[发明专利]一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用

说明书

本发明公开了一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用，该方法通过采用一台已知内部参数的相机，拍取一张已知内外圆半径的圆环标识图片，然后进行图像区域分割处理，提取图片中圆环曲线的边缘点，接着根据提取的边缘点拟合得到圆环曲线的二次型参数矩阵，以结合射影几何原理计算出真实圆心像点，最后根据真实圆心像点求出消隐线方程，依据曲线二次型和消隐线理论最终解算出圆环标识的转动参数和平移参数，即运动姿态。本发明相比现有技术具有以下优点：该方法能够获得较高精度的运动姿态参数，不但证明了使用单目视觉进行运动姿态测量的可行性和有效性，也为实际应用提供了一套高效、高精度、低成本的测量方案。

技术领域

本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及的是一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法。

背景技术

运动姿态测量是为了获取目标物任意时刻的空间位置和定轴转动参数，是一项重要的通用基础技术，广泛应用于航空/航天器的运动分析、机动目标试验碰撞运动分析和自动化控制等领域。相较于通过安装在目标物上的各类速度、加速度、倾角以及直线/角度光栅等传感器进行运动姿态测量的接触式测量方法，基于计算机视觉原理的非接触式测量能够对目标物进行远距离测量，目标物体上一般仅粘贴或绘制简单的测量标识图案即可进行运动姿态测量，可有效解决有源传感器和数据存储通讯系统干涉目标物运动，以及无法长时间在线持续测量等难题，已成为当前的研究热点。

此外，计算机视觉测量技术还可以同时对多目标物进行测量，在实际工程应用中，能够有效降低测量成本和系统安装、调试、维护的复杂度。在运动姿态的计算机视觉测量理论中，双/多目视觉测量是一种直观和成熟的测量理论。其本质是一种三角测距系统，即通过2台或多台空间位置不同的相机获取2幅或多幅存在视差的目标物体图像，再根据特征点的视差值及相机拍摄参数，获得特征点的空间位置信息和目标物的运动姿态信息。但该系统需要明确各台相机的内外部参数，以及相机间的相对位置参数，多相机参数的定标难度大；一次测量需处理多幅图像，特征点在多图间的匹配算法复杂，特别是进行实时在线测量时，需要匹配高性能的计算设备。

针对上述问题，本文提出了一种采用1台已知内部参数的工业相机进行运动姿态测量的原理和方法。通过内部参数定标，在目标物体上粘贴或绘制已知内外半径参数的圆环形标识，这样，圆环标识的运动姿态即代表目标物体的运动姿态，每次测量时仅需获取1幅圆环标识图像即可计算出该时刻目标物的空间位置、定轴转动参数，即表征运动姿态的参数。所提方法可实现目标物体运动姿态的高效、高精度、低成本测量。。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法及其应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种圆环标识的运动姿态视觉测量方法，其特征在于步骤如下:

步骤一、拍摄目标圆环照片，并提取目标圆环边外圆边缘点和内圆边缘点，

1.1、用张正友法标定相机的内部参数，并对已知内外圆半径的圆环标识拍取一张图片，

1.2、对步骤1.1所获得的图片进行图像区域分割处理并提取图片中目标圆环外圆边缘点和内圆边缘点；

步骤二、计算圆环标识的真实圆心像点，

2.1、取至少五组圆环外圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵，取至少五组圆环内圆曲线的边缘点，采用最小二乘法拟合出目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵；

2.2、利用步骤2.1获得的目标圆环外圆曲线的二次型参数矩阵和目标圆环内圆曲线的二次型参数矩阵，结合射影几何原理得到圆环标识的真实圆心像点；

步骤三、计算转动参数，

计算圆环图像的消隐线方程，结合步骤1.1标定的相机内部参数确定至少两个平行于圆环标识平面的任意单位向量，与这两个单位向量垂直的单位向量即是圆环的转动参数；