一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视觉位姿测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种单目视觉位姿测量方法，尤其设及一种基于四面体边长和体积加 权约束的单目视觉位姿测量方法。
【背景技术】
[0002] 目标位姿测量在工业控制、航天操作等领域具有广泛的应用。其中基于视觉的目 标位姿（位置、姿态）测量具有非接触、设备成本低、监视直观等优点。尤其在航天领域中， 利用视觉对飞行器位姿进行那个位姿精确测量是多项空间任务的首要条件。
[0003] 视觉位姿测量可分为合作目标测量和非合作目标测量，合作目标测量由于具有精 度高、测量技术成熟、可靠等优势，在空间领域广泛采用。目前已采用过的合作标志器形态 多种多样，有利用特征点、特征线、特征圆等多种几何特征的，通过对合作标志器的特征识 别提取，从而利用提取的特征点坐标重投影约束、特征直线斜率约束、特征圆的半径约束等 解算出目标位姿。
[0004] 根据秦丽娟等人的《基于矩形的=维物体位姿估计研究》（参见《计算机工程与 科学》，2009年31卷（4)49-51页），利用了矩形对边平行等条件构造了位姿解析解算方 法，但未设及利用四面体边长和体积等几何特征。根据王晓剑等人的《基于双平行线特征 的位姿估计解析算法》（参见《仪器仪表学报》，2008年29卷（3) 600-604页），利用了平行 四边形的面积等特征构造位姿解析解算方法，但同样未设及四面体边长和体积特征。专利 CN201010563504. 6中提出了一种基于特征线的运动目标位姿光学测量方法，方法中利用了 两条相交直线上4个特征点不重合且不共线条件，解算目标位置姿态，未设及利用四个点 构成四面体的边长和体积特征。综上所述，上述方法均未设及利用四面体边长和体积特征 加权关系构造位姿迭代解算方法。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视 觉位姿测量方法。该方法利用4个不共面特征点构造了四面体，并利用四面体目标在位姿 变化过程中其边长和体积保持不变的几何特征建立了加权误差约束关系，建立了对刚体形 状约束，同时建立目标位姿进行约束，构造了迭代解算位姿方法。通过对四面体边长和体积 的误差约束迭代解算目标位姿方法，有效利用了四面体目标刚体结构不变性特征，从而提 高了位姿解算结果准确性。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视觉位 姿测量方法，该方法包括如下步骤：
[0007] (1)对目标成像，并获取目标图像。首先设置目标由4个不共面特征点构成四面 体，已知4个目标特征点在目标坐标系中3维坐标集{Wi，胖2,胖3,WJ，获取四面体边长参数L， 体积参数V，
【主权项】
1. 一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视觉位姿测量方法，其特征在于该方法 包括如下步骤： 步骤（1)、对目标成像，并获取目标图像；首先设置目标由4个不共面特征点构成四面 体，已知4个目标特征点在目标坐标系中3维坐标集（W1, W2, W3, W4}，获取四面体边长参数L， 体积参数V，
其中 i 乒 j 乒 g 乒 h,且 i, j, g, h e {1，2, 3, 4}; 步骤（2)、识别四面体目标特征点；将步骤（1)获取的图像进行识别并提取图像中目标 特征点坐标{aj (i = Ρ··4); 步骤（3)、建立四面体边长和体积加权约束关系；已知摄像机等效焦距为f，定义4个目 标特征点在摄像机坐标系下坐标集为M1, A2, A3, AJ，定义特征点到摄像机光心p的距离为 Il1, 12, 13, 14};由步骤⑵获取了目标特征点在图像平面成像点坐标ai= (u i, Vi) (i = 1··· 3)，则成像点的3维坐标表示为（ap f) = (Ui, Vi, f)，则：
应用特征点构造边长L和体积V作为对刚体目标的约束，构成了基于边长L和体积V 加权约束的误差项Ew，1个四面体有6条边，则共形成6组边长L误差约束项，对应形成6 组约束加权误差约束项E w;
Elv= a eL+0 ev 其中i乒j乒g乒h,且i, j, g, h e {1，2, 3, 4} ;E为第k次迭代后由ejP e v开多成的加 权误差矩阵； 步骤（4)、基于四面体边长和体积约束关系解算位姿；首次迭代解算出{1J的修正量 X ：
JiX = Elv X = (J1tJ1)-1J1- 1Elv 其中1为雅可比（Jacobian)矩阵，在迭代中解算出{1 J的修正量X，从而最终解算出 准确的{lj ; L(k+i)=L(k)_x 其中L(k)是第k次迭代后的{1J ;当所有的边长和体积约束都能同时被满足，误差Ew 在迭代过程中将会逐渐收敛到零，且最终解算得到最优的{1J ;另一方面，此非线性最优化 问题可以被认为是局部线性的，反复迭代可以被解算得到{1J ;在{1J得到的基础上，解算 得到目标特征点在摄像机坐标系中坐标{AJ，再由最小二乘平差方法，解算得到目标姿态 角度9 = (Ax，Ay，Az)与目标平移向星T= (tx，ty，tz)。
2.根据权利要求1所述的一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视觉位姿测量 方法，其特征在于：所述步骤（3)中Ew为第k次迭代后由ejPev形成的加权误差矩阵，具 体应为：加权系数α和β满足α + β = 1。
【专利摘要】本发明公开了一种基于四面体边长和体积加权约束的单目视觉位姿测量方法，该方法的步骤包括：步骤(1)、获取四面体目标图像；步骤(2)、提取图像中四面体目标特征点；步骤(3)、建立四面体体积和边长特征加权约束关系；步骤(4)、基于四面体体积边长加权约束关系解算位姿。该方法运用图像识别手段，以四面体体积和边长特征建立加权误差约束关系，提高了目标单目视觉位姿测量精度。
【IPC分类】G01C11-04
【公开号】CN104880178
【申请号】CN201510290582
【发明人】赵汝进, 王进, 赵人杰, 王明富, 洪裕珍, 颜坤, 游迪
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月1日