[发明专利]单相机测量物体三维位置与姿态的方法

说明书

技术领域：

本发明属于信息技术中的视觉测量领域，涉及一种利用相机标定与目标检测来确定待测目标的三维位置与姿态的视觉测量方法。

背景技术：

视觉测量方法能够对空间几何尺寸进行精确测量和定位，是目前信息技术中的一个重要的研究领域，已经在产品在线质量监控、微电子器件的自动检测、各种模具三维形状的测量以及机械手的定位与瞄准等领域得到应用。目前一般采用双目相机或者单相机加光投射器的方式来实现三维测量。为了提高测量精度，要求两个相机之间的距离尽可能大，这就使得测量系统的体积增大，重量增加。并且一般情况下，大多数测量物体都是刚性物体，通过视觉测量系统来获得该物体在三维空间中的几何参数和位置姿态等信息。本发明采用单相机来实现三维测量，降低了成本和测量系统的体积与重量，并且便于操作。除了能够测量刚性物体的空间几何参数和位置姿态等信息，对于形变不大的非刚性物体，本发明还能够检测到该物体产生的形变，如检测建筑物发生的形变等。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种成本低，易实现的视觉测量方法以实现对目标的检测并测量其三维位置与姿态，即利用单相机获得待测目标的图像，通过精确识别待测目标上的标记点，来确定待测目标的实时三维位置与姿态信息。

为达到本发明目的，本发明采用视觉测量技术，首先根据检测场景和范围选定合适的相机，并对相机进行标定，获得相机的内外参数；根据待测目标设计目标标记点并将标记点合理布局；然后根据相机捕获的图像进行目标检测和特征点的识别，并将检测到的特征点与标记点进行匹配；最后根据测量点与物体标记点的对应关系来求待测目标的三维位置与姿态信息。对于非刚性物体还能够检测到物体是否有变形。

单相机测量物体三维位置与姿态的方法，其特征在于：包括相机标定，目标标记，特征点的检测，特征点与标记点的匹配和目标三维位置与姿态信息的计算五个步骤；

步骤1：根据工作环境选择合适的相机，考虑焦距、视角、畸变等参数，使得相机在特定的范围内都能够对目标清晰成像，为了建立视觉测量系统中三维世界坐标和二维图像坐标的映射关系，需要对相机进行标定，即确定相机的内外参数，所述的相机的内参数是指相机的焦比、光心及成像坐标系两轴间的夹角；外参数是指旋转矩阵和平移向量；

步骤2：对目标进行标记，即将标记点标记在目标上，以便准确快速的检测和识别；

步骤3：对相机采集的图像进行图像处理，获得图像中的所有特征点，计算各特征点在图像中的位置，所述的图像的特征点是成像后待测目标上的标记点；

步骤4：在检测出的所有特征点中确定用于匹配的特征点，将其与目标标记点进行匹配，获得二维坐标与三维坐标的对应关系，所述的标记点是待测目标上标记点；

步骤5：根据特征点与标记点的对应关系，计算目标的三维位置与姿态信息，所述的三维位置与姿态信息是待测目标在三维世界坐标系中的三维坐标和其相对于坐标系的偏转角度。

实现上述视觉检测测量方法，按以下具体步骤进行：

步骤1.1建立二维坐标和三维坐标之间的映射关系，令图像点p＝(u，v，1)^T是空间一点^CP＝(x，y，z，l)^T在图像平面的齐次坐标，则规一化图像坐标的齐次坐标为：