一种相机与任意形状物理对象相对位置的估算方法技术

本发明专利技术涉及一种相机与任意形状物理对象相对位置的估算方法，针对信息物理融合环境下物理对象的定位，利用光场采集物理对象透视投影图像程序，用工业相机随意从任何角度拍摄物理对象，即可快速定位出物理对象与相机的相对位置，与其他方法相比，具有自动化程度高，测量成本低且可以达到实时高效，有效的解决了低成本高效率实时的对机械零件物理对象定位的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图形学和计算机视觉
，具体为一种相机与任意形状物理对象 相对位置的估算方法。
技术介绍
基于 GPS (Global Positioning System)的物理对象定位方法： 文献"GPS接收机对移动载体位姿测量方法的研宄·科技信息.2008,（1): 60-68"通过全球定位系统的导航卫星实现物理对象导航定位，其导航定位速度快，精度较 高，可以全球范围内全天候测量物理对象的位置，运动轨迹和空间姿实时定位物理对实，但 定位装置造价昂贵且应用领域较窄，特别是工厂等室内场景。 基于激光干涉原理的定位方法： 文献"飞机装配中的数字化测量系统.航空制造技术.2010,（23) :21"通过利 激光干涉测量跟踪仪跟踪物理对象目标反射镜，利用自身测量系统和激光干涉系统确定出 反射镜中心的三维坐标，从而实现物理对象的连续实时定位。该方法可以实现实时测量定 位，精度高，但同样造价不菲且应用范围不广泛。 基于人工标志的单幅图像定位方法： 文献"Model-based object pose in 251ines ofcode"Int. J. Computer，vol. 15， nos. 1-2,pp. 123 - 141，1995中利用上述两者的投影关系列出求解方程，采用非迭代方法求 解物理对象的位姿，该方法计算速度快，但对噪声敏感且定位结果不准确。 基于无人工标志的单幅图像定位： 文献"Improved iterative pose estimation algorithm using three dimensional feature points"0ptical Engineering，2007,46 (12)，127202-1-8 基于点特 征的定位方法与基于人工标记点定位方法相同，只要提取物理对象自然特征点三个以上实 现物理对象定位。但是存在识别精度差，识别困难以及定位出错率高等缺点。 文献"基于双平行线特征的位姿估计解析算法.仪器仪表学报，2008,29(3): 600-604. "则利用物理对象上的平行四边形结构的双平行线特征以及平行四边形的面积作 为输入，解算出物理对象位姿参数。但是对与曲面的无平行线的对象则无法定位，具有相当 的局限性。 文献"一种基于圆特征的单目视觉位姿测量算法的改进"合肥工业大学学报 (自然科学版），2009, 32 (11) :1669-1673通过对象圆特征进行物理对象定位，单个圆特征 是无法实现物理对象定位的，一般需要添加辅助措施，此类方法一般针对特定的定位环境 提出的，算法通用性差，移植难度较大。
技术实现思路
要解决的技术问题 针对目前基于轮廓形状的物理对象定位算法实时性仍然较差，无法在保证实时性 的基础上提高物理对象的定位精度。本专利技术提出一种相机与任意形状物理对象相对位置的 估算方法，自动化程度高、测量成本低且结果实时高效。由于本专利技术方法是基于物理对象轮 廓形状特征，所以特征提取相对简单，可以达到实时性效果。与其他物理对象定位方法相 比，本专利技术方法在算法上有很大改进，只需一个相机就可以完成物理对象的定位，具有其他 定位方法所不具有的成本低廉的效果。 技术方案 ，其特征在于步骤如下： 步骤a :物理对象的形状学习 步骤al :以需要测量的物理对象为中心、一定距离为半径画一个球面； 步骤a2 :相机在球面上从多个不同方向米集获得η幅图像； 步骤a3 :提取每一幅图像的图像描述符Di= (d ρ d2，…，dn) i ;η彡10 ; 步骤a4 :在球面上连接相机中心，形成球面网格； 步骤a5 :将图像描述符D#录到球面网格的顶点，形成物体形状描述符M(D，K) (D =Di, i = 0, 1，…，n，D是Di的集合），K表示拓扑连接关系； 步骤b:相对位置估算 步骤bl :相机从任意位置、角度采集测量的物理对象，得到一幅远轴图像I ; 步骤b2 :将远轴图像I变换为轴向图像I ' ： 保持远轴图像I的观察坐标系原点0。不动，旋转远轴图像I的观察坐标系C = (u， v，n)使相机的主轴通过物理对象中心0得到新的观察坐标系C =(V)，旋转 过程中保持u'轴位于UOcIl平面内，旋转矩阵R'为： Rr =RpRci【主权项】1. ，其特征在于步骤如下： 步骤a :物理对象的形状学习 步骤al :以需要测量的物理对象为中心、一定距离为半径画一个球面； 步骤a2 :相机在球面上从多个不同方向采集获得η幅图像； 步骤a3 :提取每一幅图像的图像描述符Di= (d ^ d2, . . .