[发明专利]基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统，测量方法如下：(1)设计5个黑色圆形靶面特征点，靶面的4个顶角处设置4个特征点，靶面的中心设置1个特征点；(2)基于特征点的自标定，求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息；(3)特征点识别及质心定位。测量系统包括沿无咋轨道长度方向等间距设置多个图像式沉降监测仪，每个监测仪的摄像机镜头对准自身前方或后方监测仪内的激光光源，列车行进方向的最前端的图像式沉降监测仪的输出端与数据采集分析终端的输入端连接。本发明实现了靶面位姿的实时非接触式测量，测量快速准确，成本低，实施便捷，可广泛应用于无砟轨道表面沉降监测。

技术领域

本发明属于无砟轨道表面沉降监测技术领域，尤其涉及一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统。

背景技术

视觉监测法是一种新型非接触式的即刻式沉降测量方法，该测量方式简单、速度快、测量精度高，可以实现接力传递式的自动化测量。然而，在测量过程中，容易忽略因现场安装偏差以及靶面松动引起的靶面与相机的相对偏转问题，导致测量结果产生偏差，因此有必要对靶面与相机间的相对偏移情况进行研究，即对靶面相对位姿进行测量。

基于二维标定物的摄像机标定方法通过拍摄多幅不同角度的图像进行标定，依据标定过程中参照物的不同分为传统的标定方法和自标定方法，目前应用最广泛的则是一种介于传统标定和自标定之间的平面标定法。但对于铁路在线监测条件下采用该方法则存在以下问题：①标定板精度要求高，制作成本大；②监测现场环境限制导致对每个监测点的测量很难实施，且维护成本高；③标定过程缓慢。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法及系统，通过对靶面图像的实时图像处理，得到靶面特征点的特征信息进行相机位姿自标定，建立了基于图像处理的靶面相对位姿测量系统。

本发明是这样实现的，一种基于特征点的靶面相对位姿测量方法，包括如下步骤：

(1)设计靶面特征点：

设置5个圆形靶面特征点，其中4个靶面特征点分别设置于靶面的4个顶角处，另1个靶面特征点设置于靶面的中心，所述靶面特征点为黑色；

(2)基于特征点的自标定：

分别估计出每帧图像对应的被测目标世界坐标系与相机坐标系间的转换关系，以相机坐标系为中介，即可求出被测标靶沉降前后的位置和姿态信息；

(3)特征点识别及质心定位：

对获取的初始靶面图像进行处理，提取特征点及质心定位，质心求取算法实现步骤如下：

①对输入的图像进行预处理；

②进行图像分割；

③进行形态学处理；

④裁剪感兴趣区域；

⑤采用灰度质心法求质心，并标记；

⑥输出质心坐标。

优选地，所述步骤(1)中靶面的4个顶角处的水平和竖直方向的相邻靶面特征点相距15mm，所述靶面特征点的直径为2mm。

优选地，所述步骤(2)中，求取被测标靶沉降前后的位置和姿态信息的具体步骤如下：

取三维欧式空间中任意一点P，在两个不同坐标系中的坐标设为P₁(x₁,y₁,z₁)和P₂(x₂,y₂,z₂)，则P₁→P₂的转化如下式：

P₁＝RP₂+t (1)