一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，涉及车辆检修养护技术领域，本发明专利技术的步骤为：建立坐标系之间的关系，最终得到世界坐标系和图像像素坐标系之间的关系；单目摄像机标定，得到单应性矩阵与摄像机内外参数之间的关系；单应性矩阵的求解与优化，进而得出摄像机内参，再得到旋转矩阵，并对其优化；双目摄像机标定，得到两个摄像机之间的相对位置关系；对内参、外参以及两个摄像机的相对位置关系进行优化；对优化后的旋转矩阵进行方向余弦求解，进而求出四轮定位参数。本发明专利技术采用单目和双目标定结合的方式，基于透视学的方式和空间向量的两种基本原理，并对求解过程进行优化，精确的测量出车轮定位系统的各个参数。

A 3D four-wheel positioning detection method based on the optimization of single strain matrix

【技术实现步骤摘要】
一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法
本专利技术涉及车辆检修养护
，更具体地说，涉及一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法。
技术介绍
四轮定位仪装置是可以进行复杂运算的精密校准仪，专门用来对汽车的四轮定位参数进行检测，通过判定定位角度，来发现问题，从而能够确保汽车的各项性能正常。常规的四轮定位仪，在四轮定位参数求解过程中，运用传统的电子传感器，使得操作较复杂，速度慢，可能还会对外界造成一定的伤害。而较为先进的3D四轮定位仪在国外已得到较为广泛的使用，但进入中国的时间不长，其中的技术并不为生产厂家所真正了解也不稳定，所以在测量精度上就不能够得到保证，使得最终在定位角度结算上，出现很大的偏差。提高四轮定位参数求取的精准度，这对提高汽车在行驶过程中的安全性和操作稳定性尤为重要。经检索，中国专利号ZL201410661374.8，授权公告日为2017年1月18日，专利技术创造名称为：3D汽车车轮定位仪多相机标定系统及多相机标定方法，主要用于对3D汽车车轮定位仪多相机系统进行生产和维修现场标定。通过标定相机获取两个目标板的相对位置信息，两个测量相机各获取其中一个目标板的位置信息，最终计算出第二测量相机相对于第一测量相机的相对位置关系。但该申请案的标定方式单一，且标定内容较简单，标定的精度不高。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题基于现有的3D四轮定位仪技术发展不够完备的问题，本专利技术提供了一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法。采用计算机视觉中的双目立体视觉技术，对车轮标靶进行图像采集和处理，利用视差来计算对应点在三维空间的特征信息，提升了检测的精确度。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法的过程，包括以下几个步骤：步骤一、建立坐标系之间的关系，首先从图像物理坐标系到图像像素坐标系，再从摄像机坐标系到图像物理坐标系，最后从世界坐标系到摄像机坐标系，得到从世界坐标系到图像像素坐标系的转换关系，明确该关系中的内参矩阵、外参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵；步骤二、单目摄像机标定，使用大标靶并提取其上特征点，结合步骤一中坐标系之间的关系，得到单应性矩阵与摄像机的内外参数表达式之间的关系；步骤三、单应性矩阵的求解与配准优化，利用所有标靶上点与其像点能匹配的点，得到单应性矩阵的最优解，并利用RANSAC方法对单应性矩阵进一步配准优化；步骤四、旋转矩阵的求解，利用步骤三求出的单应性矩阵，结合由旋转矩阵性质推出的内参矩阵约束方程，求出内参矩阵中的参数，进而得到具体的旋转矩阵和平移矩阵；步骤五、旋转矩阵的优化，根据张正友对摄像机标定技术新研究的原理，对旋转矩阵采用奇异值分解的方法进行分解优化；步骤六、双目摄像机标定，使用两台摄像机通过上述步骤得到左右两台摄像机的内参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，将大标靶换成小标靶，双目标定得到标靶之间的相对位置关系，进而通过两个标靶的位置关系来求取两个摄像机之间的相对位置关系；步骤七、采取极大似然估计的方法对内参、外参以及两个摄像机的相对位置关系进行优化，让似然函数取最大值，即可以得到标定参数的最优解；步骤八、旋转矩阵的方向余弦求解，找到在3D空间中旋转前后向量之间的关系，结合旋转矩阵，得到旋转轴和主销轴的方向余弦；步骤九、根据立体几何的数学模型得到四轮定位参数表达式，利用步骤八求得的方向余弦，求出前束角、外倾角、主销内倾角和主销后倾角。本专利技术的方法主要有两部分，即双目摄像机标定以及从平面模板到摄像机坐标系的三维空间坐标转换。主要目的就是将摄像机所拍摄的图片还原为空间中目标物体，实现从二维坐标到三维坐标的转换，即最关键的部分。采用两个摄像机对目标靶进行拍摄，将所采集的图像进行图像处理，然后通过摄像机标定获取各个坐标系之间的结构关系，以及对标定结果的各个参数进行配准优化，获取最优的数据，最终进行四轮定位参数的求取。