基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法
【專利摘要】基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法，屬于計(jì)算機(jī)視覺測量【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是：將室內(nèi)場景中的一些低秩紋理如天花板上的方格紋理，用于攝像機(jī)位置和姿態(tài)的測量。通過攝像機(jī)拍攝低秩紋理的圖像，用歐拉角表示攝像機(jī)拍攝時(shí)的投影矩陣，并通過求解關(guān)于低秩紋理成像模型的優(yōu)化問題求得表示攝像機(jī)姿態(tài)的歐拉角；再進(jìn)一步結(jié)合場景中紋理的幾何關(guān)系和攝像機(jī)成像原理解出攝像機(jī)在場景中的位置。本發(fā)明的效果和益處是，能夠利用室內(nèi)場景中的低秩紋理特征實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)姿態(tài)和空間位置6個(gè)自由度的測量，且在測量過程中，攝像機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使視覺測量的應(yīng)用范圍更廣。
【專利說明】基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于低秩紋理的攝像機(jī)空間姿態(tài) 和位置測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)測量技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的技術(shù)。隨著近年來C⑶技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不 斷提高，視覺測量技術(shù)以其適用范圍廣、精度高的特點(diǎn)，受到了研究者越來越多的關(guān)注。視 覺定位技術(shù)采用一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)從場景中獲取含有特征的圖像，通過不同方法對圖像特 征進(jìn)行表達(dá)和提取，最終利用這些特征提供的信息求解攝像機(jī)在空間中的位置和姿態(tài)。圖 像的特征分為局部特征和全局特征。局部特征主要包含角點(diǎn)、直線等。目前大多數(shù)視覺定 位方法基于圖像局部特征，從圖像中提取點(diǎn)或直線等以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)定位。這類方法的測量 精度依賴于局部特征提取的精度，極易受到噪聲干擾，且在一些場合中精度往往達(dá)不到實(shí) 際應(yīng)用的要求。全局特征主要是圖像的顏色、紋理等。紋理在室內(nèi)的天花板、地板或者墻壁 等平面上比較容易找到，常具有重復(fù)性或?qū)ΨQ性，可以利用紋理所具有的這些特征進(jìn)行攝 像機(jī)相關(guān)測量。但目前使用紋理特征進(jìn)行攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量的方法較少。
[0003] 另外，目前各方法多只將攝像機(jī)放置在某一個(gè)平面內(nèi)，固定安裝攝像機(jī)的拍攝角 度，攝像機(jī)拍攝時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。除此之外，大多數(shù)方法僅求解了攝像機(jī)在其所放置平面內(nèi)的二 維位置坐標(biāo)，未求解攝像機(jī)在空間中的三維坐標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法。該方法采 用安裝角度不固定的攝像機(jī)拍攝室內(nèi)場景中一些具有低秩特征的紋理，如天花板上的方格 紋理等，通過處理所拍攝圖像進(jìn)行攝像機(jī)空間位置和姿態(tài)6個(gè)自由度的測量。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 采用攝像機(jī)拍攝室內(nèi)場景中的一些紋理圖像，如天花板上的方格紋理等。用歐拉 角表示低秩紋理成像模型中的投影矩陣，通過優(yōu)化方法求解歐拉角表示的低秩紋理成像模 型，解出表示攝像機(jī)姿態(tài)的歐拉角。再進(jìn)一步利用紋理的幾何特點(diǎn)和攝像機(jī)的成像關(guān)系，求 解攝像機(jī)在空間中的位置。下面將對技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹，首先介紹低秩紋理及攝像 機(jī)對低秩紋理的拍攝，然后介紹如何利用紋理的低秩特性求解攝像機(jī)姿態(tài)，最后介紹求解 攝像機(jī)空間位置的步驟。
[0007] 步驟一：獲取包含低秩紋理的圖像
[0008] 實(shí)際場景中的天花板、地面、墻壁上常可以抽象出如圖1所示的紋理。這些紋理具 有對稱性和重復(fù)性。由于這些紋理的圖像矩陣的秩較低，我們將這些紋理稱為低秩紋理。這 里給出低秩紋理的定義：通常二維（2D)的紋理被認(rèn)為是在平面R2上定義的函數(shù)I°(x，y); 如果函數(shù)族I°(x，·）橫跨有限低維子空間，則將紋理1°定義為低秩紋理。如式（1)所示， 對于某較小的整數(shù)k:
[0009]

【權(quán)利要求】
1.基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法，其特征在于，步驟如下： 步驟一：獲取包含低秩紋理的圖像 用標(biāo)定好焦距和主點(diǎn)位置的攝像機(jī)對場景中的低秩紋理進(jìn)行拍攝，獲得包含低秩紋理 的圖像； 步驟二：利用拍攝的低秩紋理圖像求解攝像機(jī)拍攝姿態(tài) 在CXD中心建立圖像坐標(biāo)系，在低秩紋理平面上建立世界坐標(biāo)系，在攝像機(jī)光心處建 立攝像機(jī)坐標(biāo)系，并基于上述坐標(biāo)系推導(dǎo)出低秩紋理上一點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間的 關(guān)系，如式（2):
