一種空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；在受油機(jī)機(jī)艙內(nèi)固定攝像機(jī)；以攝像機(jī)采集前方加油機(jī)拖拽的錐套目標(biāo)；確定錐套位于圖像中的候選區(qū)域，對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行篩選確定錐套在圖像中位置，并通過視覺測(cè)量方法測(cè)量出錐套目標(biāo)的實(shí)際位置；通過基于錐套形狀的粒子濾波方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)錐套在圖像序列中的跟蹤及錐套黑心的分割，并通過視覺測(cè)量方法測(cè)量出錐套目標(biāo)的實(shí)際位置；通過檢測(cè)和跟蹤轉(zhuǎn)換策略實(shí)現(xiàn)錐套目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤的切換。本發(fā)明能夠有效地進(jìn)行錐套目標(biāo)位置檢測(cè)和跟蹤，耗時(shí)短，魯棒性強(qiáng)，同時(shí)最大限度地減少對(duì)現(xiàn)有錐套的改動(dòng)。
【專利說明】一種空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺及圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種空中加油錐套目標(biāo)的單目視覺檢測(cè)、跟蹤及位置測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]常見的軟管式空中加油錐套目標(biāo)的視覺檢測(cè)、跟蹤及測(cè)量方法有:在錐套目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，通過對(duì)標(biāo)記點(diǎn)視覺檢測(cè)、跟蹤及標(biāo)記點(diǎn)已知的相對(duì)位置測(cè)量出錐套目標(biāo)不同時(shí)刻的空間位置。通過預(yù)先獲取錐套目標(biāo)的圖像模板，通過模板匹配的方法檢測(cè)錐套目標(biāo)，采用當(dāng)前匹配的模板通過圖像對(duì)準(zhǔn)的方式實(shí)現(xiàn)錐套目標(biāo)跟蹤，并通過錐套已知的尺寸實(shí)現(xiàn)視覺測(cè)量。添加輔助的識(shí)別標(biāo)記的方法需要對(duì)錐套目標(biāo)進(jìn)行一些必要的改動(dòng)，并且輔助標(biāo)記的檢測(cè)受錐套距相機(jī)的距離及外界干擾影響比較大。圖像模板匹配檢測(cè)錐套目標(biāo)的方法由于需要預(yù)先獲取錐套在不同情況(主要是距相機(jī)不同距離)下的圖像模板，通過多模板匹配尋找出最佳的匹配值，使得目標(biāo)檢測(cè)的時(shí)間比較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中錐套目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤耗時(shí)長及魯棒性差等問題，同時(shí)最大限度減少對(duì)現(xiàn)有錐套的改動(dòng)，本發(fā)明目的在于提供一種用于軟管式空中加油錐套目標(biāo)的檢測(cè)、跟蹤和位置測(cè)量的方法。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0005]步驟S1:對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，求取所述攝像機(jī)用于視覺測(cè)量的參數(shù)；
[0006]步驟S2:將所述攝像機(jī)放置在受油機(jī)的機(jī)艙內(nèi)，其中，所述攝像機(jī)的位置固定；
[0007]步驟S3:使用所述攝像機(jī)采集前方加油機(jī)拖拽的錐套的圖像；
[0008]步驟S4:對(duì)當(dāng)前采集的圖像通過多閾值分割得到分割圖像，對(duì)所述分割圖像的輪廓進(jìn)行篩選確定所述錐套位于圖像中的候選區(qū)域；
[0009]步驟S5:通過對(duì)候選區(qū)域內(nèi)的輪廓進(jìn)行圓的最小二乘擬合，獲得擬合的圓心；
[0010]步驟S6:在每個(gè)候選區(qū)域內(nèi)，以所述步驟S5獲得的圓心為起點(diǎn)由內(nèi)向外掃描，獲得多個(gè)邊緣點(diǎn)；
[0011]步驟S7:對(duì)每個(gè)候選區(qū)域內(nèi)獲得的邊緣點(diǎn)通過矢量角去除壞點(diǎn)，隨機(jī)選取邊緣點(diǎn)擬合得到圓的方程，并計(jì)算當(dāng)前擬合出的圓的權(quán)重，選取權(quán)重的最大值為該候選區(qū)域的權(quán)重，對(duì)應(yīng)的圓作為候選區(qū)域擬合出的圓；
[0012]步驟S8:若所述步驟S7中計(jì)算得到的所有候選區(qū)域的最大權(quán)重小于指定閾值，則循環(huán)檢測(cè)返回所述步驟S3采集所述錐套的下一幀圖像，繼續(xù)步驟S4-S8，若所有候選區(qū)域的最大權(quán)重大于等于所述指定閾值，則錐套在圖像中的位置為具有最大權(quán)重的候選區(qū)域擬合出的圓的圓心位置，錐套黑心在圖像中的半徑大小為具有最大權(quán)重的候選區(qū)域擬合出的圓的半徑，并據(jù)此計(jì)算錐套在空間中的實(shí)際位置；[0013]步驟S9:使用所述攝像機(jī)采集前方加油機(jī)拖拽的錐套的下一幀圖像；
[0014]步驟SlO:通過基于錐套形狀的粒子濾波方法實(shí)現(xiàn)錐套在采集得到的圖像序列中的跟蹤及錐套黑心的分割，并計(jì)算錐套在空間中的實(shí)際位置；
[0015]步驟Sll:計(jì)算當(dāng)前幀圖像中錐套狀態(tài)的權(quán)重，若權(quán)重大于等于指定閾值，則循環(huán)跟蹤測(cè)量返回所述步驟S9，若權(quán)重小于指定閾值，則循環(huán)檢測(cè)、跟蹤及測(cè)量返回所述步驟S3。
[0016]本發(fā)明能夠有效地進(jìn)行錐套目標(biāo)位置檢測(cè)和跟蹤，耗時(shí)短，魯棒性強(qiáng)，同時(shí)最大限度地減少對(duì)現(xiàn)有錐套的改動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法的示意圖；
