[发明专利]一种逼近状态下旋转目标位姿测量的方法

权利要求书

1.一种逼近状态下旋转目标位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据目标已知的模型数据，构造目标的三维特征库；

步骤二：在测量设备逼近旋转目标的过程中，对旋转目标采集图像，输入起始帧图像，对起始帧图像滤波去除噪声，并进行阈值分割，得到目标在图像中的大致位置，通过图像腐蚀膨胀运算，进行目标定位，在实现目标定位的基础上，消除背景的干扰因素，在目标所处的区域提取目标轮廓；

步骤三：基于步骤一中构造的三维特征库，从输入图像序列的第2帧开始，从目标轮廓包围的内部区域提取目标图像的椭圆特征与角点特征，确定图像中角点特征与目标的角点的对应关系，实现图像中角点特征与三维特征库中的目标的角点匹配；

步骤四：基于交比不变插值获得更多的特征点，为步骤五中的位姿参数优化提供数据支持；

步骤五：利用目标图像的椭圆特征解算目标相对位置，利用图像中角点特征解算目标姿态，并通过利用图像中角点特征解算的目标姿态，消除解算目标相对位置的二义性，得到初始位姿参数；以初始位姿参数为初值，结合步骤三中图像中角点特征与步骤四中插值得到的特征点，构造重投影误差为目标函数，对目标的初始位姿参数进行位姿参数优化，最终得到当前准确的目标位姿量；

所述步骤四具体包括：

(1)利用步骤二得到的目标轮廓，计算目标的4个顶点及目标中心点；

(2)利用目标的4个顶点中对角的2个顶点连线，选取不同比例因子，在顶点连线上进行插值，得到更多的特征点，插值依据是交比不变原理。

2.根据权利要求1所述的一种逼近状态下旋转目标位姿测量的方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法包括：

(1)首先需要在目标的已知CAD模型上定位一系列三维角点；

(2)对待测目标拍摄高质量图像序列，将图像特征点的ORB特征描述子对应于目标模型三维角点，使得模型三维角点得到图像的纹理和灰度信息，从而建立目标的三维特征库。

3.根据权利要求1所述的一种逼近状态下旋转目标位姿测量的方法，其特征在于：所述步骤二具体包括，

(1)利用高斯滤波与直方图均衡，去除输入图像噪声，增强图像对比度；

(2)采用阈值可自动调整的大津阈值分割方法，在增强对比度后的图像中分割出目标大致范围；

(3)利用形态腐蚀膨胀运算，在得到的目标大致范围的基础上，获得目标的备选区域作为前景目标区域；

(4)在获得的前景目标区域范围内，确定最终目标所在的区域，实现对目标定位；

(5)在目标所在的区域中，通过Sobel算子提取图像边缘，找出最长的边缘，即目标轮廓，完成对目标轮廓的提取。

4.根据权利要求1所述的一种逼近状态下旋转目标位姿测量的方法，其特征在于：所述步骤五具体包括：

(1)利用目标图像的椭圆特征，计算椭圆参数解算目标相对位置；

(2)利用图像中角点特征解算目标姿态；

(3)利用图像中角点特征解算的目标姿态，消除解算目标相对位置的二义性，得到目标的初始位姿参数，具体为，假设未旋转前，目标上安装的圆环结构的圆心在世界坐标系下的法向量为n₀＝[0 0 -1]^T，当目标旋转后，该圆心在世界坐标系下的法向量为：

n′＝Rn₀ (1)

其中，旋转矩阵R为利用图像中角点特征解算得到的目标姿态，假设由目标图像的椭圆特征的椭圆参数计算得到的两组可能解中的法向量，分别为n₁与n₂，分别计算n₁和n′的夹角与n₂和n′的夹角，在得到的2个夹角中选择夹角最小的对应的法向量n作为正确的法向量，即：

正确的法向量所对应的圆心位置即为正确圆心位置，正确圆心位置即目标相对位置，由此消除解算目标相对位置的二义性，得到目标的初始位姿参数；

(4)基于重投影误差的位姿参数优化，得到在当前时刻准确的目标位姿量，具体为，获得以步骤三得到的图像中角点特征与步骤四中插值得到的特征点，构造重投影误差为目标函数，以目标的初始位姿参数为初值，采用Levenberg-Marquardt算法，对目标的初始位姿参数进行优化，从而得到在当前时刻准确的目标位姿量。