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：(1)本专利技术的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，结合单目摄像机标定和双目摄像机标定的方法，单目摄像机标定得到单个摄像机的内外参数，双目摄像机标定中，得到标靶之间的相对位置关系，进而得到两个摄像机的位置关系，通过两种标定方式结合的方法，利用视差来计算对应点的空间特征信息，减少求取四轮定位参数时的误差，能够更精确的去标定参数，提升标定的精确度。(2)本专利技术的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，采取单目、双目摄像机进行标定的方法，可以实现非接触、简单、快捷的获取世界坐标系下物体的三维坐标特征信息，另外，通过对旋转矩阵以及单应性矩阵的优化，能够更可能的选取符合条件的数据，使得到的有效数据更精准，更有利于求解四轮定位参数。(3)本专利技术的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，将摄像机所采集的图像信息传入到计算机进行图像处理，最终基于透视学的方式和空间向量的两种基本原理，计算对应点在三维空间的特征信息，测量出车轮定位系统的各个参数，该方法具有操作简便、稳定性高、方便快捷的特点，使得标定工作量大大减小，且缩小实验误差，提高标定精度，为四轮定位仪提供四轮参数的依据，保证了汽车在行驶过程中的安全性和操作稳定性，具有较高的实用价值。附图说明图1为本专利技术一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法的流程图；图2为安装在车轮上的标靶在计算中显示的标靶监视示意图。具体实施方式为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。实施例1本实施例的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其检测过程包括建立坐标系之间的关系、摄像机标定、单应性矩阵的求解与配准优化、旋转矩阵的求解与优化、旋转轴的方向余弦求解和四轮定位参数求解，具体步骤如下(参看图1)：步骤一、建立坐标系之间的关系所述的建立各个坐标系之间的关系，首先从图像物理坐标系到图像像素坐标系，再从摄像机坐标系到图像物理坐标系，最后从世界坐标系到摄像机坐标系，得到从世界坐标系到图像像素坐标系的转换关系，则它们之间的对应关系由公式(1)表示：其中，(u,v)所在的坐标系是理想图像像素坐标系，(x,y)所在的坐标系是实际图像物理坐标系，(Xc,Yc,Zc)所在的坐标系是摄像机所在的坐标系，(Xw,Yw,Zw)所在的坐标系是世界坐标系；dx和dy表示的是像素的实际长度和实际宽度，则1/dx和1/dy表示的是单位长度的像素个数，u0、v0是图像物理坐标系的原点在(u,v)图像像素坐标系下的位置；rij(i≤2,j≤2,且i,j∈N)是R的分量，R为3*3的正交旋转矩阵，ti(i＝x,y,z)是T的分量，T为平移矩阵；A为内参矩阵，其包含的fx、fy、u0、v0是摄像机的内部参数，B为外参矩阵，其包含的rij、ti是摄像机的外部参数。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于，其步骤为：/n步骤一、建立坐标系之间的关系，得到世界坐标系到图像像素坐标系的转换关系，明确该关系中的内参矩阵、外参矩阵；/n步骤二、使用标靶进行单目摄像机标定，结合步骤一中坐标系之间的关系，得到单应性矩阵与摄像机的内、外参数表达式之间的关系；/n步骤三、单应性矩阵的求解与配准优化，利用所有标靶上匹配的点，得到单应性矩阵的最优解，并利用RANSAC方法对单应性矩阵进一步配准优化；/n步骤四、旋转矩阵的求解，利用步骤三求出的单应性矩阵，结合由旋转矩阵性质推出的内参矩阵约束方程，求出内参矩阵中的参数，进而得到具体的旋转矩阵；/n步骤五、旋转矩阵的优化，对旋转矩阵采用奇异值分解的方法进行分解优化；/n步骤六、双目摄像机标定，利用步骤五中优化的旋转矩阵，求出标靶间的相对位置关系，进而求出两个摄像机之间的相对位置关系；/n步骤七、采取极大似然估计的方法对内参、外参以及两个摄像机的相对位置关系进行优化；/n步骤八、旋转矩阵的方向余弦求解，利用步骤七优化后的旋转矩阵，得到旋转轴和主销轴的方向余弦；/n步骤九、四轮定位参数求解，根据立体几何的数学模型得到四轮定位参数表达式，将方向余弦带入即可求得相关参数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一、建立坐标系之间的关系，得到世界坐标系到图像像素坐标系的转换关系，明确该关系中的内参矩阵、外参矩阵；
步骤二、使用标靶进行单目摄像机标定，结合步骤一中坐标系之间的关系，得到单应性矩阵与摄像机的内、外参数表达式之间的关系；
步骤三、单应性矩阵的求解与配准优化，利用所有标靶上匹配的点，得到单应性矩阵的最优解，并利用RANSAC方法对单应性矩阵进一步配准优化；
步骤四、旋转矩阵的求解，利用步骤三求出的单应性矩阵，结合由旋转矩阵性质推出的内参矩阵约束方程，求出内参矩阵中的参数，进而得到具体的旋转矩阵；
步骤五、旋转矩阵的优化，对旋转矩阵采用奇异值分解的方法进行分解优化；
步骤六、双目摄像机标定，利用步骤五中优化的旋转矩阵，求出标靶间的相对位置关系，进而求出两个摄像机之间的相对位置关系；
步骤七、采取极大似然估计的方法对内参、外参以及两个摄像机的相对位置关系进行优化；
步骤八、旋转矩阵的方向余弦求解，利用步骤七优化后的旋转矩阵，得到旋转轴和主销轴的方向余弦；
步骤九、四轮定位参数求解，根据立体几何的数学模型得到四轮定位参数表达式，将方向余弦带入即可求得相关参数。


