运动视场下的单目视觉定位方法技术

本发明专利技术公开了一种在运动视场下的单目视觉定位方法，首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。本发明专利技术弥补了单目视觉的距离信息缺失的不足，实现了在摄像机随着移动机器人运动形成的运动视场环境下，仅依靠一个摄像机进行移动机器人自定位。

【技术实现步骤摘要】
运动视场下的单目视觉定位方法
本专利技术涉及一种在运动视场下的单目视觉定位方法，属于数字图像处理

技术介绍
由于机器视觉技术具有信息量大、灵活性高、成本低等优点，目前视觉定位技术已成为自主移动机器人的关键技术和研究热点。由于单目摄像机对于距离信息的缺失，近几年基于视觉路标的单目视觉定位技术进展缓慢，传统方法是固定摄像机，形成固定不变的视场环境，通过相机标定获得相机内外参数，从而通过成像模型进行坐标变换实现目标机器人的定位。在摄像机随着移动机器人运动的情况下，形成了运动的视场环境，在这种情况下传统的单目视觉定位技术由于距离信息缺失受到限制，虽然双目视觉定位技术和RGB-D摄像机的使用弥补了距离信息的缺失，但又造成了定位算法复杂，效率低下，拍照距离受限等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在运动视场下的单目视觉定位方法，主要涉及到了数字图像处理技术。本专利技术的技术解决方案是：一种在运动视场下的单目视觉定位方法，其特征是：首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。具体方法包括下列步骤：步骤1)首先对摄像机进行相机标定，获得相机的内部参数矩阵和畸变参数；步骤2)利用步骤1)中的畸变参数对拍摄到的视觉路标图像进行畸变矫正，然后利用路标的轮廓结构检测路标，从而提取出路标图像；步骤3)通过Hough变换算法和逆透视变换算法，对路标图像进行旋转和倾斜矫正，然后利用路标内部的弧角信息识别路标，获取路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息；步骤4)在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系下的坐标；摄像机坐标系的Y轴与世界坐标系Y轴平行；步骤5)利用中心点和任一角点在摄像机坐标系下的坐标和识别路标得到的世界坐标在两个坐标系下分别形成一个定位矢量，通过两个定位矢量向量积计算得到摄像机坐标系和世界坐标系的旋转关系；步骤6)在三维定位模型中引入路标坐标系；路标坐标系和摄像机坐标系仅存在平移关系，不存在旋转关系，Y轴与世界坐标系Y轴平行，因此容易得到摄像机在路标坐标系下的坐标以及路标坐标系和世界坐标系的旋转和平移关系；最后通过矩阵变换即可得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的世界坐标。摄像机水平安装在移动机器人上，并且可进行水平旋转。在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系下的坐标。利用路标轮廓结构检测路标，从而提取路标图像并且检测路标中心点和角点的图像坐标，然后识别路标获得路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息。本专利技术通过结合数字图象处理技术，对所设计路标进行精确的检测与识别，然后通过路标的位置信息和引入的路标坐标系弥补了单目视觉的距离信息缺失的不足，实现了在摄像机随着移动机器人运动形成的运动视场环境下，仅依靠一个摄像机进行移动机器人自定位，基于本专利技术所设计的方法可以广泛应用于水平装配摄像机的移动机器人的自主定位和导航系统。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术所设计在运动视场下的单目视觉定位方法的视觉路标；图2是本专利技术所设计在运动视场下的单目视觉定位方法的框架示意图；图3是本专利技术所设计在运动视场下的单目视觉定位方法的摄像机成像模型图；图4是本专利技术所设计在运动视场下的单目视觉定位方法的三维定位模型图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。考虑到单目视觉定位技术的距离信息缺失问题，本专利技术中将摄像机水平安装保证摄像机坐标系和世界坐标系的Y轴平行，然后利用识别路标得到的位置信息解决了这一问题，从而在三维定位模型中利用坐标变换可得到路标中心点在摄像机坐标系下的坐标；本专利技术还通过路标中心点和任一角点在摄像机坐标系下的坐标和识别路标得到的世界坐标在两个坐标系下分别形成一个定位矢量，从而利用两个定位矢量向量积求得两个坐标系的旋转关系，进而可得到路标坐标系和世界坐标系的旋转和平移矩阵，从而实现单目视觉定位。如图2所示，本专利技术涉及一种在运动视场下的单目视觉定位方法，在摄像机随着移动机器人运动形成的运动视场环境下，利用路标轮廓结构检测并提取路标，通过识别路标获取路标在世界坐标系下的位置信息，在三维定位模型中引入路标坐标系，使路标坐标系的Y轴和世界坐标系的Y轴平行，从而利用坐标变换获得路标在摄像机坐标系下的坐标，再利用定位矢量向量积得到路标坐标系和世界坐标系的旋转和平移矩阵，通过矩阵变换最终得到摄像机在世界坐标系下的坐标，即移动机器人在室内的位置信息。在实际应用中，使用机器人摄像机拍摄视觉路标图像，摄像机水平安装在移动机器人上，并且可进行水平旋转，使用Matlab、OpenCV以及VS2013软件实现单目视觉定位算法。如图3所示，执行如下步骤：步骤1)首先对摄像机进行相机标定，获得相机的内部参数矩阵和畸变参数；具体标定步骤如下：如图3所示，在摄像机的成像模型中涉及到4种坐标系，分别为成像坐标系、图像坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系，经过各个坐标系的转化得到图像坐标系和世界坐标系之间的映射关系如公式(1)所示：其中，f表示摄像机焦距，dx，dy分别表示x轴和y轴方向上每一像素的物理尺寸，(u0,v0)为摄像机光心Oc在图像坐标系下的坐标，M1为相机标定所得的内部参数矩阵,M2为相机标定所得的外部参数。摄像机的径向畸变的模型如公式(2)所示：摄像机的切向误差的模型如公式(3)所示：基于上述原理采用张正友相机标定法，用4×6的棋盘格做标定模板，最后得到内参数矩阵M1和畸变参数k1,k2,k3,p1,p2。步骤2)利用步骤1)中的畸变参数对拍摄到的视觉路标图像进行畸变矫正，然后利用路标的轮廓结构检测路标，从而提取出路标图像；如图1所示为所设计的视觉路标，路标内部嵌套外轮廓的距离比为1:2:2，通过轮廓检测和距离比限制来检测并提取路标图像。步骤3)通过Hough变换算法和逆透视变换算法，对路标图像进行旋转和倾斜矫正，然后利用路标内部的弧角信息识别路标，获取路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息；具体识别步骤如下：首先采用Hough变换算法检测路标黑色边框的四个顶点，然后采用基于对应点变换的逆透视变换对路标图像进行旋转和倾斜矫正。然后采用高斯滤波算法和基于模糊域的图像增强算法对路标图像进行预处理，利用轮廓检测和最小二乘圆拟合法对路标进行分割。最后利用弧角信息对分割后的路标图像进行识别并解码，从而获得路标承载的信息，即路标中心点在世界坐标系的位置信息，然后利用路标实际物理尺寸即可得到路标角点的位置信息。步骤4)在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系(Y轴与世界坐标系Y轴平行)下的坐标；具体步骤如下：如图4所示，在三维定位模型中，由于摄像机坐标系Y轴与世界坐标系Y轴平行，所以通过路标的世界坐标可以确定路标在摄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在运动视场下的单目视觉定位方法，其特征是：首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。

