一种基于角度约束的空间圆姿态识别二义性消除方法技术

本发明专利技术公开了一种基于角度约束的空间圆姿态识别二义性消除方法，包括：通过标定得到摄像机的内部参数；获取摄像机拍摄空间圆得到的测量图像，处理得到测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点，并计算得到在摄像机坐标系下空间圆的圆心坐标和空间圆所在平面的法向量，进而得到与测量图像上的几何元素所对应的空间几何元素的表达式；根据空间几何元素的表达式，以及已知的空间角度约束，确定空间圆所在平面的真实法向量。本发明专利技术通过引入与空间圆所在的平面共面的几何元素，基于角度约束，有效的消除了空间圆姿态识别中的二义性问题，提高了空间圆姿态识别的实用性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空间物体的位姿测量技术，尤其涉及。
技术介绍
通过单幅图像进行空间物体位姿测量的问题是机器视觉领域中一个基本而重要的问题，在视觉导航、机器人定位、物体识别、视觉监控和工业测量等方面都有着广泛而重要的应用。所谓位姿测量指的是，在摄像机已标定的条件下，通过空间三维基元(如点和直线等)与图像二维基元之间的对应关系，求得摄像机坐标系与物体坐标系之间的刚体变换关系，从而能够得到物体在摄像机坐标系中的位置和姿态。 目前常用的位姿定位方法主要包括基于空间点到图像点对应的定位方法和基于空间直线到图像直线对应的定位方法。相比较而言，基于空间直线到图像直线对应的定位方法抗噪声能力较强，从而具有更好的鲁棒性。所谓鲁棒性就是指系统的健壮性，鲁棒性是在异常和危险情况下系统生存的关键。 由于圆是物体的基本几何形状，在许多自然景物和人造物体中大量存在，如各种工件、零部件的定位孔等。基于单个圆进行空间位姿测量的视觉检测技术，综合运用了电子学，光电探测，图像处理和计算机技术，实现对物体的空间定位，具有非接触，速度快，柔性好以及自动化程度高等优点，具有广泛而重要的应用前景。另外，基于圆特征的空间位姿测量方法较点、线等特征，具有抗遮挡、鲁棒性强的特点，并且可以得到空间物体位姿的闭式解，避免了基于点、线定位过程中复杂、耗时的非线性优化过程，使得测量简单快速。 现有技术中存在一种基于虚圆点的方式利用单个空间圆进行空间物体定位的方法，但是该方法需要求解高次二元方程组，在计算上复杂且易于受到噪声的影响；并且基于圆特征的空间位姿测量方法，由于圆提供的约束太少，从而无法消除在空间物体定位过程中产生的二义性问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供，以解决现有的空间单个圆姿态识别方法存在二义性的问题。 为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的 本专利技术提供了，包括 对摄像机进行标定，得到摄像机的内部参数； 获取所述摄像机拍摄空间圆得到的测量图像，并对所述测量图像进行处理，获取所述测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点； 根据得到的所述摄像机内部参数、测量图像中的椭圆边缘点，拟合椭圆曲线的方程，计算得到在摄像机坐标系下空间圆的圆心坐标和空间圆所在平面的法向量； 根据所述空间圆的圆心在摄像机坐标系下的坐标、空间圆所在平面在摄像机坐标系下的法向量，以及测量图像中几何元素的特征点，计算得到与所述几何元素对应的空间几何元素的表达式； 根据空间几何元素的表达式，以及空间角度约束，确定空间圆所在平面的真实法向量。 所述几何元素为与所述空间圆所在平面共面的两条不重合直线。 根据张正友平面法对所述摄像机进行标定。 通过Hessian矩阵法对所述测量图像进行处理，得到所述测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点。 所述计算得到与几何元素对应的空间几何元素的表达式，具体包括 根据所述几何元素的表达式得到所述几何元素的投影平面的方程； 根据所述空间圆的圆心在摄像机坐标系下的坐标，以及所述空间圆所在平面在摄像机坐标系下的法向量，确定空间中的两个平面； 根据所确定的两个平面的方程，以及所述投影平面的方程，分别得到两组空间几何元素的表达式。 本专利技术所提供的基于形状特征的空间圆姿态识别二义性消除方法，通过标定得到摄像机的内部参数；获取摄像机拍摄空间圆得到的测量图像，处理得到测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点，并计算得到在摄像机坐标系下空间圆的圆心坐标和空间圆所在平面的法向量，进而得到与测量图像上的几何元素所对应的空间几何元素的表达式；根据空间几何元素的表达式，以及已知的空间角度约束，确定空间圆所在平面的真实法向量。