一种基于图像的球形物体位姿确定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于图像的球形物体位姿确定方法及系统，所述方法包括：获取球形物体的图像中的斑点信息；根据斑点信息确定两个面积较大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点；构建目标三棱锥；将目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配，并采用投票法确定每个所述目标大斑点的编号；根据每个目标大斑点的编号确定每个目标大斑点的初始位置坐标；根据两个目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定球形物体的当前位姿。本发明专利技术采用三棱锥匹配的方式实现球形物体位姿的确定，不受经纬度划分精度的限制，提高了球形物体位姿确定的精度。提高了球形物体位姿确定的精度。提高了球形物体位姿确定的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像的球形物体位姿确定方法及系统


[0001]本专利技术涉及位姿测量
，特别是涉及一种基于图像的球形物体位姿确定方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的球形物体的定位方式通常采用经纬度的方式，该方法的位姿确定的精度取决于经纬度划分的精度，可见该方法的位姿确定的精度有限。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于图像的球形物体位姿确定方法及系统，以提高球形物体的位姿确定的精度。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种基于图像的球形物体位姿确定方法，所述方法包括如下步骤：
[0006]获取球形物体的图像中的斑点信息；所述球形物体上标记有多个大斑点和多个小斑点；
[0007]根据所述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个所述目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点；
[0008]以两个所述目标大斑点作为底面的两个顶点，以球形物体的球心作为底面之外的顶点，并分别以每个所述目标小斑点作为底面的另外一个顶点，构建目标三棱锥，获得多个目标三棱锥；
[0009]分别将每个所述目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配，获得与每个目标三棱锥向匹配的三棱锥的两个大斑点的编号组合；所述数据库中存储有每个大斑点的编号、初始位置坐标，及任意两个大斑点与任意一个小斑点分别作为底面的三个顶点，球形物体的球心作为底面之外的顶点构建的三棱锥，组成同一个三棱锥的两个大斑点和一个小斑点按照大斑点、大斑点、小斑点的顺序呈顺时针排列；
[0010]采用投票统计的方式确定两个所述目标大斑点对应的编号组合，进而确定每个所述目标大斑点的编号；
[0011]根据每个所述目标大斑点的编号确定每个所述目标大斑点的初始位置坐标；
[0012]根据两个所述目标大斑点在图像中的位置信息，确定每个所述目标大斑点的当前位置坐标；
[0013]根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定所述球形物体的当前位姿。
[0014]可选的，所述根据所述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个所述目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点，具体包括：
[0015]采用如下公式，对图像中的斑点的图像测量面积进行修正，获得修正后的面积；
[0016][0017]其中，S'表示修正后的面积，S表示图像测量面积，θ为斑点的中心点相对于XOZ平面的梯度方向与XOZ平面的夹角，R为球形物体的半径，x和z分别为斑点的中心点的x轴坐标和z轴坐标；
[0018]对大于2倍的图像测量面积的修正后的面积进行二次修正，获得二次修正后的面积；所述二次修正后的面积等于2倍的图像测量面积；
[0019]分别将斑点的修正后的面积或二次修正后的面积作为所述斑点的标准面积；
[0020]选取标准面积最大的两个斑点，作为两个所述目标大斑点，并确定除了两个所述目标大斑点之外的斑点作为目标小斑点。
[0021]可选的，所述根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定所述球形物体的当前位姿，具体包括：
[0022]利用如下方程求解球形物体的旋转矩阵；
[0023][0024][0025](P
t1
'
‑
P
t0
)
×
(P
t2
'
‑
P
t0
)＝R
M
[(P
t1
‑
P
t0
)
×
(P
t2
‑
P
t0
)]；
[0026]其中，P
t1
'和P
t2
'分别为两个目标大斑点的当前位置坐标，P
t1
和P
t2
分别为两个目标大斑点的初始位置坐标，R
M
表示球形物体的旋转矩阵，P
t0
表示球形物体的球心坐标；
[0027]根据球形物体的旋转矩阵，利用如下公式确定球形物体的当前齐次矩阵，即为球形物体的当前位姿；
[0028][0029][0030]其中，r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
和r
33
均为球形物体的旋转矩阵中的元素，H为球形物体的当前齐次矩阵。
[0031]可选的，所述获取球形物体的图像中的斑点信息，之前还包括：
[0032]将球形物体等效为阿基米德多面体；
[0033]在所述阿基米德多面体的正六边形的中心位置设置大斑点；
[0034]在所述阿基米德多面体的正六边形或正五边形的至少一个中心线上设置小斑点；所述中心线为连接正六边形或正五边形的中心点和端点的线段。
[0035]一种基于图像的球形物体位姿确定系统，所述系统包括：
[0036]斑点信息获取模块，用于获取球形物体的图像中的斑点信息；所述球形物体上标记有多个大斑点和多个小斑点；
