基于全局單應(yīng)矩陣的單目視覺測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于單目視覺測量與單應(yīng)矩陣標定的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于全局 單應(yīng)矩陣的單目視覺測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為典型的非接觸式傳感器，視覺傳感器具有信息豐富、可靠性高等優(yōu)點，從而得 到了廣泛的應(yīng)用。為了測量物體的位姿，單目視覺和立體視覺通常被認為是比較有效的測 量工具[1]。通常來說，單目視覺測量方法是利用目標點間固有的幾何約束關(guān)系進行求解 巧]，而雙目立體視覺測量方法，是通過對同一目標點在兩臺攝像機中的成像進行交會H角 計算，從而得到目標點在測量坐標系下的H維坐標巧，4]。雙目視覺測量設(shè)備受到視場范圍 的限制[5]，只能測量兩攝像機視野重疊的部分，測量范圍小并且短。而單目視覺測量系統(tǒng) 不受視場范圍的限制，可W通過變換焦距，在所需測量范圍W及測量距離內(nèi)測量祀標的空 間位置姿態(tài)[6]。此外，單目視覺測量具有結(jié)構(gòu)簡單、標定步驟少等優(yōu)點。
[0003] 單目視覺測量方法可W利用多種特征點，例如點特征、線特征W及其他的高級幾 何特征[7]。相對而言，目前對基于點特征的單目視覺測量方法研究較多。點特征定位 又稱為 PnP(Perspective n-Points Problem)問題，它是在 1981 年首先由 Fischler 和 Bolles閒提出的。給定n(n > 3)個H維參考點和它們相應(yīng)的二維圖像坐標，PnP問題的 目標就是獲得攝像機的位置和姿態(tài)巧][10]。在過去的十幾年里，針對不同數(shù)目的特征點， 很多學(xué)者對化P問題進行了大量的研究工作（從至少3個點，到一般化的n個點）。文獻 [山、文獻[12]等對P3P問題進行了系統(tǒng)的研究，文獻[13]對P4P和P5P問題也進行了研 究，文獻[14]、[15]、[16]等對于一般化的PnP(n > 4)問題提出了一些線性方法。在文獻 [17]、[1引中，消影點和平行直線被用于解決視覺測量問題，但是該些方法會受到場景的限 巧||，因為很多場景中不包含足夠多的平行直線。利用場景約束，文獻[19, 20]利用一幅未標 定的圖像進行H維場景的重建。
[0004] 在一些應(yīng)用中，靜止或者運動的被測目標點均位于特定高度的同一水平面上。在 該種情況下，可W利用該平面約束，進行單應(yīng)矩陣標定來解決視覺測量問題。文獻[9]指 出，單應(yīng)矩陣表示兩平面間的可逆齊次變換巧1]。一旦該單應(yīng)矩陣被標定，我們可W直接將 一個平面上圖像坐標映射到目標平面上的坐標。
[0005] 為了對圖像平面與視野平面之間的單應(yīng)矩陣進行標定，我們通常將一個標定板放 置在攝像機視野范圍內(nèi)。文獻巧2]利用一個特定的模板來標定攝像機外參數(shù)，但是標定 精度有待于提高。文獻巧3]雖然獲得了較高的標定精度，但是它需要復(fù)雜的實驗設(shè)備來 保證標定性能。根據(jù)標定板與其在圖像平面上的點的對應(yīng)關(guān)系，通過線性估計和非線性優(yōu) 化巧4]，可W標定得到一個單應(yīng)矩陣。為了保證標定精度，通常需要標定板足夠大，最好能 夠覆蓋整個攝像機視野范圍。然而，在很多應(yīng)用中，攝像機的視野范圍遠遠大于標定板的大 小。在該種情況下，由于缺乏整個視野范圍內(nèi)的標定數(shù)據(jù)，得到的單應(yīng)矩陣僅僅在標定板放 置的局部區(qū)域內(nèi)標定精度高。而且，由于攝像機鏡頭的崎變，不同區(qū)域內(nèi)，圖像崎變情況不 一樣。通過w上分析，我們知道，如果我們只將標定板放在一個位置處標定得到一個單應(yīng)矩 陣，其在整個視野范圍內(nèi)的平均測量誤差會比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有局部單應(yīng)矩陣存在的上述不足，提供一種基于全局單應(yīng) 矩陣的單目視覺測量方法。
