本發(fā)明涉及圖像定位方法
技術領域：
，具體的說是基于圓錐投影變換的單目視覺空間定位方法。
背景技術：
：隨著傳感器技術、計算機技術以及圖像處理技術的快速發(fā)展，基于視覺的定位技術在機器人的導航、工業(yè)機器人的目標定位以及虛擬現(xiàn)實中得到了越來越廣泛的應用，成為一門快速發(fā)展的新型學科。視覺系統(tǒng)通常分為單目視覺系統(tǒng)和雙目視覺系統(tǒng)，單目視覺由于損失深度信息通常用于二維測量，雙目視覺系統(tǒng)利用兩個攝像機的視差可進行三維測量。單目視覺單幅圖像避免了多幅圖像需要匹配算法確定特征點對應關系的問題，若能通過輔助設備或設計達到三維位姿測量的目的，將會得到廣泛的應用。將參數(shù)已知的幾何圖形作為定位目標，利用幾何圖形在空間中投影變換的規(guī)律增加約束條件實現(xiàn)三維位姿的求取是單目視覺三維位姿測量的有效方法。將標準圓作為定位目標，通過解算其在成像過程中的投影變換關系實現(xiàn)三維位姿的求取操作簡單、魯棒性強，具有很高的工程應用價值。技術實現(xiàn)要素：針對上述技術的缺陷，本發(fā)明提出基于圓錐投影變換的單目視覺空間定位方法。基于圓錐投影變換的單目視覺空間定位方法，其特征在于，具體包括以下步驟：(1)構造圓形目標，將黑白色塊呈輻射狀均勻交替，并使得圓心位置明顯，并預先得出圓形半徑；(2)攝像機在任意姿態(tài)下拍攝圓形目標，所得圖像為橢圓，提取其圓周點群和圓心的像素坐標；(3)根據(jù)圓周圖像，建立頂點為攝像機光心，底邊為橢圓周的斜橢圓錐模型及方程表達，進而將斜橢圓錐表達映射為直橢圓錐表達；(4)基于直橢圓錐中的幾何關系，利用圓形目標的半徑約束求得攝像機光心與圓心的距離，進一步利用圓心約束求得圓心在攝像機坐標系中的空間坐標。步驟(3)中所述的建立頂點為攝像機光心，底邊為橢圓周的斜橢圓錐模型及方程表達，進而將斜橢圓錐表達映射為直橢圓錐表達的算法為：圖像坐標系是以像素為單位建立的直接坐標系,令(ui,vi)為圓周點群的圖像坐標，其中i＝1,2,3...n，n為圓周點的總個數(shù)；攝像機坐標系是原點在光心、建立XOY平面，并與成像平面平行、設Z軸為攝像機光軸的空間坐標系，設O-XcYcZc為攝像機坐標系，令P1為成像平面，令(xi,yi,1)為圓周點群的圖像坐標經(jīng)轉換得到的齊次攝像機坐標，圓周點群在圖像中呈現(xiàn)為橢圓，攝像機光心與該橢圓周形成一個斜橢圓錐，斜圓錐的母線即為光線投射方向；沿光線投射方向將該斜橢圓錐映射為直橢圓錐，首先調節(jié)zci的值，將所有光線的長度縮放為相等長度α0，得到變換后的圓周點群坐標(xci,yci,zci)，其中且α0為不為零的任意值，求取上述圓周點群的坐標平均值作為直橢圓錐底面的中心O0；然后將攝像機坐標系Z軸旋轉至OO0，形成新的攝像機坐標系O-X′cY′cZ′c，將圓周點群的齊次坐標(xi,yi,1)旋轉變換至O-X′cY′cZ′c中，并調節(jié)z'ci的值，使所有點Z′c軸坐標一致，即可得變換后的圓周點群坐標(x'ci,y'ci,z'ci)，其中z'ci＝χ0，則變換后的點都位于新的成像平面P′1上，P′1與成像光線的交點則形成橢圓，該橢圓的圓周與攝像機光心形成直橢圓錐。