多介质传播中随机波动的视觉定位研究制造技术

本发明专利技术公开了一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究。在工程应用中，光在多介质的传播中易产生偏差，介质混杂且随机波动易造成多介质下的视觉定位不准确。本文探索双目相机在多介质下的视觉定位技术。分为如下步骤：步骤一、图像坐标系中畸变系数的确定；步骤二、图像坐标系到相机坐标系的转换；步骤三、世界坐标系中相机间的相对位姿；步骤四、相机坐标系到世界坐标系的转换；步骤五、介质转换条件下的视觉定位；步骤六、基于云模型的视觉定位随机性描述。

Research on visual positioning of random fluctuation in multi media propagation

The invention discloses a visual positioning method for random fluctuation in the multi media transmission. In engineering applications, the light is prone to bias in the propagation of multi media, and the media is mixed and the random fluctuation is easy to cause the inaccurate positioning of the multi media. In this paper, we study the vision positioning technology of binocular camera in multi media. Divided into the following steps: step one, the image distortion coefficients are calculated in the coordinate conversion; step two, the image coordinate system to the camera coordinate system; the relative pose between the camera in step three, the world coordinate system conversion; step four, the camera coordinate system to the world coordinate system; step five, visual positioning media conversion under the conditions of the steps described; visual localization random cloud model, based on the six.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，对视觉定位领域中可能出现的光在多个介质传播的偏差问题，推导多介质转换情况下的视觉定位公式，并针对传播介质的随机波动问题，提出定位模型进行描述，实现目标物体的精确定位，属于机器视觉领域中的工程问题。
技术介绍
随着社会的发展，工业生产也日趋机械化、智能化，视觉定位技术作为提供目标物体位置信息的关键技术，被广泛应用于工业、农业、旅游业等各领域。视觉定位是机器视觉学科的一个重要分支，它是模仿人类眼睛的工作原理，代替人眼进行目标物体定位。目前在诸如电子、汽车、制造等很多行业在工业生产中利用视觉定位系统代替人眼进行定位，视觉定位技术还与机械臂等方式结合使用，达到工业生产自动化的效果。按照所用设备的不同，视觉定位主要分为单目相机、双目相机、RGB-D相机等方式，因为单目相机需要进行相机位姿变化，而RGB-D相机的成本又造价太高，因此双目相机应用的范围与前景更为广阔。视觉定位技术主要针对单一介质下的视觉定位，一部分研究集中于空气介质中，为执行机构运行提供位置信息，如农业生产中荔枝、番茄、草莓等农产品采摘视觉定位；另一部分则集中于水介质中，为水下作业提供对应的位置信息，适用于水下捕捞、海底勘测等工程。但是视觉定位中，经常会涉及到多介质间的转换问题，如空气中对水下物体的视觉定位、特殊气体中物体的远程定位等。随着介质的转换，光在透明介质中传播的路线会发生变化，导致计算出的结果并不是实际位置，而是所谓“虚像”的位置。目前不同介质下的视觉定位尚未得到有效研究，因此多介质视觉定位的精度问题是影响工程项目实施的关键。此外，实际环境中的水介质、空气介质等由于混杂多种成分，其折射率也会随时变化，尚未有准确的机理公式对实际环境中的折射率进行描述。对于外界环境的随机作用，介质中光线的传播也会产生形状变化和随机波动，从而影响定位信息的准确性。因此多介质转换问题还应考虑折射率的不定性及介质波动的随机性。因此如何建立符合水中物体的视觉定位模型，成为人们关注的焦点。