2.根据权利要求1所述的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于：步骤一中，首先从图像物理坐标系到图像像素坐标系，再从摄像机坐标系到图像物理坐标系，最后从世界坐标系到摄像机坐标系，得到从世界坐标系到图像像素坐标系的转换关系，它们之间的对应关系由公式(1)表示：



其中，(u,v)所在的坐标系是理想图像像素坐标系，(x,y)所在的坐标系是实际图像物理坐标系，(Xc,Yc,Zc)所在的坐标系是摄像机所在的坐标系，(Xw,Yw,Zw)所在的坐标系是世界坐标系；1/dx和1/dy表示的是单位长度的像素个数，u0、v0是图像物理坐标系的原点在(u,v)图像像素坐标系下的位置；rij是R的分量，i≤2,j≤2,且i∈N,j∈N，R为3*3的正交旋转矩阵，ti是T的分量，i＝x、y、z，T为平移矩阵；A为内参矩阵，其包含的fx、fy、u0、v0是摄像机的内部参数，B为外参矩阵，其包含的rij、ti是摄像机的外部参数。


3.根据权利要求2的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于，步骤二中使用大标靶进行单目摄像机的标定，得到单应性矩阵与摄像机的内外参数表达式之间的关系：
1)提取特征点坐标对，设平面标靶上提取到的某一特征点坐标M＝(Xw,Yw,Zw,1)T，经过成像后的图像像素坐标为m＝(u,v,1)T，根据从世界坐标系到图像坐标系的映射关系，则它们之间对应的关系用公式(2)表示：



其中H为单应性矩阵，是世界坐标系到图像像素坐标系的映射矩阵，ri为R的列向量，i＝0、1、2，t为平移向量，且建立在二维标靶平面上的世界坐标系Z轴等于0，则有Zw＝0；
2)由公式(2)，可以推导得到公式(3)：



其中Hij是单应性矩阵H的分量，i≤3,j≤3,且i∈z*,j∈z*。


4.根据权利要求3的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于，步骤三中单应性矩阵求解与优化，其包括以下步骤：
1)由图像坐标系与世界坐标系映射关系得公式(4)：



其中(xi',yi')属于图像像素坐标系，(xi,yi)属于平面标靶，这些点一一对应，i＝1,2,3……N；
2)令zi'＝1，zi＝1，把公式(4)化简移项后，可以得到，一个特征点对应H的两个方程，即N个特征点可以得到2N个关于H的方程，得公式(5)：



其中H是3×3的矩阵方程，有九个未知参数，而一个特征点对应两个方程，4个特征点对应8个方程，加上由公式(4)得到的H31xi+H32yi+H33＝1这个方程，共有九个方程，则可求解出H，使用所有平面标靶上点与像点相匹配的点来得到H的最优值解；
3)根据公式(5)可知，运用所有的匹配的特征点来求解H的最优解时，采用RANSAC方法来确定点m→M关联的最优单应性矩阵H，主要步骤为：
通过运用所有匹配的特征点，从检测到的点中随机抽取4个特征点组成八个方程，计算出单应性矩阵；然后在满足估计的算法公式sm＝HM情况下，计算出特征点M对应的HM；进而求出m和HM之间的误差Φ，将Φ与一定的阈值相比较，如果Φ小于阈值，则计数值累计加1，如果计数值大于等于3，则保留原该组中的特征点和计算出的对应单应性矩阵H；根据以上步骤去筛选其他特征点；最后通过重复执行相关步骤后，匹配得到最适合的单应性关系。


5.根据权利要求4的一种基于单应性矩阵优化的3D四轮定位检测方法，其特征在于，步骤三中旋转矩阵的求解包括以下步骤：
1)根据旋转矩阵的性质，r0T·r1＝0和||r0||＝1＝||r1||，得到内参矩阵的两个约束方程，分别为H1TA-T·A-1H1＝H2TA-T·A-1H2和H1TA-T·A-1H2＝0，H1和H2是单应性矩阵H的列向量，根据约束方程可以求出内参矩阵A里面的参数u0、v0、fx和fy，内参矩阵和单应性矩阵之间的关系由公式(6)表示：



2)根据λ＝1/||A-1H1||＝1/||A-1H2||，结合公式(6)，推导得到系数λ、λ1和λ2的参数表达式公式(7)：



3)根据已知的内参以及系数λ，求得旋转矩阵R和平移矩阵T内具体分量的表达式，由公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志峰，汪丹，鲍李俊，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34