一種錐形目標(biāo)雙目視頻位姿測量方法及靶標(biāo)圖案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，以及錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案。使得錐形目標(biāo)位于兩攝像機(jī)的公共視場中，從兩攝像機(jī)的圖像中確定靶標(biāo)圖案的公共子扇區(qū)，并提取特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，再利用三角測量原理求出特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，解算出錐形目標(biāo)的位姿。錐形目標(biāo)的表面設(shè)置靶標(biāo)圖案以圓錐形頂點(diǎn)為中心，將圓錐表面等分成灰黑色間隔的六個(gè)子扇區(qū)，圓錐頂端區(qū)域設(shè)置為白色。子扇區(qū)內(nèi)設(shè)置編碼區(qū)域，編碼區(qū)域的顏色與其所在子扇區(qū)的顏色有較大對(duì)比度。使靶標(biāo)圖案在兩攝像機(jī)的公共視場中有3個(gè)以上公共特征點(diǎn)。本發(fā)明的靶標(biāo)圖案的主特征點(diǎn)分布位置達(dá)到最優(yōu)，使靶標(biāo)成像對(duì)錐形目標(biāo)位姿變化的響應(yīng)最強(qiáng)。
【專利說明】一種錐形目標(biāo)雙目視頻位姿測量方法及靶標(biāo)圖案
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙目視頻位姿測量方法，尤其是一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，以及在該方法中應(yīng)用的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案。
【背景技術(shù)】
[0002]炮彈引信及彈丸通常設(shè)計(jì)成錐形或類錐形，這類目標(biāo)的位姿測量是目前的難點(diǎn)問題。基于視頻的位姿測量技術(shù)不接觸被測目標(biāo)、測量精度較高，適合用于錐形目標(biāo)的位姿測量。實(shí)現(xiàn)錐形目標(biāo)的視頻測量，需要目標(biāo)上有足夠特征點(diǎn)，如果目標(biāo)表面沒有足夠特征點(diǎn)而又不能安裝發(fā)光體靶標(biāo)，就需要在錐形目標(biāo)表面設(shè)計(jì)某種靶標(biāo)圖案，利用靶標(biāo)上的圖案所形成的特征點(diǎn)為位姿測量提供特征信息。靶標(biāo)圖案的設(shè)計(jì)對(duì)位姿測量的精度有重要影響。參見張慶君、胡修林、葉斌等的《基于雙目視覺的航天器間相對(duì)位置和姿態(tài)的測量方法》，宇航學(xué)報(bào)，2008年，29卷(I) =156-161頁；孫先逵、秦嵐，《一種新型非接觸位姿檢測系統(tǒng)研究》，光電工程，2007年34(1):50-54頁。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，常見的靶標(biāo)為棋盤格靶標(biāo)，該靶標(biāo)由黑白相間的方格排列而成，方格的頂點(diǎn)為靶標(biāo)的特征點(diǎn)。例如中國專利文獻(xiàn)CN100449459C的“一種單攝像機(jī)虛擬鼠標(biāo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法”:在靶標(biāo)平面上布置黑白相間的棋盤格，黑方塊與白方塊公有的頂點(diǎn)稱為格點(diǎn)。選取祀面上格點(diǎn)為特征點(diǎn)。其他常見的編碼祀標(biāo)可參見:ARToolKit marker system(http://www.hitl.washington.edu/ar toolkit/)、ARTag marker system (2010 年 7 月IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,第 1317至Ij第 1324頁中的“Designing Highly Reliable Fiducial Markers”),這兩種祀標(biāo)均由方塊構(gòu)成，方塊的頂點(diǎn)為靶標(biāo)的特征點(diǎn)，方塊內(nèi)部為靶標(biāo)的識(shí)別編碼。這些靶標(biāo)易于檢測和識(shí)別，應(yīng)用很廣泛。
