23)，設(shè)各特征點到光心的距離分別為
【主權(quán)項】
1. 一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，用于實現(xiàn)兩個物體間相對 位置和相對姿態(tài)的測量，包括以下步驟： 在主動物體上安裝攝像機，在被動物體上安裝點特征合作標(biāo)志器；標(biāo)定出攝像機的圖 像坐標(biāo)器與主動物體坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，并測量出合作標(biāo)志器上各特征點在安裝點特征 合作標(biāo)志旗的被動物體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)； 利用攝像機攝取包含合作標(biāo)志器的圖像，通過圖像處理找到滿足標(biāo)志器模型約束的特 征點圖像區(qū)域組合作為候選標(biāo)志器，并計算出每組候選標(biāo)志器上各特征點的圖像坐標(biāo)； 利用P3P測量方法計算主動物體坐標(biāo)系與被動物體坐標(biāo)系間相對位置和相對姿態(tài)； 采用冗余信息互驗證方法獲得最終測量結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述點特征合作標(biāo)志器由一組特征點組成，該組特征點中至少包含兩個可計算特征點組合， 每個可計算特征點組合包含3個特征點，這三個特征點構(gòu)成等腰三角形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述在主動物體上安裝攝像機，在被動物體上安裝點特征合作標(biāo)志器，要求所述合作標(biāo)志器 上的任意一組可計算特征點組合中，其等腰三角形的頂點比底邊上的兩個點更靠近攝像 機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述圖像處理包括初始捕獲、大窗口跟蹤和小窗口跟蹤三個處理方式； 所述初始捕獲方式在整幅圖像中搜索目標(biāo)； 所述大窗口跟蹤和小窗口跟蹤方式都是在一個限定窗口內(nèi)搜索目標(biāo)； 第一次測量為初始捕獲，初始捕獲成功后進入大窗口跟蹤，大窗口跟蹤成功后進入小 窗口跟蹤，只要測量不失敗，一直處于小窗口跟蹤方式； 小窗口跟蹤失敗后，先進入大窗口跟蹤，大窗口跟蹤失敗，再進入初始捕獲。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述圖像處理包括以下步驟： 采集圖像，根據(jù)先驗知識確定處理窗口； 根據(jù)特征點與背景的差異，在處理窗口內(nèi)進行圖像分割，找到所有可能是特征點的連 通區(qū)域作為特征點候選區(qū)域；根據(jù)測量系統(tǒng)的實際特點，建立單個特征點的約束，排除不滿 足單個特征點約束的特征點候選區(qū)域； 根據(jù)標(biāo)志器三維模型以及測量過程中6個位姿量的變化范圍，建立標(biāo)志器上各特征點 在圖像上的相互關(guān)系約束，利用這些約束找到滿足標(biāo)志器模型約束的候選特征點圖像區(qū)域 組合作為候選標(biāo)志器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述P3P測量方法包括以下步驟： 根據(jù)相機和標(biāo)志器標(biāo)定結(jié)果計算出各特征點與光心連線間的夾角（θ12, θ13, θ23)、任 意兩個特征點間的距離（d12, d13, d23)，設(shè)各特征點到光心的距離分別為（I1, 12, I3)，則有：
(I) 該方程采用最優(yōu)兩分迭代法，實現(xiàn)該方程唯一正解的確定；在獲得各特征點到光心的 距離（11;12，13)后，計算出各特征點在主動物體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（x ai，yai，Zai); 根據(jù)三個特征點分別在主動物體坐標(biāo)系和被動物體坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo) Pai=(xai，yai，zJ'PpiMxpi，yPi，~）'按照下式求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量 τ : Pai=RPpi+T (2) 其中的平移向量τ即為相對位置，旋轉(zhuǎn)矩陣R可以分解為分別繞X，y，z三個軸的旋轉(zhuǎn) 角，即姿態(tài)角；（2)式求解時，先根據(jù)三個特征點在兩個坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，分別獲得三 個單位向量分別在兩個坐標(biāo)系下的表示，進而求出旋轉(zhuǎn)矩陣，再由（2)式求出平移向量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述冗余信息互驗證方法包括以下步驟： 根據(jù)特征點冗余信息驗證每個候選標(biāo)志器的有效性，計算出該候選標(biāo)志器的測量結(jié) 果，通過該驗證的候選標(biāo)志器記為有效標(biāo)志器。 對最終得到的有效標(biāo)志器測量結(jié)果進行比較，得到最終測量結(jié)果。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述驗證每個候選標(biāo)志器的有效性包括以下步驟： 在該候選標(biāo)志器中，利用全部或高魯棒性的可計算特征點組合進行驗證； 對于選出的任意一組可計算特征點組合，利用P3P測量方法計算出相對位置和姿態(tài)； 根據(jù)標(biāo)志器模型可以得到該候選標(biāo)志器上其余特征點的計算圖像坐標(biāo)，并與實際圖像 坐標(biāo)比較得到圖像坐標(biāo)誤差值；、 設(shè)置一個合理的特征點圖像坐標(biāo)閾值T1，只有所有點的圖像坐標(biāo)誤差值都小于閾值 時，才說明該組可計算特征點是有效的，得到一組相對位置和姿態(tài)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，其特征在于，所 述對最終得到的有效標(biāo)志器測量結(jié)果進行比較，得到最終測量結(jié)果，具體為：對選出的可計 算特征點組合分別進行驗證后，統(tǒng)計有效的可計算特征點組數(shù)，如果組數(shù)為〇,則該候選標(biāo) 志器驗證結(jié)果為無效標(biāo)志器；否則，驗證結(jié)果為有效標(biāo)志器，并將各組相對位置和姿態(tài)的均 值作為該候選標(biāo)志器的相對位姿計算結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，采用合理設(shè)計測量系統(tǒng)、充分利用模型約束和冗余特征點互驗證等技術(shù)手段，提出了一種基于點特征的單目視覺位姿測量方法，可以實現(xiàn)兩個物體間相對位置和相對姿態(tài)的測量，能夠適用于復(fù)雜多變的背景和光照條件。本發(fā)明包括以下四個步驟：1、以攝像機作為測量傳感器，配合特殊的點特征合作標(biāo)志器組成測量系統(tǒng)；2、利用攝像機攝取包含合作標(biāo)志器的圖像，通過圖像處理找到滿足標(biāo)志器模型約束的特征點圖像區(qū)域組合作為候選標(biāo)志器；3、利用P3P測量方法實現(xiàn)兩個物體間相對位置和相對姿態(tài)的計算；4、采用冗余信息互驗證方法獲得最終測量結(jié)果。本發(fā)明解決3點特征單目視覺測量的多解問題、計算速度問題和穩(wěn)定性問題，提高測量精度。
【IPC分類】G01C11-00
【公開號】CN104677340
【申請?zhí)枴緾N201310639611
【發(fā)明人】郝穎明, 朱楓, 歐錦軍, 周靜, 付雙飛, 吳清瀟, 李娟娟, 蔡慧英
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月30日