技术实现思路
为了克服上述折射现象所导致的现有技术不足，本专利技术提供了一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，符合复杂情况下的视觉定位。人的眼睛其实就像一架精密的相机，时刻把外界的信息反馈回大脑，双目视觉定位就是模仿双眼工作的原理，采用两台相机从不同角度去观察同一目标物体，同时获得两幅目标物体的图像，通过目标物体在成像中的相对视差问题，从而恢复目标物体的三维信息。在双目视觉定位中，涉及到三套坐标系的概念，分别是图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系，利用双目相机进行三维定位便是从图像像素坐标系转换成图像实际尺寸坐标系，再转换成世界坐标系的过程。本专利技术提供一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，主要包括如下几个步骤：步骤一、图像坐标系中畸变系数的确定；步骤二、图像坐标系到相机坐标系的转换；步骤三、世界坐标系中相机间的相对位姿；步骤四、相机坐标系到世界坐标系的转换；步骤五、介质转换条件下的视觉定位；步骤六、基于云模型的视觉定位随机性描述。本专利技术的优点在于：1.本专利技术利用双目相机对水中物体进行视觉定位，精确定位到目标物体特征点的实际位置，并没有考虑光想传播的折射问题，本专利技术解决了因为光线传播中折射引起的定位不准确问题。2.本专利技术纯水的折射率为1.33，但是在实际情况中，温度、水中杂质等诸多因素往往会影响水的折射率，因此本专利技术提供了水下物体视觉定位方法，不依赖于光线在传播过程中遇到介质转换而导致的折射率的不同的问题。3.本专利技术借助云模型对随机性和模糊性的处理，描述多介质视觉定位中的随机波动问题。4.本专利技术提供的方法，可以解决在视觉定位中因为光线折射而导致定位不准的问题，这类方法不仅可以应用于水下物体，还可以应用于其他光线传播介质转换而导致的视觉定位问题。附图说明图1为本专利技术中算法系统框图；图2为本专利技术中介质转换下的视觉定位模型；图3为本专利技术中实验装置示意图；图4为本专利技术中四种情况下100帧图片实验结果误差对比曲线；图5为本专利技术中100帧图像中确定度曲线与误差曲线的比较；图6为本专利技术中100组实验考虑有机介质前后的误差对比图；图7为本专利技术中100组实验考虑折射率未知前后的误差对比图；图8为本专利技术中100组利用云模型前后最小定位误差关系对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供的一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，系统框图如图1所示，具体包括步骤如下：步骤一、图像坐标系中的畸变系数的确定首先根据Brown模型确定相机畸变系数，得到径向畸变参数为k1,k2，切向畸变参数为k3,k4。在图像坐标系中实际图像中心坐标为u0,v0，目标点坐标为u1,v1，经过畸变校正后的图像中心坐标为u'0,v'0，目标点坐标为u'1,v'1，畸变校正结果如公式(1)和公式(2)所示。Δu＝k1·Δu'·r2+k2·Δu'·r4+2k3·Δu'·Δv'+k4·(r2+2·Δu'2) (1)Δv＝k1·Δv'·r2+k2·Δv'·r4+2k3·Δu'·Δv'+k4·(r2+2·Δv'2) (2)其中：r2＝Δu'2+Δv'2，Δu＝u1-u0，Δv＝v1-v0，Δu'＝u1'-u0'，Δv'＝v1'-v0'。步骤二、图像坐标系到相机坐标系的转换在图像像素坐标系中，对镜头进行畸变校正之后，需要将图像坐标系上像素信息转换为相机坐标系中的长度信息，借助张正友标定法获得转换矩阵，即内参矩阵Kin。通过内参矩阵可以得到检测物体目标点在相机坐标系上的坐标，如公式(3)所示。 p q 1 T = K i n - 1 * u ′ v ′ 1 T - - - ( 3 ) ]]>其中，其中fu,fv分别表示X轴方向和Y轴方向图像像素尺寸和图像实际尺寸的比例。步骤三、世界坐标系中相机间的相对位姿由于双目视觉定位技术中存在有多个摄像头，因此各摄像头之间存在着转换矩阵，即为本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提供的一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，系统框图如图1所示，具体包括步骤如下：步骤一、图像坐标系中的畸变系数的确定步骤二、图像坐标系到相机坐标系的转换步骤三、世界坐标系中相机间的相对位姿步骤四、相机坐标系到世界坐标系的转换步骤五、介质转换条件下的视觉定位步骤六、基于云模型的视觉定位随机性描述