[0004]但是，棋盤格靶標(biāo)沒有設(shè)計(jì)編碼，不能實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，而且，上述這些靶標(biāo)都是在平面上設(shè)計(jì)和使用的平面靶標(biāo)，很少有專門針對(duì)錐形目標(biāo)設(shè)計(jì)的靶標(biāo)。平面靶標(biāo)，例如棋盤格靶標(biāo)，在錐形目標(biāo)上使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致特征點(diǎn)定位不準(zhǔn)確；另外，平面靶標(biāo)也不能充分利用錐形目標(biāo)的頂點(diǎn)等特殊形狀特征。若將平面靶標(biāo)應(yīng)用在錐形目標(biāo)上，得到位姿測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此要實(shí)現(xiàn)錐形目標(biāo)位姿視頻測量，需要針對(duì)錐形目標(biāo)特殊的形狀結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)靶標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，解決平面靶標(biāo)無法適應(yīng)錐形目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)的問題以及提高錐形目標(biāo)的位姿測量精度，本發(fā)明的目的是:在錐形目標(biāo)的表面設(shè)計(jì)一種靶標(biāo)圖案，并提供一種錐形目標(biāo)雙目視頻位姿測量方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0007]—種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，以及應(yīng)用于雙目視頻位姿測量的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案，該測量方法包括以下步驟:[0008]兩個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在一個(gè)基座上，朝向要進(jìn)行位姿測量的錐形目標(biāo)，并使得錐形目標(biāo)位于兩攝像機(jī)的公共視場中。兩攝像機(jī)光軸平行使兩攝像機(jī)的公共視場最大。
[0009]將攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集卡發(fā)送給計(jì)算機(jī)，解算錐形目標(biāo)的位姿參數(shù)。
[0010]所述錐形目標(biāo)的表面設(shè)置靶標(biāo)圖案，使靶標(biāo)圖案在兩攝像機(jī)的公共視場中有3個(gè)以上公共特征點(diǎn)。
[0011]錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案設(shè)置為，以錐形目標(biāo)的圓錐形頂點(diǎn)為中心，將圓錐表面等分成六個(gè)子扇區(qū)，將所述六個(gè)子扇區(qū)間隔設(shè)置為兩種對(duì)比度較大的顏色。將錐形目標(biāo)的頂端區(qū)域設(shè)置為與所述六個(gè)子扇區(qū)顏色有較大對(duì)比度的第三種顏色。
[0012]在所述六個(gè)子扇區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一定數(shù)量的編碼區(qū)域，所述編碼區(qū)域的顏色與其所在子扇區(qū)的顏色有較大對(duì)比度。
[0013]所述編碼區(qū)域基本為四邊形，編碼區(qū)域的側(cè)邊平行于錐形目標(biāo)母線；編碼區(qū)域的上下邊平行于錐形目標(biāo)橫截面的截面圓；所述編碼區(qū)域的側(cè)邊與其所在子扇區(qū)的側(cè)邊相隔離；所述編碼區(qū)域下邊與錐形目標(biāo)的底面圓相隔離。
[0014]同一子扇區(qū)內(nèi)的各個(gè)編碼區(qū)域相隔離。
[0015]相鄰子扇區(qū)內(nèi)的編碼區(qū)域數(shù)量或者編碼區(qū)域的面積比設(shè)置為不同。
[0016]根據(jù)所述的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案中子扇區(qū)顏色、子扇區(qū)內(nèi)編碼區(qū)域的數(shù)量及同一子扇區(qū)內(nèi)不同編碼區(qū)域的面積比，為所述的每個(gè)子扇區(qū)構(gòu)造唯一的識(shí)別編碼。
[0017]將所述錐形目標(biāo)的頂點(diǎn)、所述六個(gè)子扇區(qū)的側(cè)邊與錐形目標(biāo)底面圓的交點(diǎn)作為測量的主特征點(diǎn)。
[0018]將所述的六個(gè)子扇區(qū)內(nèi)的各個(gè)四邊形編碼區(qū)域的頂點(diǎn)作為測量的輔助特征點(diǎn)。
[0019]解算所述錐形目標(biāo)位姿時(shí)，首先從兩攝像機(jī)的圖像中確定所述錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案的公共子扇區(qū)，提取所述公共子扇區(qū)中特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，再利用三角測量原理求出所述的特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，解算出錐形目標(biāo)的位姿。
