基于圆锥投影变换的单目视觉空间定位方法与流程

本发明涉及图像定位方法
技术领域：
，具体的说是基于圆锥投影变换的单目视觉空间定位方法。
背景技术：
：随着传感器技术、计算机技术以及图像处理技术的快速发展，基于视觉的定位技术在机器人的导航、工业机器人的目标定位以及虚拟现实中得到了越来越广泛的应用，成为一门快速发展的新型学科。视觉系统通常分为单目视觉系统和双目视觉系统，单目视觉由于损失深度信息通常用于二维测量，双目视觉系统利用两个摄像机的视差可进行三维测量。单目视觉单幅图像避免了多幅图像需要匹配算法确定特征点对应关系的问题，若能通过辅助设备或设计达到三维位姿测量的目的，将会得到广泛的应用。将参数已知的几何图形作为定位目标，利用几何图形在空间中投影变换的规律增加约束条件实现三维位姿的求取是单目视觉三维位姿测量的有效方法。将标准圆作为定位目标，通过解算其在成像过程中的投影变换关系实现三维位姿的求取操作简单、鲁棒性强，具有很高的工程应用价值。技术实现要素：针对上述技术的缺陷，本发明提出基于圆锥投影变换的单目视觉空间定位方法。基于圆锥投影变换的单目视觉空间定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)构造圆形目标，将黑白色块呈辐射状均匀交替，并使得圆心位置明显，并预先得出圆形半径；(2)摄像机在任意姿态下拍摄圆形目标，所得图像为椭圆，提取其圆周点群和圆心的像素坐标；(3)根据圆周图像，建立顶点为摄像机光心，底边为椭圆周的斜椭圆锥模型及方程表达，进而将斜椭圆锥表达映射为直椭圆锥表达；(4)基于直椭圆锥中的几何关系，利用圆形目标的半径约束求得摄像机光心与圆心的距离，进一步利用圆心约束求得圆心在摄像机坐标系中的空间坐标。步骤(3)中所述的建立顶点为摄像机光心，底边为椭圆周的斜椭圆锥模型及方程表达，进而将斜椭圆锥表达映射为直椭圆锥表达的算法为：图像坐标系是以像素为单位建立的直接坐标系,令(ui,vi)为圆周点群的图像坐标，其中i＝1,2,3...n，n为圆周点的总个数；摄像机坐标系是原点在光心、建立XOY平面，并与成像平面平行、设Z轴为摄像机光轴的空间坐标系，设O-XcYcZc为摄像机坐标系，令P1为成像平面，令(xi,yi,1)为圆周点群的图像坐标经转换得到的齐次摄像机坐标，圆周点群在图像中呈现为椭圆，摄像机光心与该椭圆周形成一个斜椭圆锥，斜圆锥的母线即为光线投射方向；沿光线投射方向将该斜椭圆锥映射为直椭圆锥，首先调节zci的值，将所有光线的长度缩放为相等长度α0，得到变换后的圆周点群坐标(xci,yci,zci)，其中且α0为不为零的任意值，求取上述圆周点群的坐标平均值作为直椭圆锥底面的中心O0；然后将摄像机坐标系Z轴旋转至OO0，形成新的摄像机坐标系O-X′cY′cZ′c，将圆周点群的齐次坐标(xi,yi,1)旋转变换至O-X′cY′cZ′c中，并调节z'ci的值，使所有点Z′c轴坐标一致，即可得变换后的圆周点群坐标(x'ci,y'ci,z'ci)，其中z'ci＝χ0，则变换后的点都位于新的成像平面P′1上，P′1与成像光线的交点则形成椭圆，该椭圆的圆周与摄像机光心形成直椭圆锥。3、步骤(4)中所述的基于直椭圆锥中的几何关系，利用圆形目标的半径约束求得摄像机光心与圆心的距离，进一步结合圆心约束求得其在摄像机坐标系中的空间坐标坐标具体算法：定义光心和椭圆长轴形成的平面为长轴平面，光心与椭圆短轴形成的平面为短轴平面，O1为长轴平面与圆形目标交线的中点，O2为圆形目标的圆心，r为圆形目标的半径，O1O2的距离为a，令A、B分别为短轴平面内的两条母线与圆形目标的切点，令∠OAB＝γ，α为长轴平面等腰三角形的底角，β为短轴平面等腰三角形的底角，则在光心与椭圆长轴形成的平面中有如下关系：利用式(1)、式(2)求得γ的值后，在ΔOAB中利用正弦公式求得OA的长，计算过程如下：再在ΔOO2A中利用余弦公式求得OO2，计算过程如下：OO2＝r2+|OA|2-2r|OA|cosγ(4)解式(3)、式(4)求得OO2的距离，依据圆形目标圆心的摄像机坐标(xo,yo,1)求得圆心在实际的摄像机坐标系中的坐标：所述χ0为2倍物距至5倍物距。所述直椭圆锥底面的中心O0的计算过程如下：所述圆周点群坐标(x'ci,y'ci,z'ci)的求取计算步骤如下所示:R＝R2R1(10)利用点X′c拟合椭圆可得：本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的有益效果是仅通过一台摄像机即可定位空间中的物体，具有良好的经济性；利用圆在空间中投影变换的几何关系计算空间物体位姿，计算简单，运算时间短。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的使用状态示意图；图2是本发明的实施流程图；图3是本发明的计算模型图；图4是本发明的空间投影关系示意图；图5是本发明的几何关系示意图。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。如图1所示，实现所述空间定位方法涉及的硬件有摄像机3，平面标靶1以及圆形目标2。