一种基于圆形标志点的单目位姿测量方法与流程

本发明属于位姿测量领域，具体涉及一种基于圆形标志点的单目位姿测量方法。

背景技术：

视觉测量是非接触的光学测量方法，双目视觉系统使用两台相机完成对目标物体的三维姿态测量，但此方法成本较高、测量距离短、视场范围较小，一旦任意一个相机的测量视场被遮挡，位姿数据就无法解算，造成测量数据的丢失，而单目视觉系统仅使用一台相机即可完成对目标物体的姿态测量，可作为冗余设计，极大提高系统的可靠性，此外，单相机测量可解决双相机视场范围较小、标定时间长、试验成本高等缺点，且技术实现较为简单，特别是在某些工程测量领域对相机的体积、重量有严格要求，单目视觉凸显优势，可应用于摄像机标定、目标跟踪、运动物体姿控试验等。

单目视觉需要通过单幅二维图像解算被测物体的空间三维信息，但二维图像不包括深度信息，因此需要附加约束条件，主要有目标特定几何形状约束和多标志点空间位置约束，工程中应用较多的为标志点空间约束。基于标志点的目标位姿估计问题，成为透视n点定位问题，即pnp问题，其目的是求解物体坐标系与摄像机坐标系间的变换矩阵，包括三个旋转参数和三个平移参数。标志点n的个数及求解方法决定了单目解算解的唯一性，且至少需要三个特征点。在视觉动态测量中，多幅图像对应标志点的特征匹配是姿态解算的核心部分，而普通的标志点为圆形反光标识，无法建立各帧图像间同一特征点的对应关系。在不同帧的图像中，识别和检测不同的标志点，及排除图像噪声对标志点特征提取的影响是单目解算过程中的关键部分。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为解决现有单目视觉测量图像间的精确匹配，采用一种新的基于圆形标识点的图像匹配方法，为图像间标识点的对应寻找一个鲁棒和自动的解，可实现对被测目标的的运动估计和动态跟踪，获取动态条件下空间目标的三维六自由度姿态数据。

本发明的技术方案如下：一种基于圆形标志点的单目位姿测量方法，包括以下步骤：

s1：将5个标志点贴在待测立体物体表面上，且保证5个标志点不共面；设5个标志点分别为pi，i＝1-5。

s2：在待测立体物体运动的过程中，使用摄像机对待测立体物体进行拍摄，得到待测立体物体不同时刻的采集图像；

s3：对s2中所得的采集图像进行图像处理，并根据s2中所得的采集图像的圆度阈值，得到每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓；

s4：根据s3所得每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓，从而对5个不同标志点进行特征识别，并得到每个标志点的质心像素坐标值；

s5：根据s4中所得的每个标志点的质心像素坐标值，得到待测立体物体的三维六自由度位姿信息。

所述s1中，其中p1标志点包括一个大圆标志点，其四周没有小圆标志点。

所述s1中，p2标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布2个小圆标志点。

所述s1中，p3标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布3个小圆标志点。

所述s1中，p4标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布4个小圆标志点。

所述s1中，p5标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布5个小圆标志点。

所述s3中，对s3中所得的采集图像进行图像处理包括图形滤波除噪、阈值分割、边界提取。

所述s4中，根据s3所得每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓，并结合每个编码标志点中大圆标志点周围的小圆标志点的数量，从而对5个不同标志点进行特征识别，并得到每个标志点的质心像素坐标值。

所述s5中，通过正交迭代算法得到待测立体物体的三维六自由度位姿信息。

所述s2中，使用摄像机以固定的采集频率对待测立体物体进行拍摄。

本发明的显著效果在于：单目视觉测量技术是通过单相机拍摄物体，获取被测物体的二维图像，采用不共面五个特征点，完成对被测物体的三维姿态的精确测量，整个测量系统简单、成本低、标定时间较短、测量视场较大，可以满足大视场远距离的目标物体姿态测量需求。

本系统采用一种平面圆形标志点，完成对高速测量中图像之间的标志点匹配，基于标志点的特征形状等参数，完成对标志点的特征识别，利用图像处理算法可除去图像中的噪声影响，实现标志点的精确中心定位，提取精度达到亚像素级别，可以用于空间物体的动态高精度三维姿态测量。

本方法所设计的圆形标志点实现简单，适用性较广，不要求标志点的均匀对称分布，且标志点结构形式制作较为简单易行，减少算法的复杂性，可快速提取标志点的质心坐标，通过迭代运算获取目标物体三维六自由度数据。

附图说明

图1为本发明所述的基于圆形标志点的单目位姿测量方法标志点示意图；

图2为本发明所述的基于圆形标志点的单目位姿测量方法标志点实例示意图；

具体实施方式

一种基于圆形标志点的单目位姿测量方法，包括以下步骤：

s1：将5个标志点贴在待测立体物体表面上，且保证5个标志点不共面；设5个标志点分别为pi(i＝1-5)，其中p1标志点包括一个大圆标志点，其四周没有小圆标志点；p2标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布2个小圆标志点；p3标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布3个小圆标志点，p4标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布4个小圆标志点，p5标志点包括一个大圆标志点，其四周均匀分布5个小圆标志点；

s2：在待测立体物体运动的过程中，使用摄像机以固定的采集频率对待测立体物体进行拍摄，得到待测立体物体不同时刻的采集图像；

s3：对s2中所得的采集图像进行图像处理，其中包括图形滤波除噪、阈值分割、边界提取，并根据s2中所得的采集图像的圆度阈值，从而得到每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓；

s4：根据s3所得每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓，并结合每个编码标志点中大圆标志点周围的小圆标志点的数量，从而对5个不同标志点进行特征识别，并得到每个标志点的质心像素坐标值；

s5：根据s4中所得的每个标志点的质心像素坐标值，通过正交迭代算法得到待测立体物体的三维六自由度位姿信息。

本方法所设计的圆形标志点实现简单，适用性较广，不要求标志点的均匀对称分布，且标志点结构形式制作较为简单易行，减少算法的复杂性，可快速提取标志点的质心坐标，通过迭代运算获取目标物体三维六自由度数据。

本系统采用一种平面圆形标志点，完成对高速测量中图像之间的标志点匹配，基于标志点的特征形状等参数，完成对标志点的特征识别，利用图像处理算法可除去图像中的噪声影响，实现标志点的精确中心定位，提取精度达到亚像素级别，可以用于空间物体的动态高精度三维姿态测量。

技术特征：

技术总结
一种基于圆形标志点的单目位姿测量方法，包括以下步骤：S1：将5个标志点贴在待测立体物体表面上，且保证5个标志点不共面；设5个标志点分别为Pi，i＝1‑5。S2：在待测立体物体运动的过程中，使用摄像机对待测立体物体进行拍摄，得到待测立体物体不同时刻的采集图像；S3：对S2中所得的采集图像进行图像处理，并根据S2中所得的采集图像的圆度阈值，得到每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓；S4：根据S3所得每个编码标志点的大圆与小圆标志点的特征轮廓，从而对5个不同标志点进行特征识别，并得到每个标志点的质心像素坐标值；S5：根据S4中所得的每个标志点的质心像素坐标值，得到待测立体物体的三维六自由度位姿信息。

技术研发人员：袁媛;刘柯;孙增玉;高越;刘华
受保护的技术使用者：北京航天计量测试技术研究所;中国运载火箭技术研究院
技术研发日：2018.11.22
技术公布日：2019.03.15