[0020]所述的兩攝像機(jī)的基線為0.15米?0.35米；攝像機(jī)的分辨率像素為768 X 576以上，視場角為25°?45°，等效焦距為43.456mm?8L 193mm。
[0021]本發(fā)明的方法還可包括，根據(jù)攝像機(jī)與錐形目標(biāo)之間的相對(duì)距離，將測量分為10米以內(nèi)的近距離測量和10米以上的遠(yuǎn)距離測量兩種模式:在近距離測量模式中，提取主特征點(diǎn)和輔助特征點(diǎn)來進(jìn)行位姿解算；在遠(yuǎn)距離測量模式中，僅利用主特征點(diǎn)來進(jìn)行位姿解算；兩種模式位姿解算公式相同。
[0022]由于靶標(biāo)圖案設(shè)計(jì)在錐形目標(biāo)的圓錐面上，所以安放攝像機(jī)時(shí)應(yīng)保證攝像機(jī)能夠拍攝到錐形目標(biāo)的側(cè)面。如果錐形目標(biāo)的位姿變化幅度較大(如翻轉(zhuǎn))則需要兩套以上的雙目視頻位姿測量系統(tǒng)，以保證攝像機(jī)始終能夠拍攝到錐形目標(biāo)的側(cè)面。
[0023]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:通過采用本發(fā)明的靶標(biāo)圖案，將錐形目標(biāo)的表面分成六個(gè)子扇區(qū)，在本發(fā)明的雙目視頻位姿測量方法中，當(dāng)錐形目標(biāo)頂端朝向攝像機(jī)時(shí)，至少會(huì)有一個(gè)完整的子扇區(qū)出現(xiàn)在兩攝像機(jī)的公共視場內(nèi)。由于每個(gè)子扇區(qū)都含有3個(gè)主特征點(diǎn)及4個(gè)以上輔助特征點(diǎn)，保證了靶標(biāo)上始終有足夠數(shù)量O 3個(gè))的特征點(diǎn)，靶標(biāo)圖案的主特征點(diǎn)分布位置為最優(yōu)，使靶標(biāo)成像對(duì)錐形目標(biāo)位姿變化的響應(yīng)最強(qiáng)，靶標(biāo)選取頂點(diǎn)為特征點(diǎn)并依據(jù)錐面弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靶標(biāo)，充分適應(yīng)了錐形目標(biāo)的形狀特征。在設(shè)計(jì)子扇區(qū)編碼時(shí)，考慮了子扇區(qū)扇形顏色和包含區(qū)域數(shù)量等因素，使得子扇區(qū)更容易識(shí)別。
[0024]通過以下結(jié)合附圖以舉例方式對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的描述后，本發(fā)明的其他特征、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加的明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的子扇區(qū)劃分圖(頂視圖)。
[0027]圖3是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的子扇區(qū)在圖像平面上投影成扇形(60° )示意圖。
[0028]圖4是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的每個(gè)扇形(60° )內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)點(diǎn)(0、Α、Β)示意圖。
[0029]圖5是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的每個(gè)扇形(60° )內(nèi)設(shè)計(jì)4個(gè)點(diǎn)(O、A、B、H)示意圖。
[0030]圖6是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案。
[0031]圖7是本發(fā)明的一種雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案的特征點(diǎn)分布圖。
[0032]圖8是本發(fā)明的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法中，當(dāng)錐形目標(biāo)的中軸線與攝像機(jī)圖像平面平行時(shí)，兩攝像機(jī)中錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案成像示意圖。
