[发明专利]基于迭代更新的单目相机位姿测量装置与方法

说明书

本发明提供了基于迭代更新的单目相机位姿测量装置与方法，属于图像处理和高精度测量领域。本发明所述基于迭代更新的单目相机位姿测量装置中，相机支架与工业相机固定连接，工业相机放置在待测目标的上方，待测目标在运动平台上做二维平动和一维转动，工业相机的信号输出端与图像采集卡的信号输入端连接，图像采集卡的输出端与位姿测量工控机的输入端连接。基于迭代更新的单目相机位姿测量方法的具体步骤为：根据测量图像提取得到的二维测量数据反推三维世界坐标；通过位姿迭代更新的方式实现对待测目标的位姿测量。本发明提出的用于位姿测量系统测量精度标定的装置与方法，仅需拍摄一次测量图片即可获得大量测量数据，大大简化了测量精度标定过程。

技术领域

本发明涉及基于迭代更新的单目相机位姿测量装置与方法，属于图像处理、图像跟踪和高精度测量领域。

背景技术

论文“空间目标的单目视觉位姿测量方法研究”(国防科学技术大学博士学位论文，夏军营，20121108)提出了一系列基于特征点求解目标位姿的算法，包括正交迭代算法、平行透视迭代算法以及基于差分进化的同时位姿估计与对应确定算法。该论文提出的算法可以为空间机动平台在天基背景下实时获取目标的近距/超近距形态信息提供技术支撑，还可以进一步推广到视觉伺服、移动机器人定位与导航和虚拟现实等应用领域。虽然可以为空间机动平台在天基背景下实时获取目标的近距/超近距形态信息提供技术支撑，但是测量算法太过于复杂，需要计算的参数较多，在实际的工程应用中存在调试困难的问题。

论文“基于单目视觉的相机位姿解算”(电子科技2017年第30卷第12期，王鹏，20171215)中提出了一种用于机器人定位的单目视觉测量方法。该方法以屋顶上打的结构光点作为观测数据来源，设计利用匹配特征点之间的关系，解算单目相机位姿的系统。经实验验证可以有效地实现对于机器人的定位。虽然可以采用单目相机实现对机器人的定位，但是其位姿解算过程中使用了需要大量计算的P3P算法，位姿测量算法的运行时间较长，不适合应用在实时性要求较高的场合。

专利“一种位姿估计的正交迭代优化算法”(发明专利，赵越，20131210)提出了一种用于位姿估计的正交迭代优化算法，该方法利用已知旋转矩阵作为初值求取最优的位姿估计。该方法具有迭代次数少、计算精度高、计算速度快且全局收敛的优点，能够很好地避免近距离计算平移向量时误差较大、数据恶化的错误情况，提高了求取位姿估计的精度。虽然能避免近距离计算平移向量时误差较大、数据恶化的错误情况，提高位姿求取精度，但是采用了最优化的方式求解位姿，与直接计算位姿相比会存在迭代不收敛的问题，位姿测量系统的鲁棒性较差。

基于此，本专利提出基于迭代更新的单目相机位姿测量装置与方法。首先，提出了一种根据图像得到的二维测量数据反推三维世界坐标的方法，与传统的PnP迭代算法相比具有计算方便、实时性高的特点。之后，提出了一种基于迭代更新的位姿解算方法，该方法根据相邻两时刻的世界坐标迭代更新待测目标的位姿信息，具有初始姿态标定过程简单、位姿迭代过程计算量小的特点。最后，提出了一种用于位姿测量系统测量精度标定的装置与方法，仅需拍摄一次测量图片即可获得大量测量数据，从而实现对位姿测量精度的标定。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题，进而提供基于迭代更新的单目相机位姿测量装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于迭代更新的单目相机位姿测量装置，包括工业相机、相机支架、待测目标、运动平台、图像采集卡和位姿测量工控机，相机支架与工业相机固定连接，工业相机放置在待测目标的上方，待测目标在运动平台上做二维平动和一维转动，工业相机的信号输出端与图像采集卡的信号输入端连接，图像采集卡的输出端与位姿测量工控机的输入端连接。

基于迭代更新的单目相机位姿测量方法，所述基于迭代更新的单目相机位姿测量方法的具体步骤为：

步骤一：根据测量图像提取得到的二维测量数据反推三维世界坐标；