[0018]圖2A為本發(fā)明空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法的流程圖；
[0019]圖2B為本發(fā)明對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定的流程圖；
[0020]圖2C為本發(fā)明對(duì)圖像進(jìn)行多閾值分割及確定錐套位于圖像中的候選區(qū)域的流程圖；
[0021]圖2D為本發(fā)明對(duì)基于錐套形狀的粒子濾波方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)錐套在圖像序列中的跟蹤及錐套黑心的分割的流程圖；
[0022]圖3為相機(jī)標(biāo)定過程的示意圖；
[0023]圖4為在每個(gè)候選區(qū)域內(nèi)掃描獲得邊緣點(diǎn)的示意圖；
[0024]圖5為粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0026]圖1為本發(fā)明空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法的示意圖，圖1中，I為加油機(jī)中的錐套目標(biāo)、2為受油機(jī)受油管、3為攝像機(jī)，本發(fā)明利用單目視覺對(duì)錐套目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，并通過錐套的實(shí)際尺寸和小孔成像模型實(shí)現(xiàn)錐套目標(biāo)的空間位置測(cè)量。
[0027]圖2A為本發(fā)明空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法的流程圖，如圖2A所示，基于單目視覺的軟管式空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法包括以下步驟:
[0028]步驟S1:對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，求取所述攝像機(jī)用于視覺測(cè)量的參數(shù)；
[0029]圖2B為本發(fā)明對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定的流程圖，如圖2B所示，所述步驟SI進(jìn)一步包括以下步驟:
[0030]步驟SlA:固定所述攝像機(jī)的位置，使錐套正對(duì)所述攝像機(jī)，即錐套黑心所在平面與所述攝像機(jī)的光軸大約垂直，使錐套由遠(yuǎn)及近沿著所述攝像機(jī)的光軸方向向所述攝像機(jī)的位置運(yùn)動(dòng)，如圖3所示，在錐套的運(yùn)動(dòng)過程中取多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)(比如可以為80個(gè)，標(biāo)定點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以調(diào)整，理論上越多越好)，在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)位置處通過所述攝像機(jī)采集錐套的圖像，在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處，錐套中心距所述攝像機(jī)的實(shí)際距離可以通過激光測(cè)距儀測(cè)量得到；
[0031]在本發(fā)明一實(shí)施例中，取80個(gè)標(biāo)定點(diǎn),這80個(gè)標(biāo)定點(diǎn)包括:距受油機(jī)受油管末端10米-20米的距離處取30個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的距離大約相同，距受油機(jī)受油管末端5米-10米的距離處取20個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的距離大約相同，距受油機(jī)受油管末端O米-5米的距離處取30個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的距離大約相同。
[0032]步驟SlB:根據(jù)采集到的標(biāo)定點(diǎn)處錐套的圖像，人工確定每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處錐套黑心在圖像中的直徑；
[0033]步驟SlC:基于每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處錐套黑心在圖像中的直徑，計(jì)算所述攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)K。
[0034]其中，所述攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)K由下式求取:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種空中加油錐套目標(biāo)的視覺跟蹤與位置測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟S1:對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，求取所述攝像機(jī)用于視覺測(cè)量的參數(shù)； 步驟S2:將所述攝像機(jī)放置在受油機(jī)的機(jī)艙內(nèi)，其中，所述攝像機(jī)的位置固定； 步驟S3:使用所述攝像機(jī)采集前方加油機(jī)拖拽的錐套的圖像； 步驟S4:對(duì)當(dāng)前采集的圖像通過多閾值分割得到分割圖像，對(duì)所述分割圖像的輪廓進(jìn)行篩選確定所述錐套位于圖像中的候選區(qū)域； 步驟S5:通過對(duì)候選區(qū)域內(nèi)的輪廓進(jìn)行圓的最小二乘擬合，獲得擬合的圓心； 步驟S6:在每個(gè)候選區(qū)域內(nèi)，以所述步驟S5獲得的圓心為起點(diǎn)由內(nèi)向外掃描，獲得多個(gè)邊緣點(diǎn)； 