[0033]圖9是本發(fā)明的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法中坐標(biāo)系的定義方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和一個(gè)典型的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，以及錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案做詳細(xì)說明。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的對(duì)錐形目標(biāo)進(jìn)行測量的系統(tǒng)中，包括兩個(gè)攝像機(jī)，設(shè)置有本發(fā)明特定的靶標(biāo)圖案的錐形目標(biāo)，圖像采集卡，計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。其中由攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集卡發(fā)送給計(jì)算機(jī)，再經(jīng)位姿測量程序解算出錐形目標(biāo)的位姿參數(shù)。
[0036]一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，包括以下主要的步驟:兩個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在一個(gè)基座上，朝向錐形目標(biāo)。兩攝像機(jī)光軸平行使兩攝像機(jī)的公共視場最大，使錐形目標(biāo)位于兩攝像機(jī)的公共視場中。在錐形目標(biāo)上設(shè)計(jì)一種靶標(biāo)圖案，專門用于該目標(biāo)的位姿測量。將攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集卡發(fā)送給計(jì)算機(jī)，提取該錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案的特征點(diǎn)，得到所述特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，再求得其在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，解算出錐形目標(biāo)的位姿參數(shù)。
[0037]錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案設(shè)置為，以錐形目標(biāo)的圓錐形頂點(diǎn)為中心，將圓錐表面等分成六個(gè)子扇區(qū)，子扇區(qū)間隔設(shè)置為兩種對(duì)比度較大的顏色；將錐形目標(biāo)的頂端區(qū)域設(shè)置為第三種顏色；在所述六個(gè)子扇區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一定數(shù)量的編碼區(qū)域；為每個(gè)子扇區(qū)構(gòu)造唯一的識(shí)別編碼進(jìn)行特征點(diǎn)的識(shí)別。[0038]參見圖1，是本發(fā)明的錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量系統(tǒng)的示意圖。本發(fā)明的雙目視頻位姿測量方法主要包括兩個(gè)攝像機(jī)1，2和一個(gè)具有特定的靶標(biāo)圖案的錐形目標(biāo)3，兩個(gè)攝像機(jī)1，2設(shè)置在一個(gè)基座上，兩攝像機(jī)光軸平行使兩攝像機(jī)的公共視場最大。兩攝像機(jī)朝向錐形目標(biāo)3，使得錐形目標(biāo)3位于兩攝像機(jī)1，2的公共視場中。
[0039]所述的兩攝像機(jī)的基線為0.2米，兩攝像機(jī)的光軸平行且水平高度相同；攝像機(jī)的分辨率像素為768X576，視場角為30°，等效焦距為67.177mm。
[0040]由于靶標(biāo)圖案設(shè)計(jì)在錐形目標(biāo)3的側(cè)面，所以安放攝像機(jī)時(shí)應(yīng)保證攝像機(jī)能夠拍攝到錐形目標(biāo)3的側(cè)面。如果錐形目標(biāo)3的位姿變化幅度較大(如翻轉(zhuǎn))則需要兩套以上的雙目視頻位姿測量系統(tǒng)，以保證攝像機(jī)始終能夠拍攝到錐形目標(biāo)3的側(cè)面。
[0041]以下對(duì)錐形目標(biāo)上靶標(biāo)圖案的特征點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0042]參見圖2，是本發(fā)明的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法的錐形目標(biāo)上的子扇區(qū)劃分圖(頂視圖)。