3、步驟(4)中所述的基于直橢圓錐中的幾何關系，利用圓形目標的半徑約束求得攝像機光心與圓心的距離，進一步結合圓心約束求得其在攝像機坐標系中的空間坐標坐標具體算法：定義光心和橢圓長軸形成的平面為長軸平面，光心與橢圓短軸形成的平面為短軸平面，O1為長軸平面與圓形目標交線的中點，O2為圓形目標的圓心，r為圓形目標的半徑，O1O2的距離為a，令A、B分別為短軸平面內(nèi)的兩條母線與圓形目標的切點，令∠OAB＝γ，α為長軸平面等腰三角形的底角，β為短軸平面等腰三角形的底角，則在光心與橢圓長軸形成的平面中有如下關系：利用式(1)、式(2)求得γ的值后，在ΔOAB中利用正弦公式求得OA的長，計算過程如下：再在ΔOO2A中利用余弦公式求得OO2，計算過程如下：OO2＝r2+|OA|2-2r|OA|cosγ(4)解式(3)、式(4)求得OO2的距離，依據(jù)圓形目標圓心的攝像機坐標(xo,yo,1)求得圓心在實際的攝像機坐標系中的坐標：所述χ0為2倍物距至5倍物距。所述直橢圓錐底面的中心O0的計算過程如下：所述圓周點群坐標(x'ci,y'ci,z'ci)的求取計算步驟如下所示:R＝R2R1(10)利用點X′c擬合橢圓可得：本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是僅通過一臺攝像機即可定位空間中的物體，具有良好的經(jīng)濟性；利用圓在空間中投影變換的幾何關系計算空間物體位姿，計算簡單，運算時間短。附圖說明下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖；圖2是本發(fā)明的實施流程圖；圖3是本發(fā)明的計算模型圖；圖4是本發(fā)明的空間投影關系示意圖；圖5是本發(fā)明的幾何關系示意圖。具體實施方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面對本發(fā)明進一步闡述。如圖1所示，實現(xiàn)所述空間定位方法涉及的硬件有攝像機3，平面標靶1以及圓形目標2。其中攝像機3已標定，4個圓形目標2均勻固定在空間物體1的平面上，圓心呈正方形頂點分布。應用時，攝像機采集圓形目標的圖像，通過所述方法求得各個圓形目標的空間坐標后，擬合成圓形目標所在的平面，即可求得圓形目標的空間姿態(tài)。本發(fā)明提出的基于圓錐投影變換的單目視覺空間定位方法中，單目攝像機一次拍攝含約束的圓形目標圖像，即可獲得攝像機與圓形目標之間的空間位置關系，如圖2所示，包括以下步驟：(1)構造圓形目標，其特征為黑白色塊呈輻射狀均勻交替，圓心位置明顯，圓形半徑已知；(2)攝像機在任意姿態(tài)下拍攝圓形目標所得圖像為橢圓，提取其圓周點群和圓心的像素坐標；(3)建立頂點為攝像機光心，底邊為橢圓周的斜橢圓錐模型及方程表達，然后將斜橢圓錐表達映射為直橢圓錐表達，具體算法為：圖像坐標系以像素為單位建立的直接坐標系，(ui,vi)為圓周點群的圖像坐標(i＝1,2,3...n，n為圓周點的總個數(shù))，攝像機坐標系是原點在光心、XOY平面與成像平面平行、Z軸為攝像機光軸的空間坐標系，設O-XcYcZc為攝像機坐標系，P1為成像平面，(xi,yi,1)為圓周點群的圖像坐標轉換得到的齊次攝像機坐標，圓周點群在圖像中呈現(xiàn)為橢圓，攝像機光心與該橢圓形成一個斜橢圓錐，斜橢圓錐的母線即為光線投射方向；沿光線投射方向將該斜橢圓錐映射為直橢圓錐，首先調節(jié)zci的值，將所有光線的長度縮放為相等長度α0，得到變換后的圓周點群坐標(xci,yci,zci)(即且α0為不為零的任意值)，求取上述圓周點群的坐標平均值作為直橢圓錐底面的中心O0，計算過程如下：然后將攝像機坐標系Z軸旋轉至OO0，形成新的攝像機坐標系O-X′cY′cZ′c，將圓周點群的齊次