步驟S7:對(duì)每個(gè)候選區(qū)域內(nèi)獲得的邊緣點(diǎn)通過矢量角去除壞點(diǎn)，隨機(jī)選取邊緣點(diǎn)擬合得到圓的方程，并計(jì)算當(dāng)前擬合出的圓的權(quán)重，選取權(quán)重的最大值為該候選區(qū)域的權(quán)重，對(duì)應(yīng)的圓作為候選區(qū)域擬合出的圓； 步驟S8:若所述步驟S7中計(jì)算得到的所有候選區(qū)域的最大權(quán)重小于指定閾值，則循環(huán)檢測(cè)返回所述步驟S3采集所述錐套的下一幀圖像，繼續(xù)步驟S4-S8，若所有候選區(qū)域的最大權(quán)重大于等于所述指定閾值，則錐套在圖像中的位置為具有最大權(quán)重的候選區(qū)域擬合出的圓的圓心位置，錐套黑心在圖像中的半徑大小為具有最大權(quán)重的候選區(qū)域擬合出的圓的半徑，并據(jù)此計(jì)算錐套在空間中的實(shí)際位置； 步驟S9:使用所述攝像機(jī)采集前方加油機(jī)拖拽的錐套的下一幀圖像； 步驟SlO:通過基于錐套形狀的粒子濾波方法實(shí)現(xiàn)錐套在采集得到的圖像序列中的跟蹤及錐套黑心的分割，并計(jì)算錐套在空間中的實(shí)際位置； 步驟Sll:計(jì)算當(dāng)前幀圖像中錐套狀態(tài)的權(quán)重，若權(quán)重大于等于指定閾值，則循環(huán)跟蹤測(cè)量返回所述步驟S9，若權(quán)重小于指定閾值，則循環(huán)檢測(cè)、跟蹤及測(cè)量返回所述步驟S3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟SI進(jìn)一步包括以下步驟: 步驟SlA:固定所述攝像機(jī)的位置，使錐套正對(duì)所述攝像機(jī)，使錐套由遠(yuǎn)及近沿著所述攝像機(jī)的光軸方向向所述攝像機(jī)的位置運(yùn)動(dòng)，在錐套的運(yùn)動(dòng)過程中取多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)位置處通過所述攝像機(jī)采集錐套的圖像，并測(cè)量在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處，錐套中心距所述攝像機(jī)的實(shí)際距離； 步驟SlB:根據(jù)采集到的標(biāo)定點(diǎn)處錐套的圖像，人工確定每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處錐套黑心在圖像中的直徑； 步驟SlC:基于每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)處錐套黑心在圖像中的直徑，計(jì)算所述攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)K0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)K由下式求取:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4進(jìn)一步包括以下步驟: 步驟S4A:通過對(duì)當(dāng)前圖像進(jìn)行多閾值分割獲取分割后的圖像集合F= {gT(l，gT1，...，gTN-J，其中，gTi表示第i個(gè)分割后的圖像，N表示分割后的圖像的個(gè)數(shù)； 步驟S4B:提取圖像集合F中所有分割圖像的外輪廓獲得輪廓集合C1 ； 步驟S4C:去除輪廓集合C1中位置相近的輪廓及圓形度較差的輪廓，獲得輪廓集合C2,輪廓集合C2即為錐套位于圖像中的候選區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7中，當(dāng)前邊緣點(diǎn)的矢量角定義為:按順時(shí)針方向，當(dāng)前邊緣點(diǎn)的前一邊緣點(diǎn)指向當(dāng)前邊緣點(diǎn)的向量與當(dāng)前邊緣點(diǎn)指向當(dāng)前邊緣點(diǎn)的后一邊緣點(diǎn)的向量之間的夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7中，所述矢量角去除壞點(diǎn)是通過下式實(shí)現(xiàn)的:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，隨機(jī)選取邊緣點(diǎn)擬合得到的圓的權(quán)重等于經(jīng)過矢量角篩選后的邊緣點(diǎn)的集合中距擬合得到的圓的圓心的距離小于指定閾值的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S8中，錐套在空間中的實(shí)際位置(xp, yp, zp)通過下式求取:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟SlO進(jìn)一步包括以下步驟: 步驟SlOA:選取錐套的狀態(tài)粒子；步驟SlOB:進(jìn)行粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，以產(chǎn)生更多粒子，該步驟中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的粒子的個(gè)數(shù)為Nin+Nex，其中，Nin代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的內(nèi)部粒子的個(gè)數(shù)，Nrai代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的外部粒子的個(gè)數(shù)； 步驟SlOC:計(jì)算所有粒子的權(quán)重及對(duì)應(yīng)擬合的圓的圓心和半徑，并確定當(dāng)前幀圖像錐套的狀態(tài)及對(duì)錐套的黑心進(jìn)行分割。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S11，當(dāng)前幀圖像中錐套狀態(tài)的權(quán)重通過下式求取:
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103557792SQ201310560357
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】尹英杰, 王欣剛, 徐德, 白明然 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所