[0007] 為了減小整個視野范圍內(nèi)的測量誤差，本發(fā)明提出了將多個局部單應(yīng)矩陣進行信 息融合與優(yōu)化得到全局單應(yīng)矩陣的方法。首先，我們將標定板放置在視野范圍內(nèi)的不同位 置，并標定得到不同的局部單應(yīng)矩陣。然后，通過分析各局部單應(yīng)矩陣之間的關(guān)系，并將其 進行融合、優(yōu)化得到全局單應(yīng)矩陣。在整個視野范圍內(nèi)，本發(fā)明提出的全局單應(yīng)矩陣比單一 的局部單應(yīng)矩陣具有更高的測量精度。另外，為了得到具有一定高度平面上點的測量結(jié)果， 我們定義并標定了一個關(guān)聯(lián)高度信息的單應(yīng)矩陣，它可W將任意已知高度平面上的點的圖 像坐標轉(zhuǎn)換到相應(yīng)零平面上的點的圖像坐標。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)全局單應(yīng)矩陣得到被測 點在待測平面上的二維世界坐標（第H維世界坐標為平面的高度）。大量實驗結(jié)果驗證了 本發(fā)明的有效性。
[0008] 本發(fā)明提供的基于全局單應(yīng)矩陣的單目視覺測量方法包括：
[0009] 第1，全局單應(yīng)矩陣的標定
[0010] 定義"局部單應(yīng)矩陣"為標定板在待測地面單個位置處，標定得到的與圖像平面之 間的單應(yīng)矩陣。該里，采用"局部"，是因為標定板的尺寸比較小，只能覆蓋整個視野范圍內(nèi) 待測地面的小部分區(qū)域。相應(yīng)地，我們定義"全局單應(yīng)矩陣"，用來表示將標定板放置在不同 位置得到多幅圖像，并將該些位置的數(shù)據(jù)進行融合得到的單應(yīng)矩陣。"局部單應(yīng)矩陣"反映 了圖像平面和局部區(qū)域之間的映射關(guān)系，而"全局單應(yīng)矩陣"，利用不同位置的數(shù)據(jù)，更準確 地反映了圖像平面和整個場景平面之間的映射關(guān)系。
[0011] 圖1是一個單目視覺測量系統(tǒng)，將一個未標定的攝像機固定在某高度的金屬桿頂 端，將標定板放置在攝像機視野范圍內(nèi)待測地面（零平面）的不同位置處。W位置i處的 標定板左下角為原點建立坐標系巧，不失一般性，選擇標定板在第一個位置處所建立的坐 標系巧為參考世界坐標系。
[0012] 第1. 1，建立各局部單應(yīng)矩陣之間的關(guān)系
[0013] 用局部單應(yīng)矩陣Hi建立特征點圖像坐標與世界坐標之間的關(guān)系如下：
[0014] Pik -入 ikHiPik 做
[0015] 其中，Aik表示歸一化比例因子，Pik= [Xik Yik 1]T表示標定板上特征點在X，Y，平 面上的二維齊次世界坐標，Pik= [U ik Vik 1]T表示相應(yīng)的齊次圖像坐標，i = 1，2,…，N ;k =1，2,…，Np，N表示標定板的放置次數(shù)，Np表示標定板上特征點的個數(shù)。
[0016] 根據(jù)空間幾何關(guān)系，推導(dǎo)出在參考坐標系巧處獲得的局部單應(yīng)矩陣Hi與在其他 位置處獲