[0043]解算錐形目標(biāo)位姿參數(shù)需要目標(biāo)在兩攝像機(jī)的成像中有3個(gè)以上公共特征點(diǎn)。這里的“公共特征點(diǎn)”意思是指不同圖像中的特征點(diǎn)，對(duì)應(yīng)實(shí)際空間中相同的點(diǎn)。參見圖2，將錐形目標(biāo)側(cè)面劃分6個(gè)子扇區(qū)，以確保在錐形目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩攝像機(jī)視場中始終有一個(gè)以上完整的子扇區(qū)；以子扇區(qū)為靶標(biāo)設(shè)計(jì)的基本單元，在每個(gè)子扇區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)以上特征點(diǎn)。
[0044]由于特征點(diǎn)的位置分布對(duì)系統(tǒng)的位姿測量有重要影響，需要進(jìn)行特征點(diǎn)位置設(shè)計(jì)。特征點(diǎn)在圖像平面上的投影點(diǎn)間距越大，姿態(tài)角的分辨能力就越強(qiáng)，根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)特征點(diǎn)在錐面上的分布位置。由于特征點(diǎn)在圖像平面上的投影點(diǎn)間距與目標(biāo)相對(duì)于攝像機(jī)姿態(tài)有關(guān)，為了方便分析，選擇錐形目標(biāo)中軸線垂直于攝像機(jī)圖像平面時(shí)的姿態(tài)設(shè)計(jì)靶標(biāo)。在該姿態(tài)下進(jìn)行靶標(biāo)設(shè)計(jì)，使特征點(diǎn)的投影點(diǎn)間距最大。
[0045]參見圖3，當(dāng)錐形目標(biāo)中軸線垂直于攝像機(jī)圖像平面時(shí)，錐形目標(biāo)在圖像平面上投影成圓形，子扇區(qū)投影成頂角為60°的扇形。
[0046]在子扇區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)以上特征點(diǎn)并使其圖像平面投影點(diǎn)的間距最大。先考慮設(shè)計(jì)3個(gè)特征點(diǎn)，問題轉(zhuǎn)化為:在頂角為60°的扇形內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)點(diǎn)使它們之間的最小間距最大(最小間距對(duì)靶標(biāo)圖案的姿態(tài)角分辨能力具有決定性影響)。
[0047]參見圖4，表示了本發(fā)明的錐形目標(biāo)上的每個(gè)扇形(60° )內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)點(diǎn)(O、A、B)
示意圖。
[0048]這三個(gè)特征點(diǎn)應(yīng)位于O、A、B處，最小間距為錐形目標(biāo)的底面圓半徑R，證明:
[0049]圖4中Λ OAB為等邊三角形，邊長為R。EF和⑶為扇形內(nèi)的任意線段，作輔助線AG，使AG//EF，連接AB、0C。根據(jù)大角對(duì)大邊的性質(zhì)有
[0050]Z AGB>60° > Z ABG, Z 0DC>60° > Z DOC (I)
[0051]AB I=R>I AG|>|EF|, 0C|=R>|CD (2)
[0052]由式(2)可知線段端點(diǎn)若不在O、A、B三點(diǎn)處，任意兩點(diǎn)的間距始終小于R。因此應(yīng)將3個(gè)特征點(diǎn)設(shè)計(jì)在O、A、B三處。證畢。
[0053]添加第4個(gè)特征點(diǎn)使其到O、A、B三點(diǎn)的最小間距最大。
[0054]參見圖5，是本發(fā)明的錐形目標(biāo)上每個(gè)扇形(60° )內(nèi)設(shè)計(jì)4個(gè)點(diǎn)(0、Α、Β、Η)示意圖。
[0055]其中，第4個(gè)特征點(diǎn)H應(yīng)位于Λ OAB的中心，證明:[0056]圖5中對(duì)于Λ OAB內(nèi)的任意點(diǎn)I，假設(shè)線段Al、B1、OI中Al最短，有
[0057]AKI = IAHI cos Z HAK, | AJ | = | Al | cos Z IAJ (3)
[0058]Z HAK> Z IAJ, |AK|>|AJ (4)
[0059]所以|么!1|>41|，所以第4個(gè)特征點(diǎn)!1應(yīng)位于厶(^8的中心。證畢。
【權(quán)利要求】