本专利技术通过引入与空间圆所在的平面共面的几何元素，基于角度约束，有效的消除了空间圆姿态识别中的二义性问题，提高了空间圆姿态识别的实用性和可靠性。 附图说明 图1为本专利技术的流程图； 图2为本专利技术中数字二维平面靶标的示意图； 图3为本专利技术中空间圆姿态识别的示意图； 图4为本专利技术中位姿角与法向量的关系示意图； 图5为本专利技术实施例中的第一幅标定图像； 图6为本专利技术实施例中的第二幅标定图像； 图7为本专利技术实施例中的第三幅标定图像； 图8为本专利技术实施例中的第四幅标定图像； 图9为本专利技术实施例中的第五幅标定图像； 图10为本专利技术实施例中生成的数字圆图像的示意图； 图11为本专利技术实施例中经过图像处理得到图像平面上的椭圆和直线的示意图； 图12为本专利技术实施例中分离出的椭圆和平行直线的示意图。 具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案进一步详细阐述。 本专利技术所提供的，如图1所示，分为标定阶段和测量阶段。 标定阶段 步骤101，对摄像机进行标定，得到摄像机的内部参数。 具体操作为1)设定靶标，靶标为计算机生成的数字二维平面靶标，如图2所示，靶标上具有棋盘状黑白相间的方块，且靶标上有预先设置的特征点。 选取图2中靠近中心的白色方块顶点为特征点，共14×18个特征点，当然，特征点的行列数可以根据实际需要进行选取，并且在对摄像机进行标定时也可以自由选取所需的特征点数量，选择的特征点尽量均匀分布在整个标定图像中。图2中，黑白方块的边长均为50像素，当然，黑白方块的边长均可根据实际需要进行设定。 2)固定好单目视觉传感器，打开摄像机的电源。 3)在摄像机的视场范围内，自由移动靶标至少5个位置，每移动一个位置，由摄像机拍摄一幅图像并存储到计算机中，本专利技术中将标定过程中摄像机拍摄的图像称为标定图像，并且要求标定图像含有尽可能多的靶标特征点，移动过程中平面靶标的位置之间尽量不要平行。 4)提取所有标定图像中黑色方块顶点的图像坐标，并将其与靶标的世界坐标存储到计算机中。 5)根据张正友平面法(具体实现步骤见Zhangzhengyou.“A flexible newtechnique for camera calibration.”MS Technical Report.Dec.21998)标定摄像机，得到摄像机的内部参数，并存储到计算机中。 需要指出的是，对摄像机的标定操作只需进行一次即可，但是需要保证在测量过程中，摄像机的位置固定，并且没有明显的震动，否则，需要重新进行摄像机标定。同时，若两次测量时间间隔过长，则也有必要对摄像机进行重新标定。 测量阶段 步骤102，获取摄像机拍摄空间圆得到的测量图像，并通过Hessian矩阵法(具体实现步骤见Steger C.Unbiased Extraction of Curvilinear Structures from2D and 3D images.Dissertation.1998)对测量图像进行处理，获取测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点。 其中，测量图像是将被测物体至于单目视觉传感器的测量空间内，并由摄像机拍摄空间圆所得到的图像。几何形状可以为共面的正交直线，也可以为共面的平行直线，当然，还可以根据实际需要，采用具备其他几何特征的几何形状。 步骤103，根据得到的摄像机内部参数、测量图像中的椭圆边缘点和几何形状的边缘点，并通过Safaree-Rad(具体实现步骤见Reza Safaee-R本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于角度约束的空间圆姿态识别二义性消除方法，其特征在于，包括：　对摄像机进行标定，得到摄像机的内部参数；　获取所述摄像机拍摄空间圆得到的测量图像，并对所述测量图像进行处理，获取所述测量图像中的椭圆边缘点和几何元素的特征点；　根据得到的所述摄像机内部参数、测量图像中的椭圆边缘点，拟合椭圆曲线的方程，计算得到在摄像机坐标系下空间圆的圆心坐标和空间圆所在平面的法向量；　根据所述空间圆的圆心在摄像机坐标系下的坐标、空间圆所在平面在摄像机坐标系下的法向量，以及测量图像中几何元素的特征点，计算得到与所述几何元素对应的空间几何元素的表达式；　根据空间几何元素的表达式，以及空间角度约束，确定空间圆所在平面的真实法向量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏振忠，赵征，张广军，王巍，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[]