【技术特征摘要】
1.一种在运动视场下的单目视觉定位方法，其特征是：首先对摄像机进行相机标定，得到相机内参数和畸变参数并对图像进行畸变矫正，然后利用摄像机来检测并识别已设计的视觉路标，从而获取路标位置信息，通过在三维定位模型中引入路标坐标系，通过坐标变换确定摄像机相对于路标的位置，最后利用路标在摄像机坐标系下的坐标和世界坐标形成两个定位矢量，通过定位矢量向量积得到两个坐标系的旋转和平移关系，从而得到摄像机的世界坐标，即移动机器人的位置。2.根据权利要求1所述的在运动视场下的单目视觉定位方法，其特征是：具体方法包括下列步骤：步骤1）首先对摄像机进行相机标定，获得相机的内部参数矩阵和畸变参数；步骤2）利用步骤1）中的畸变参数对拍摄到的视觉路标图像进行畸变矫正，然后利用路标的轮廓结构检测路标，从而提取出路标图像；步骤3）通过Hough变换算法和逆透视变换算法，对路标图像进行旋转和倾斜矫正，然后利用路标内部的弧角信息识别路标，获取路标中心点和角点在世界坐标系中的位置信息；步骤4）在三维定位模型中，通过坐标变换以及识别路标得到的信息计算得到路标中心点和角点在摄像机坐标系下的坐标；摄...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐一鸣，刘成成，陆观，顾菊平，华亮，顾海峰，戴秋霞，陈峰，朱建红，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32