1.一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，包括以下步驟: 兩個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在一個(gè)基座上，朝向要進(jìn)行位姿測量的錐形目標(biāo)，并使得錐形目標(biāo)位于兩攝像機(jī)的公共視場中；兩攝像機(jī)光軸平行使兩攝像機(jī)的公共視場最大； 所述的兩攝像機(jī)的基線為0.15米~0.35米；攝像機(jī)的分辨率像素為768X576以上，視場角為25°~45° ,等效焦距為43.456mm~81.193mm ; 將攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集卡發(fā)送給計(jì)算機(jī)，解算錐形目標(biāo)的位姿參數(shù)； 所述錐形目標(biāo)的表面設(shè)置靶標(biāo)圖案，使靶標(biāo)圖案在兩攝像機(jī)的公共視場中有3個(gè)以上公共特征點(diǎn)； 錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案設(shè)置為，以錐形目標(biāo)的圓錐形頂點(diǎn)為中心，將圓錐表面等分成六個(gè)子扇區(qū)，將所述六個(gè)子扇區(qū)間隔設(shè)置為兩種對(duì)比度較大的顏色；將錐形目標(biāo)的頂端區(qū)域設(shè)置為與所述六個(gè)子扇區(qū)顏色有較大對(duì)比度的第三種顏色； 在所述六個(gè)子扇區(qū) 內(nèi)分別設(shè)置一定數(shù)量的編碼區(qū)域，所述編碼區(qū)域的顏色與其所在子扇區(qū)的顏色有較大對(duì)比度； 所述編碼區(qū)域基本為四邊形，編碼區(qū)域的側(cè)邊平行于錐形目標(biāo)母線；編碼區(qū)域的上、下邊沿錐形目標(biāo)橫截面的截面圓；所述編碼區(qū)域的側(cè)邊與其所在子扇區(qū)的側(cè)邊相隔離；所述編碼區(qū)域下邊與錐形目標(biāo)的底面圓相隔離； 同一子扇區(qū)內(nèi)的各個(gè)編碼區(qū)域相隔離； 相鄰子扇區(qū)內(nèi)的編碼區(qū)域數(shù)量或者編碼區(qū)域的面積比設(shè)置為不同； 根據(jù)所述的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案中子扇區(qū)顏色、子扇區(qū)內(nèi)編碼區(qū)域的數(shù)量及同一子扇區(qū)內(nèi)不同編碼區(qū)域的面積比，給所述的每個(gè)子扇區(qū)構(gòu)造唯一的識(shí)別編碼； 將所述錐形目標(biāo)的頂點(diǎn)、所述六個(gè)子扇區(qū)的側(cè)邊與錐形目標(biāo)底面圓的交點(diǎn)作為測量的主特征點(diǎn)； 將所述的六個(gè)子扇區(qū)內(nèi)的各個(gè)四邊形編碼區(qū)域的頂點(diǎn)作為測量的輔助特征點(diǎn)； 解算所述錐形目標(biāo)位姿時(shí)，首先從兩攝像機(jī)的圖像中確定所述錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案的公共子扇區(qū)，提取所述公共子扇區(qū)中特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，再利用三角測量原理求出所述的特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，解算出錐形目標(biāo)的位姿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，其特征在于，根據(jù)攝像機(jī)與錐形目標(biāo)之間的相對(duì)距離，將測量分為10米以內(nèi)的近距離測量和10米以上的遠(yuǎn)距離測量兩種模式:在近距離測量模式中，提取主特征點(diǎn)和輔助特征點(diǎn)來進(jìn)行位姿解算；在遠(yuǎn)距離測量模式中，僅利用主特征點(diǎn)來進(jìn)行位姿解算；兩種模式位姿解算公式相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，其特征在于，為每個(gè)子扇區(qū)構(gòu)造一個(gè)唯一的三位二進(jìn)制識(shí)別編碼，編碼第一位用于表示子扇區(qū)的兩種不同的顏色，編碼第二位用于表示子扇區(qū)內(nèi)編碼區(qū)域的數(shù)量，編碼第三位用于表示編碼區(qū)域的面積比；識(shí)別特征點(diǎn)時(shí)先利用識(shí)別編碼識(shí)別子扇區(qū)，然后再根據(jù)特征點(diǎn)在子扇區(qū)內(nèi)具體位置識(shí)別特征點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，其特征在于，提取所述錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的步驟如下: (I)獲取錐形目標(biāo)成像區(qū)域:攝像機(jī)在測量過程中保持不動(dòng)，先分別用兩攝像機(jī)拍攝一幅不含錐形目標(biāo)的背景圖像，再用包含目標(biāo)的測量圖像減去背景圖像可獲得差值圖像，差值圖像中灰度值不為零的區(qū)域即為錐形目標(biāo)的成像區(qū)域； (2)獲取子扇區(qū)區(qū)域:利用閾值分割法將錐形目標(biāo)成像區(qū)域中完整的子扇區(qū)分割出來，選擇兩個(gè)灰度閾值Tl、T2對(duì)錐形目標(biāo)成像區(qū)域進(jìn)行分割，其中Tl較小，用于分割黑色子扇區(qū)，T2較大，用于分割白色子扇區(qū)，對(duì)分割后的圖像進(jìn)行八連通區(qū)域分析，將包含像素?cái)?shù)量最多的連通區(qū)域作為子扇區(qū)區(qū)域； (3)擬合頂點(diǎn)坐標(biāo):利用先膨脹再減去膨脹前圖像的形態(tài)學(xué)方法提取該連通區(qū)域的輪廓，利用Hough變換法從輪廓中提取子扇區(qū)側(cè)邊上的直線，兩直線求交點(diǎn)即可得到頂點(diǎn)坐標(biāo)； (4)擬合底面交點(diǎn)坐標(biāo):去掉輪廓中子扇區(qū)側(cè)邊對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，用剩余的點(diǎn)擬合橢圓曲線，分別求直線與該曲線的交點(diǎn)，即可獲得底面交點(diǎn)坐標(biāo)； 以上步驟(3) (4)可獲得主特征點(diǎn)的坐標(biāo)； (5)求輔助特征點(diǎn)坐標(biāo):分析子扇區(qū)內(nèi)部的連通區(qū)域，可得到編碼區(qū)域；分離編碼區(qū)域的側(cè)邊并擬合直線，分離編碼區(qū)域的上下弧線邊緣并擬合曲線，求直線和曲線的交點(diǎn)即可獲得輔助特征點(diǎn)的坐標(biāo)； 通過以上步驟得到所有特征點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像中的坐標(biāo)。 (6)子扇區(qū)識(shí)別:根據(jù)子扇區(qū)的灰度值、及其包含編碼區(qū)域的數(shù)量及編碼區(qū)域面積比得到該子扇區(qū)的編碼，根據(jù)編碼識(shí)別子扇區(qū)，再根據(jù)特征點(diǎn)在子扇區(qū)內(nèi)的位置識(shí)別特征點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種錐形目標(biāo)的雙目視頻位姿測量方法，其特征在于，所述的兩攝像機(jī)的基線為0.2米，兩攝像機(jī)的光軸平行且水平高度相同；攝像機(jī)的分辨率像素為768X576，視場角為30°，等效`焦距為67.177mm。
6.一種雙目視頻位姿測量方法中使用的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案，其特征在于: 所述錐形目標(biāo)的表面設(shè)置靶標(biāo)圖案，使靶標(biāo)圖案在兩攝像機(jī)的公共視場中有3個(gè)以上公共特征點(diǎn)； 錐形目標(biāo)上的靶標(biāo)圖案設(shè)置為，以錐形目標(biāo)的圓錐形頂點(diǎn)為中心，將圓錐表面等分成六個(gè)子扇區(qū)，將所述六個(gè)子扇區(qū)間隔設(shè)置為兩種對(duì)比度較大的顏色；將錐形目標(biāo)的頂端區(qū)域設(shè)置為與所述六個(gè)子扇區(qū)顏色有較大對(duì)比度的第三種顏色； 在所述六個(gè)子扇區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一定數(shù)量的編碼區(qū)域，所述編碼區(qū)域的顏色與其所在子扇區(qū)的顏色有較大對(duì)比度； 所述編碼區(qū)域基本為四邊形，編碼區(qū)域的側(cè)邊平行于錐形目標(biāo)母線；編碼區(qū)域的上下邊沿錐形目標(biāo)橫截面的截面圓；所述編碼區(qū)域的側(cè)邊與其所在子扇區(qū)的側(cè)邊相隔離；所述編碼區(qū)域下邊與錐形目標(biāo)的底面圓相隔離； 同一子扇區(qū)內(nèi)的各個(gè)編碼區(qū)域相隔離； 相鄰子扇區(qū)內(nèi)的編碼區(qū)域數(shù)量或者編碼區(qū)域的面積比設(shè)置為不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種雙目視頻位姿測量方法使用的錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案，其特征在于，所述錐形目標(biāo)的靶標(biāo)圖案中，六個(gè)子扇區(qū)間隔設(shè)置為對(duì)比度較大的黑色和灰色，錐形目標(biāo)的頂端區(qū)域設(shè)置為白色；在黑色子扇區(qū)中，編碼區(qū)域設(shè)置為灰色；在灰色子扇區(qū)中，編碼區(qū)域設(shè)置為黑色。
【文檔編號(hào)】G01C11/36GK103512558SQ201310464816
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】諶德榮, 李蒙, 王長元, 宮久路, 周廣銘, 蔣玉萍, 高翔霄, 楊曉樂 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué), 北京宇航系統(tǒng)工程研究所