其中摄像机3已标定，4个圆形目标2均匀固定在空间物体1的平面上，圆心呈正方形顶点分布。应用时，摄像机采集圆形目标的图像，通过所述方法求得各个圆形目标的空间坐标后，拟合成圆形目标所在的平面，即可求得圆形目标的空间姿态。本发明提出的基于圆锥投影变换的单目视觉空间定位方法中，单目摄像机一次拍摄含约束的圆形目标图像，即可获得摄像机与圆形目标之间的空间位置关系，如图2所示，包括以下步骤：(1)构造圆形目标，其特征为黑白色块呈辐射状均匀交替，圆心位置明显，圆形半径已知；(2)摄像机在任意姿态下拍摄圆形目标所得图像为椭圆，提取其圆周点群和圆心的像素坐标；(3)建立顶点为摄像机光心，底边为椭圆周的斜椭圆锥模型及方程表达，然后将斜椭圆锥表达映射为直椭圆锥表达，具体算法为：图像坐标系以像素为单位建立的直接坐标系，(ui,vi)为圆周点群的图像坐标(i＝1,2,3...n，n为圆周点的总个数)，摄像机坐标系是原点在光心、XOY平面与成像平面平行、Z轴为摄像机光轴的空间坐标系，设O-XcYcZc为摄像机坐标系，P1为成像平面，(xi,yi,1)为圆周点群的图像坐标转换得到的齐次摄像机坐标，圆周点群在图像中呈现为椭圆，摄像机光心与该椭圆形成一个斜椭圆锥，斜椭圆锥的母线即为光线投射方向；沿光线投射方向将该斜椭圆锥映射为直椭圆锥，首先调节zci的值，将所有光线的长度缩放为相等长度α0，得到变换后的圆周点群坐标(xci,yci,zci)(即且α0为不为零的任意值)，求取上述圆周点群的坐标平均值作为直椭圆锥底面的中心O0，计算过程如下：然后将摄像机坐标系Z轴旋转至OO0，形成新的摄像机坐标系O-X′cY′cZ′c，将圆周点群的齐次坐标(xi,yi,1)旋转变换至O-X′cY′cZ′c中，并调节z'ci的值，使所有点Z′c轴坐标一致，即可得变换后的圆周点群坐标(x'ci,y'ci,z'ci)(即z'ci＝χ0，χ0约为2倍物距至5倍物距为佳)，则变换后的点都位于新的成像平面P1'上，P1'与成像光线的交点则形成椭圆，该椭圆周与摄像机光心则形成直椭圆锥，计算步骤如下所示:R＝R2R1利用点X′c拟合椭圆可得：(4)基于直椭圆锥中的几何关系，利用圆形目标的半径约束求得摄像机光心与圆心的距离，进一步利用圆心约束求得其在摄像机坐标系中的空间坐标坐标具体算法：如图4、图5所示，定义光心和椭圆长轴形成的平面为长轴平面，光心与椭圆短轴形成的平面为短轴平面，O1为长轴平面与圆形目标交线的中点，O2为圆形目标的圆心，r为圆形目标的半径，O1O2的距离为a，A、B分别为短轴平面内的两条母线与圆形目标的切点，令∠OAB＝γ，α为长轴平面等腰三角形的底角，β为短轴平面等腰三角形的底角，则在光心与椭圆长轴形成的平面中有如下关系：利用上式求得γ的值后，在ΔOAB中利用正弦公式可求得OA的长，再在ΔOO2A中利用余弦公式求得OO2，计算过程如下：OO2＝r2+|OA|2-2r|OA|cosγ解上式求得OO2的距离，依据圆形目标圆心的摄像机坐标(xo,yo,1)求得圆心在实际的摄像机坐标系中的坐标：实施例一：在空间的平板上布置4个圆形目标，4个圆形目标的圆心为边长为50mm的正方形的4个顶点。将摄像机固定，将平板放置在摄像机的视场内，然后将平板沿任意一条边线分别旋转0°、10°、20°、30°，并捕获各位姿的图像。按照本发明提供的方法实施各个步骤，所得圆形目标的坐标以及相邻两个位姿之间的夹角如表1所示，每幅图像中的圆形目标圆心可形成边长约为50mm的正方形，相邻两个位姿的法向夹角为10°，根据表1的结构可知，本发明提供的方法具有高可靠性。表1验证实验结果0°10°标记1(-24.6581,23.8483,150.8)(-25.3319,-23.3091,146.234)标记2(-25.6738,-25.3295,160.316)(-24.278,24.9297,144.725)标记3(25.513,-26.2338,166.441)(25.1083,27.3183,156.171)标记4(24.6698,25.2593,159.465)(26.2765,-24.2031153.063)边长(50.1003,51.5607,51.9704,50.1031)(48.2739,50.7516,51.6283,52.066)夹角0°10.1522°20°30°标记1(-24.0413,-20.0446,131.852)(-23.9375,-12.2803,116.544)标记2(-23.8324,25.9062,139.387)(-23.5742,29.4638,133.972)标记3(25.462,29.3033,151.251)(25.493,32.7866,145.712)标记4(28.1308,-20.6534,142.782)(28.2491,-13.2206,130.999)边长(46.5649,50.8157,50.7398,53.3081)(45.2374,50.5613,48.3809,54.1595)夹角9.3908°10.0179°以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 2 3