式（2)中（u，V)為低秩紋理上一點(diǎn)的像素坐標(biāo)，（X。，y。，z。）為該點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)，（xw,yw,zw)為該點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；s為一個(gè)非零的比例因子,N為攝像機(jī)的內(nèi) 參數(shù)矩陣，f為攝像機(jī)的焦距；dx,dy分別表示U、V方向的像元尺寸，（Uci,Vci)為攝像機(jī)光心 在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，也即主點(diǎn)坐標(biāo)；<、7；':分別表示攝像機(jī)相對于世界坐標(biāo)系的旋 轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣； 用歐拉角表示攝像機(jī)拍攝低秩紋理時(shí)的投影矩陣；并基于式（2)將低秩紋理成像模 型修改為基于歐拉角的低秩紋理成像模型，將攝像機(jī)姿態(tài)的求解問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)優(yōu)化問 題：丨"mrank(Z0) +l||i?||〇 ^ 4h\其中I。表示原始的低秩紋理圖像，I表 示低秩紋理的實(shí)際拍攝圖像，T表示投影變換所依賴的參數(shù)集，包含6個(gè)參數(shù)，分別為攝 像機(jī)坐標(biāo)系各軸繞世界坐標(biāo)系各軸旋轉(zhuǎn)的三個(gè)歐拉角0X、0y、ejp表征攝像機(jī)光心相對 于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)的歸一化位移量t' i，t' 2，t'3;符號(hào)〇表示將投影變換作用在I上 的一種運(yùn)算，E表示隨機(jī)噪聲，IIEII^表示隨機(jī)噪聲E中非零元的個(gè)數(shù)，入為E的權(quán)值； 利用增廣拉格朗日乘子法求解該優(yōu)化問題，解出表示攝像機(jī)姿態(tài)的歐拉角參數(shù)；求解 歐拉角的具體步驟如下： 51、 接受所拍攝的低秩紋理圖像作為輸入圖像，設(shè)定T的初值為T^ = (0, 0, 0, 0, 0, 1)，其前三個(gè)參數(shù)表示歐拉角的初始值，后三個(gè)值表示歸一化位移的初始值； 選定收斂精度e> 〇 ;選定權(quán)值A(chǔ)> 0 ; 52、 在輸入圖像上取含有低秩紋理的矩形窗，所得圖像記為I; 53、 對圖像I，重復(fù)以下迭代步驟，直到目標(biāo)函數(shù)f=I|I°|L+AI|E|I1^局收斂： 將圖像I進(jìn)行歸一化，并將歸一化的值重新賦給I; 對I求取關(guān)于歐拉角和歸一化位移的雅克比矩陣； 用增廣拉格朗日乘子法求解式（12)所表述的問題，得到T的局部最優(yōu)解T' ：
其中11ijL表示Icl的核范數(shù)，I|e11i表示隨機(jī)噪聲E中非零元的個(gè)數(shù)的Ii-范 數(shù)，I(Uij(T)，Vij(T))為用像素值（U，V)表示的圖像I，且U，V均是關(guān)于T的函數(shù)， vy.(r))為I關(guān)于T的雅克比矩陣，AT為丁的增量，i，j分別表示I的行序號(hào)和 列序號(hào)； 應(yīng)用〇運(yùn)算，將局部最優(yōu)解T'對應(yīng)的投影變換作用在圖像I的每一個(gè)點(diǎn)上，這樣I便轉(zhuǎn)化成了一幅新的圖像；將所得的新圖像重新賦值給I; S4、輸出全局最優(yōu)解T%其前三個(gè)值即為表示攝像機(jī)姿態(tài)的歐拉角的值； 步驟三：利用成像原理和低秩紋理幾何關(guān)系求解攝像機(jī)在空間中位置 在低秩紋理上選取兩個(gè)特征點(diǎn)，測量其在空間中的幾何關(guān)系，計(jì)算其在世界坐標(biāo)系下 的坐標(biāo)，同時(shí)從攝像機(jī)拍攝的圖像上提取特征點(diǎn)對應(yīng)的像素點(diǎn)，得到特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)；利 用針孔成像原理推導(dǎo)出攝像機(jī)位置的求解公式：
其中（〇<，〇表示世界坐標(biāo)系原點(diǎn)〇w在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；表示 攝像機(jī)光心0。在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(upi，Vpi)表示特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)；(Utl,Vtl)為攝像 機(jī)主點(diǎn)，fd為攝像機(jī)像的焦距；4 =rIlX廠+ri2W+ri3 =GA'' + 'U''' +?<， q+r3y，且i,j= 1，2 ;R"為投影矩陣的逆陣充丨/1中參數(shù)，參數(shù)rm為投影 矩陣疋中參數(shù)，m，n= 1，2, 3,如式（3); 將歐拉角的值、特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和特征點(diǎn)的像在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)帶 入公式（15)和（17)，計(jì)算得出攝像機(jī)的空間位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低秩紋理的攝像機(jī)位置和姿態(tài)測量方法，其特征在于， 步驟二中〇運(yùn)算的步驟為將低秩紋理Itl上一點(diǎn)（ui，V1)通過式（6)，轉(zhuǎn)化成圖像I上的對 應(yīng)點(diǎn)（U2,V2):
【文檔編號(hào)】G06T7/40GK104504691SQ201410777911
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】孫怡, 張婷婷 申請人:大連理工大學(xué)