【技术特征摘要】
1.本发明提供的一种多介质传播中随机波动的视觉定位研究，系统框图如图1所示，具体包括步骤如下：步骤一、图像坐标系中的畸变系数的确定步骤二、图像坐标系到相机坐标系的转换步骤三、世界坐标系中相机间的相对位姿步骤四、相机坐标系到世界坐标系的转换步骤五、介质转换条件下的视觉定位步骤六、基于云模型的视觉定位随机性描述2.根据权利要求1所述的优化构建方法，其特征在于：在步骤五中介质转换条件下的视觉定位。以水下摄像头为例，光线的传播经历了空气、透明有机材料和水，空气的折射率默认为1，有机材料在出厂时的折射率检测为1.5，厚度a＝3mm，纯水的折射率为1.33。介质转换条件下双目视觉定位模型如图2所示，C1、C2为两个相机位置，平面D1D2和平面D3D4为介质转换平面，C3、C4为C1、C2在平面D1D2上的投影，C5、C6为C1、C2在平面D3D4上的投影，E1为目标点实际坐标，E2为目标点虚影坐标，E4和E3为目标点在介质转换面D1D2和D3D4的投影，已知折射率为n＝1.33。根据介质转换下的视觉定位模型，推导出水介质的折射率如公式(8)和公式(9)所示： n = c o s ∠ C 1 D 1 C 3 a / | D 1 D 3 | · a / | D 1 D 3 | c o s ∠ E 1 D 3 E 4 = c o s ∠ C 1 D 1 C 3 c o s ∠ E 1 D 3 E 4 - - - ( 8 ) ]]> n = c o s ∠ C 2 D 2 C 4 a / | D 2 D 4 | · a / | D 2 D 4 | c o s ∠ E 1 D 4 E 3 = c o s ∠ C 2 D 2 C 4 c o s ∠ E 1 D 4 E 3 - - - ( 9 ) ]]>在双目视觉定位中，已知关键点的坐标C1＝(0,0,0)、C2＝(x1,y1,z1)、E2＝(x2,y2,z2)。设有机材料平面方程为y＝m和y＝m+0.3，因此可以得到C3＝(0,m,0)、C4＝(x1,y1+m,z1)、C5＝(0,m+3,0)、C6＝(x1,y1+m+3,z1)、E3＝(x2,m+3,z2)、E4＝(x2,m,z2)，以上坐标为双目相机在两个介质转换平面上的投影。由于两介质的转换平面是平行的，对于目标物体定位，会产生y轴方向变化，如公式(10)所示。 α = 3 - 3 · y 2 x 2 2 + z 2 2 t a n [ a r c s i n ( 2 x 2 2 + z 2 2 3 x 2 2 + y 2 2 + z 2 2 ) ] - - - ( 10 ) ]]>同时，根据光线方程C1E2、C1E2和有机材料平面方程D1D2、D3D4可以得到D1、D2、D3、D4四个点在世界坐标系的坐标为： D 1 = x 4 y 4 z 4 T = m · x 2 y 2 m m · z 2 y 2 T ]]> D 2 = x 5 y 5 z 5 = ( m - y 1 ) ( x 2 - x 1 ) y 2 - y 1 + x 1 m ( m - y 1 ) ( z 2 - z 1 ) y 2 - y 1 + z 1 ]]>根据公式(9)推出透明有机介质的“虚像”位置信息，如公式(11)所示。E5＝E1+(0,α,0) (11)把公式(11)代入到公式(7)和公式(8)推导出水的折射率公式，并化简为公式(12)所示。 n = c o s ∠ C 1 D 1 C 3 c o s ∠ E 5 D 1 E 3 = c o s ∠ C 2 D 2 C 4 c o s ∠ E 5 D 2 E 3 - - - ( 12 ) ]]>由公式(11)展开可以得到公式(12)。 | D 1 C 3 | | C 1 D 1 | / | D 1 E 4 | | E 5 D 1 | = | D 2 C 4 | | C 2 D 2 | / | D 2 E 3 | | E 5 D 2 | ]]>在公式(12)中，点C1、C2、C3、C4、D1、D2、E4的三维位置信息已知，E5的三维位置信息中仅在y轴上存在一个未知数，把这些信息代入到公式(12)中得，如公式(13)所示。 x 2 2 + z 2 2 x 2 2 + z 2 2 + 1 ( x 2 - y 2 ) 2 + ( z 2 - y 2 ) 2 ( x 2 - y 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王松，李睿凡，胡燕祝，马学思，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11