征点的图像坐标的步骤如下: (I)获取锥形目标成像区域:摄像机在测量过程中保持不动，先分别用两摄像机拍摄一幅不含锥形目标的背景图像，再用包含目标的测量图像减去背景图像可获得差值图像，差值图像中灰度值不为零的区域即为锥形目标的成像区域； (2)获取子扇区区域:利用阈值分割法将锥形目标成像区域中完整的子扇区分割出来，选择两个灰度阈值Tl、T2对锥形目标成像区域进行分割，其中Tl较小，用于分割黑色子扇区，T2较大，用于分割白色子扇区，对分割后的图像进行八连通区域分析，将包含像素数量最多的连通区域作为子扇区区域； (3)拟合顶点坐标:利用先膨胀再减去膨胀前图像的形态学方法提取该连通区域的轮廓，利用Hough变换法从轮廓中提取子扇区侧边上的直线，两直线求交点即可得到顶点坐标； (4)拟合底面交点坐标:去掉轮廓中子扇区侧边对应的点，用剩余的点拟合椭圆曲线，分别求直线与该曲线的交点，即可获得底面交点坐标； 以上步骤(3) (4)可获得主特征点的坐标； (5)求辅助特征点坐标:分析子扇区内部的连通区域，可得到编码区域；分离编码区域的侧边并拟合直线，分离编码区域的上下弧线边缘并拟合曲线，求直线和曲线的交点即可获得辅助特征点的坐标； 通过以上步骤得到所有特征点在两摄像机图像中的坐标。 (6)子扇区识别:根据子扇区的灰度值、及其包含编码区域的数量及编码区域面积比得到该子扇区的编码，根据编码识别子扇区，再根据特征点在子扇区内的位置识别特征点。
5.根据权利要求1或4所述的一种锥形目标的双目视频位姿测量方法，其特征在于，所述的两摄像机的基线为0.2米，两摄像机的光轴平行且水平高度相同；摄像机的分辨率像素为768X576，视场角为30°，等效`焦距为67.177mm。
6.一种双目视频位姿测量方法中使用的锥形目标的靶标图案，其特征在于: 所述锥形目标的表面设置靶标图案，使靶标图案在两摄像机的公共视场中有3个以上公共特征点； 锥形目标上的靶标图案设置为，以锥形目标的圆锥形顶点为中心，将圆锥表面等分成六个子扇区，将所述六个子扇区间隔设置为两种对比度较大的颜色；将锥形目标的顶端区域设置为与所述六个子扇区颜色有较大对比度的第三种颜色； 在所述六个子扇区内分别设置一定数量的编码区域，所述编码区域的颜色与其所在子扇区的颜色有较大对比度； 所述编码区域基本为四边形，编码区域的侧边平行于锥形目标母线；编码区域的上下边沿锥形目标横截面的截面圆；所述编码区域的侧边与其所在子扇区的侧边相隔离；所述编码区域下边与锥形目标的底面圆相隔离； 同一子扇区内的各个编码区域相隔离； 相邻子扇区内的编码区域数量或者编码区域的面积比设置为不同。
7.根据权利要求6所述的一种双目视频位姿测量方法使用的锥形目标的靶标图案，其特征在于，所述锥形目标的靶标图案中，六个子扇区间隔设置为对比度较大的黑色和灰色，锥形目标的顶端区域设置为白色；在黑色子扇区中，编码区域设置为灰色；在灰色子扇区中，编码区域设置为黑色。
【文档编号】G01C11/36GK103512558SQ201310464816
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】谌德荣, 李蒙, 王长元, 宫久路, 周广铭, 蒋玉萍, 高翔霄, 杨晓乐 申请人:北京理工大学, 北京宇航系统工程研究所