[0037]目标斑点选取模块，用于根据所述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个所述目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点；
[0038]目标三棱锥构建模块，用于以两个所述目标大斑点作为底面的两个顶点，以球形物体的球心作为底面之外的顶点，并分别以每个所述目标小斑点作为底面的另外一个顶点，构建目标三棱锥，获得多个目标三棱锥；
[0039]编号组合确定模块，用于分别将每个所述目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配，获得与每个目标三棱锥向匹配的三棱锥的两个大斑点的编号组合；所述数据库中存储有每个大斑点的编号、初始位置坐标，及任意两个大斑点与任意一个小斑点分别作为底面的三个顶点，球形物体的球心作为底面之外的顶点构建的三棱锥，组成同一个三棱锥的两个大斑点和一个小斑点按照大斑点、大斑点、小斑点的顺序呈顺时针排列；
[0040]目标大斑点的编号确定模块，用于采用投票统计的方式确定两个所述目标大斑点对应的编号组合，进而确定每个所述目标大斑点的编号；
[0041]初始位置坐标确定模块，用于根据每个所述目标大斑点的编号确定每个所述目标大斑点的初始位置坐标；
[0042]当前位置坐标确定模块，用于根据两个所述目标大斑点在图像中的位置信息，确定每个所述目标大斑点的当前位置坐标；
[0043]当前位姿确定模块，用于根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定所述球形物体的当前位姿。
[0044]可选的，所述目标斑点选取模块，具体包括：
[0045]修正子模块，用于采用如下公式，对图像中的斑点的图像测量面积进行修正，获得修正后的面积；
[0046][0047]其中，S'本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像的球形物体位姿确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：获取球形物体的图像中的斑点信息；所述球形物体上标记有多个大斑点和多个小斑点；根据所述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个所述目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点；以两个所述目标大斑点作为底面的两个顶点，以球形物体的球心作为底面之外的顶点，并分别以每个所述目标小斑点作为底面的另外一个顶点，构建目标三棱锥，获得多个目标三棱锥；分别将每个所述目标三棱锥与数据库中的三棱锥进行匹配，获得与每个目标三棱锥向匹配的三棱锥的两个大斑点的编号组合；所述数据库中存储有每个大斑点的编号、初始位置坐标，及任意两个大斑点与任意一个小斑点分别作为底面的三个顶点，球形物体的球心作为底面之外的顶点构建的三棱锥，组成同一个三棱锥的两个大斑点和一个小斑点按照大斑点、大斑点、小斑点的顺序呈顺时针排列；采用投票统计的方式确定两个所述目标大斑点对应的编号组合，进而确定每个所述目标大斑点的编号；根据每个所述目标大斑点的编号确定每个所述目标大斑点的初始位置坐标；根据两个所述目标大斑点在图像中的位置信息，确定每个所述目标大斑点的当前位置坐标；根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定所述球形物体的当前位姿。2.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法，其特征在于，所述根据所述斑点信息确定两个面积最大的斑点作为两个目标大斑点，除了两个所述目标大斑点之外的斑点均作为目标小斑点，具体包括：采用如下公式，对图像中的斑点的图像测量面积进行修正，获得修正后的面积；其中，S'表示修正后的面积，S表示图像测量面积，θ为斑点的中心点相对于XOZ平面的梯度方向与XOZ平面的夹角，R为球形物体的半径，x和z分别为斑点的中心点的x轴坐标和z轴坐标；对大于2倍的图像测量面积的修正后的面积进行二次修正，获得二次修正后的面积；所述二次修正后的面积等于2倍的图像测量面积；分别将斑点的修正后的面积或二次修正后的面积作为所述斑点的标准面积；选取标准面积最大的两个斑点，作为两个所述目标大斑点，并确定除了两个所述目标大斑点之外的斑点作为目标小斑点。3.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法，其特征在于，所述根据两个所述目标大斑点的当前位置坐标和初始位置坐标，确定所述球形物体的当前位姿，具体包括：利用如下方程求解球形物体的旋转矩阵；
(P
t1
'
‑
P
t0
)
×
(P
t2
'
‑
P
t0
)＝R
M
[(P
t1
‑
P
t0
)
×
(P
t2
‑
P
t0
)]；其中，P
t1
'和P
t2
'分别为两个目标大斑点的当前位置坐标，P
t1
和P
t2
分别为两个目标大斑点的初始位置坐标，R
M
表示球形物体的旋转矩阵，P
t0
表示球形物体的球心坐标；根据球形物体的旋转矩阵，利用如下公式确定球形物体的当前齐次矩阵，即为球形物体的当前位姿；体的当前位姿；其中，r
11
、r
12
、r
13
、r
21
、r
22
、r
23
、r
31
、r
32
和r
33
均为球形物体的旋转矩阵中的元素，H为球形物体的当前齐次矩阵。4.根据权利要求1所述的基于图像的球形物体位姿确定方法，其特征在于，所述获取球形物体的图像中的斑点信息，之前还包括：将球形物体等效为阿基米德多面体；在所述阿基米德多面体的正六边形的中心位置设置大斑点；在所述阿基米德多面体的正六边形或正五边形的至少一个中心线上设置小斑点；所述中心线为连接正六边形或正五边形的中心点和端点的线段。5.一种基于图像的球形物体位姿确定系统，其特征在于，所述系统包括：斑点信息获取模块，用于获取球形物体的图像中的斑点信息；所述球形物体上...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟偲，任龙飞，冯飞，齐巍，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：