，dn)i;n彡10 ; 步骤a4 :在球面上连接相机中心，形成球面网格； 步骤a5 :将图像描述符DiE录到球面网格的顶点，形成物体形状描述符M(D，K) (D = Di, i = 0,1，…，n，D是Di的集合），K表示拓扑连接关系； 步骤b :相对位置估算 步骤bl :相机从任意位置、角度采集测量的物理对象，得到一幅远轴图像I ; 步骤b2 :将远轴图像I变换为轴向图像I' ： 保持远轴图像I的观察坐标系原点0。不动，旋转远轴图像I的观察坐标系C = (u，V， η)使相机的主轴通过物理对象中心0得到新的观察坐标系C' =(u'，ν'，n')，旋转过 程中保持U'轴位于UOcIl平面内，旋转矩阵R'为： Rr =RpRa其中，a为V和u之间的夹角，β为Y在uOp平面的投影向量和Y之间的夹角； 计算物理对象上任何一点P在C上的投影ρ。变换到C'的投影p'。： P' c=kR' Pc 其中，1^ = €/]^，1^是1^ p。的η方向上的坐标值； 步骤c :提取轴向图像I'的轴向图像描述符D'; 步骤d:匹配轴向图像描述符IV和物体形状描述符M(D，K) (D = Dpi = 0，1，···，]!， D是Di的集合），得到M中与D'最接近的图像描述符D x; 步骤dl :首先从M中找到与IV最接近的对应网格上的图像描述符Di: 将D'与相邻网格上物体形状描述符M中的D1,1 = 1，2，...，m逐一比较，找到满足ει =mini ID' -D1I I条件的节点Ni,队对应的网格上图像描述符就是D i; 步骤d2:通过优化目标函数计算得到权因子&及w u的值，优化计算得到的权因子w w u表示M中与D'最接近 的图像描述符Dx的重心坐标； 步骤d3 :根据权因子&及w u的值的完成位置的插值计算，得到D x; 用权因子Wjwij将图像I'相关的属性D'表示为Ni及其I-Ring范围邻接顶点相应 属性DjP D」的线性组合：〇2.根据权利要求1所述的相机与任意形状物理对象相对位置的估算方法，其特征在于 所述的步骤al中的一定距离为大于3倍的物理对象的最小包围球的半径。【专利摘要】本专利技术涉及，针对信息物理融合环境下物理对象的定位，利用光场采集物理对象透视投影图像程序，用工业相机随意从任何角度拍摄物理对象，即可快速定位出物理对象与相机的相对位置，与其他方法相比，具有自动化程度高，测量成本低且可以达到实时高效，有效的解决了低成本高效率实时的对机械零件物理对象定位的问题。【IPC分类】G06T7-00【公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相机与任意形状物理对象相对位置的估算方法，其特征在于步骤如下：步骤a：物理对象的形状学习步骤a1：以需要测量的物理对象为中心、一定距离为半径画一个球面；步骤a2：相机在球面上从多个不同方向采集获得n幅图像；步骤a3：提取每一幅图像的图像描述符Di＝(d1，d2，...，dn)i；n≥10；步骤a4：在球面上连接相机中心，形成球面网格；步骤a5：将图像描述符Di记录到球面网格的顶点，形成物体形状描述符M(D，K)(D＝Di，i＝0，1，…，n，D是Di的集合)，K表示拓扑连接关系；步骤b：相对位置估算步骤b1：相机从任意位置、角度采集测量的物理对象，得到一幅远轴图像I；步骤b2：将远轴图像I变换为轴向图像I’：保持远轴图像I的观察坐标系原点Oc不动，旋转远轴图像I的观察坐标系C＝(u，v，n)使相机的主轴通过物理对象中心O得到新的观察坐标系C′＝(u′，v′，n′)，旋转过程中保持u′轴位于uOcn平面内，旋转矩阵R′为：R′＝RβRαRβ=1000cosβ-sinβ0sinβcosβ,Rα=cosα0sinα010-sinα0cosα]]>其中，α为u′和u之间的夹角，β为n′在uOcn平面的投影向量和n′之间的夹角；计算物理对象上任何一点P在C上的投影pc变换到C′的投影p′c：p′c＝kR′pc其中，k＝f/nz，nz是R′pc的n方向上的坐标值；步骤c：提取轴向图像I’的轴向图像描述符D′；步骤d：匹配轴向图像描述符D′和物体形状描述符M(D，K)(D＝Di，i＝0，1，…，n，D是Di的集合)，得到M中与D’最接近的图像描述符Dx；步骤d1：首先从M中找到与D′最接近的对应网格上的图像描述符Di：将D′与相邻网格上物体形状描述符M中的Dl，l＝1，2，...，m逐一比较，找到满足εl＝min||D′‑Dl||条件的节点Ni，Ni对应的网格上图像描述符就是Di；步骤d2：通过优化目标函数ϵ=minw||D′-Diwi-Σj=okDjwij||]]>计算得到权因子wi及wij的值，优化计算得到的权因子wi及wij表示M中与D′最接近的图像描述符Dx的重心坐标；步骤d3：根据权因子wi及wij的值的完成位置的插值计算，得到Dx；用权因子wi及wij将图像I′相关的属性D′表示为Ni及其1‑Ring范围邻接顶点相应属性Di和Dj的线性组合：Dx=Di+Σj=0kWij(Dj-Di).]]>...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹏，白晓亮，张树生，何卫平，石雁月，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61