坐標(xi,yi,1)旋轉變換至O-X′cY′cZ′c中，并調節(jié)z'ci的值，使所有點Z′c軸坐標一致，即可得變換后的圓周點群坐標(x'ci,y'ci,z'ci)(即z'ci＝χ0，χ0約為2倍物距至5倍物距為佳)，則變換后的點都位于新的成像平面P1'上，P1'與成像光線的交點則形成橢圓，該橢圓周與攝像機光心則形成直橢圓錐，計算步驟如下所示:R＝R2R1利用點X′c擬合橢圓可得：(4)基于直橢圓錐中的幾何關系，利用圓形目標的半徑約束求得攝像機光心與圓心的距離，進一步利用圓心約束求得其在攝像機坐標系中的空間坐標坐標具體算法：如圖4、圖5所示，定義光心和橢圓長軸形成的平面為長軸平面，光心與橢圓短軸形成的平面為短軸平面，O1為長軸平面與圓形目標交線的中點，O2為圓形目標的圓心，r為圓形目標的半徑，O1O2的距離為a，A、B分別為短軸平面內(nèi)的兩條母線與圓形目標的切點，令∠OAB＝γ，α為長軸平面等腰三角形的底角，β為短軸平面等腰三角形的底角，則在光心與橢圓長軸形成的平面中有如下關系：利用上式求得γ的值后，在ΔOAB中利用正弦公式可求得OA的長，再在ΔOO2A中利用余弦公式求得OO2，計算過程如下：OO2＝r2+|OA|2-2r|OA|cosγ解上式求得OO2的距離，依據(jù)圓形目標圓心的攝像機坐標(xo,yo,1)求得圓心在實際的攝像機坐標系中的坐標：實施例一：在空間的平板上布置4個圓形目標，4個圓形目標的圓心為邊長為50mm的正方形的4個頂點。將攝像機固定，將平板放置在攝像機的視場內(nèi)，然后將平板沿任意一條邊線分別旋轉0°、10°、20°、30°，并捕獲各位姿的圖像。按照本發(fā)明提供的方法實施各個步驟，所得圓形目標的坐標以及相鄰兩個位姿之間的夾角如表1所示，每幅圖像中的圓形目標圓心可形成邊長約為50mm的正方形，相鄰兩個位姿的法向夾角為10°，根據(jù)表1的結構可知，本發(fā)明提供的方法具有高可靠性。表1驗證實驗結果0°10°標記1(-24.6581,23.8483,150.8)(-25.3319,-23.3091,146.234)標記2(-25.6738,-25.3295,160.316)(-24.278,24.9297,144.725)標記3(25.513,-26.2338,166.441)(25.1083,27.3183,156.171)標記4(24.6698,25.2593,159.465)(26.2765,-24.2031153.063)邊長(50.1003,51.5607,51.9704,50.1031)(48.2739,50.7516,51.6283,52.066)夾角0°10.1522°20°30°標記1(-24.0413,-20.0446,131.852)(-23.9375,-12.2803,116.544)標記2(-23.8324,25.9062,139.387)(-23.5742,29.4638,133.972)標記3(25.462,29.3033,151.251)(25.493,32.7866,145.712)標記4(28.1308,-20.6534,142.782)(28.2491,-13.2206,130.999)邊長(46.5649,50.8157,50.7398,53.3081)(45.2374,50.5613,48.3809,54.1595)夾角9.3908°10.0179°以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。當前第1頁1 2 3