[发明专利]坐标循环逼进式正交摄像机系统视频定位方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于视频的三维信息定位方法及摄影系统装置。特别涉及一种光轴按正交方式配置的摄像机系统及其三维定位方法。该方法使平面摄像机光轴按照正交方式布置，可通过坐标循环逼进的迭代方式迅速准确地逼近静止目标或跟踪动态目标的三维位置，可用于多种需要三维测量定位的场合。 

背景技术

视觉空间定位技术是建立在计算机视觉理论上的三维测量方法。它利用若干位置相对固定的相机，从不同角度获取同一场景的多幅图象，通过计算空间点在两幅图象中的视差来获得其三维坐标。基于摄像机系统的视觉定位具有非接触性、速度快、自动化程度高的特点，其方便性、低成本性使它得到了非常广泛的应用。 

实现视觉空间定位的摄像机系统分为单目、双目和多目摄像机系统。单目视觉及双目视觉的研究较为透彻，大部分已有的定位方法都是基于单目摄像机系统或双目摄像机系统，或者在多目摄像机环境下运用单目视觉算法[1]；这种视觉测量方法在测量过程中必须先确定各视角图象坐标系之间的位置关系，才能确定各个视角的投影矩阵，进而获取三维信息。因此双目视觉系统一般是将两个相机平行布置，保证光轴平行，利用三角形测量原理对图像特征点进行匹配和定位，由解析几何建立线性方程进行求解，其定位精度也与视差大小有关。 

多目视觉技术正在发展当中，一般的多目视觉系统的摄像机布置方案与双目视觉系统相似，多摄像机布置的目的是为了获得更大的视场角。目前国内外也有按照正交布置的多摄像机系统，国外一些最新的研究提出了基于正交摄像机系统提取图像特征进行三维跟踪的方法，如Enrique Munoz[2]等人在通过估算表征摄像机与目标相对位置函数参数的基础上提出的正交摄像机下的高效3D跟踪。但现有的基于正交摄像机系统的目标定位方法仍是沿用单目摄像机系统的目标定位方法，使用复杂的立体视觉模型，采用复杂的 计算方法试图在同一步计算中同时确定目标的三维坐标值。 

在计算机视觉系统中，也有采用正交迭代思想进行位姿估计[3]，但这种算法是仍属于基于点特征的单目视觉算法，摄像机布置并没有采用正交方式。 

[1]游素亚，徐光佑，立体视觉研究的现状与进展，中国图形图象学报 

[J].1997，2(1)：17～23. 

[2]Enrique Munoz，Efficient Tracking of 3D Objects Using Multiple OrthogonalCameras[C]，Electronic Proceedings of the 19th British Machine Vision Conference，Leeds，UK，2008. 

[3]许允喜，蒋云良，陈方，多摄像机系统位姿估计的广义正交迭代算法，光学学报[J].2009，29(1)：72～77. 

发明内容

本发明的目的是克服现有目标定位技术中模型复杂、计算繁琐、速度慢以及大量消耗计算机资源的缺点，提供一种应用正交摄像机系统的视频定位方法及系统，系统中采用坐标循环逼近的方法，构造具有优良收敛性的迭代算法，实现了快速精确的定位。此方法可提高定位的效率、精度和灵敏度，可用于机器人视觉、智能人机交互，虚拟现实和智能监控等领域。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

本发明坐标循环逼进式正交摄像机系统视频定位方法，其特征在于，X轴、Y轴、Z轴上各有一台摄像机，坐标原点位于三个摄像机光轴交点，可得到目标成像平面位置U、目标距相机光心距离L、目标与光轴的垂直距离H以及摄像机对应焦距F间存在如下比值关系： 

L/F＝H/U    (1) 

所述方法包括如下步骤： 

第一步，初始化：给定目标的位置初值(x₀，y₀，z₀)，其中x₀，y₀，z₀分别为目标在X轴、Y轴、Z轴上的空间坐标值； 

第二步，对应于X轴上的摄像机S₁，根据x₀坐标，求出目标沿此摄像机光轴的距离L₁＝|P₁-x₀|，按(1)式可求出目标与此摄像机光轴相对于Y轴和Z轴的两个垂直距离H值，也即目标在Y轴上的坐标值y₁和Z轴上的坐标值z₁；