[发明专利]立体视觉结合陀螺仪风洞模型位姿测量方法

摘要

本发明立体视觉结合陀螺仪风洞模型位姿测量方法属于计算机视觉领域，涉及一种风洞复杂环境投放物模型位姿的高精度测量方法。该测量方法采用立体视觉与陀螺仪相结合的方式实现风洞环境投放物模型位姿的高精度测量；采用陀螺仪测量模型滚转角度信息，利用编码标记点直接显示二进制滚转角度值，左、右高速摄像机进行运动视场内投放物模型编码标记点序列图像采集；经图像处理后，根据各编码标记点位置信息求取投放物模型俯仰、滚转和位置信息，通过编码标志点二进制解码获得模型滚转参数。该方法简单可靠，有效的解决了风洞环境中测量数据传输难的问题。并且高亮度标志点有效抑制了噪声的影响，提高了图像采集质量有利于提高位姿测量精度。

主权项

一种立体视觉结合陀螺仪风洞模型位姿测量方法，其特征是，该测量方法采用立体视觉与陀螺仪相结合的方式实现风洞环境投放物模型位姿的高精度测量；采用陀螺仪测量模型滚转角度信息，利用编码标记点直接显示二进制滚转角度值，左、右高速摄像机进行运动视场内投放物模型编码标记点序列图像采集；经图像处理后，根据各编码标记点位置信息求取投放物模型俯仰、滚转和位置信息，通过编码标志点二进制解码获得模型滚转参数；投放物模型位姿参数求解具体步骤如下：(1)投放物模型及标志点布局在投放物模型(2)上布置标志点，根据投放物模型直径大小，标志点设有数组，每一组含有相同数量的标志点；每组标志点等距按行分布于待测类圆投放物模型圆周表面上，并且各标志点中心连线与投放物模型的轴线平行；标志点分为编码标志点(4)和常亮标志点(5)，编码标志点(4)用于滚转角的编码，常亮标志点(5)保证在每一滚转角度下都可以进行位姿求解；编码标志点(4)由安装于投放物模型内部的单轴角速率陀螺仪(3)控制，利用单轴角速率陀螺仪(3)测量的滚转角度参数控制各编码标志点(4)的亮暗以完成编码；编码时，编码标志点(4)亮记为1，不亮记为0；(2)高速序列图像采集与图像处理采用已标定好的左高速摄像机(1)、右高速摄像机(1’)进行高速序列图像采集，通过像素坐标系下的坐标与三维空间点的坐标的误差最小化函数对相机参数进行迭代求精；最小化函数方程为：min(Σi=1mΣj=1m||mi,j-m(K,Ri,ti,Mj)||2)---(1)]]>式中，mi,j为像素坐标系下的坐标，m(K,Ri,ti,Mj)表示三维空间点的坐标经过初始估计的相机参数投影变换到像素坐标系下的坐标；利用灰度重心法求取投放物模型左右图像标记点中心像面坐标，公式如下：u‾=Σu,v∈Ωu×f(u,v)Σu,v∈Ωf(u,v)---(2)]]>v‾=Σu,v∈Ωv×f(u,v)Σu,v∈Ωf(u,v)---(3)]]>其中：f(u,v)是像面坐标为(u,v)的像素点的灰度值，Ω是目标所在区域的集合，即为整个标志点，是所提取标志点的中心坐标；随后采用改进的八点归一化算法计算左、右高速摄像机的基本矩阵F；基本矩阵满足下面的关系：m'TFm＝0                        (4)其中：mi(ui,vi,1)T，mi'＝(ui',vi',1)T为三维空间点对应匹配点在左右图像上的像面齐次坐标；假设给定一个对应点的集合{mi,mi'|i＝1,2,…,n}，n≥7，当使用n对对应点时，方程(4)可以改写成如下形式：Unf＝0                          (5)其中：f＝[F11,F12,F13,F21,F22,F23,F24,F25,F26]T；Un=u1u1′v1u1′u1′u1v1′v1v1′v1′u1v11u2u2′v2u2′u2′u2v2′v2v2′v2′u2v21...........................unun′vnun′un′unvn′vnvn′vn′unvn1n×9---(6)]]>方程(4)是一个齐次方程组，并且，F在相差一个比例因子的情况下，应该有8个独立变量；但是，因为F还满足det(F)＝0，因此，在F的9个未知变量中只有7个独立变量；如果，给定n≥8组匹配点，F矩阵即可确定；在求得F矩阵后，利用左、右高速摄像机获取的数字图像之间极线约束关系进行标志点中心匹配；并对左右图像对应匹配点进行三维重建以得到标志点中心在世界坐标系下的三维坐标值，重建公式如下：xi=zXi′f1yi=zYi′f1zi=f1(f2ty-Yi′′tz)Y1(r7Xi′+r8Yi′+r9f1)-f2(r4Xi′+r5Yi′+r6f1)---(7)]]>其中：xi'，xi′′分别为对应匹配标志点中心的像面坐标；xi'＝(Xi',Yi')，Xi'，Yi'分别为xi'在像面坐标系下的横、纵坐标；xi′′＝(Xi′′,Yi′′)，Xi′′，Yi′′分别为xi‘'在像面坐标系下的横、纵坐标；(xi,yi,zi)为由两对应匹配点xi'、xi‘'重建获得的空间标记点的三维坐标；f1、f2分别对应左、右高速摄像机的焦距；为从左高速摄像机变换到右高速摄像机的旋转矩阵，[tx ty tz]是右摄像机相对于左摄像机的平移矩阵；(3)位姿求解俯仰角、偏航角及位置信息求解在完成图像标志点序列图像处理后，基于重建信息进行直线拟合完成投放物模型的俯仰角、偏航角与位置参数的求解；设通过空间直线拟合得到的直线方程为：x-x0m=y-y0n=z-z0p---(8)]]>其中，(x0,y0,z0)为空间直线上一点；(m,n,p)为空间直线的方向数；将公式(8)改写为一般形式：x=mp(z-z0)+x0=az+by=np(z-z0)+y0=cz+d---(9)]]>令利用重建的标志点中心的三维坐标分别对上面两个方程进行数据拟合，使得Qx=Σi=1m[xi-(azi-b)]2Qy=Σi=1m[yi-(czi-d)]2---(10)]]>最小，得到最优参数[a b c d]，进而得到直线的拟合参数[m n p x0 y0 z0]；然后求直线与平面的夹角以及直线中点相对于坐标系中的位置获得投放物模型俯仰角、偏航角与位置信息；具体如下：取任意平面的法向量为(A,B,C)，则空间直线与该平面的夹角公式为：令XOY坐标平面的法向量为(0,0,1)；则所求空间直线与XOY坐标平面的夹角为：sinα=|p|m2+n2+p2---(12)]]>α即为所求投放物模型的俯仰角；令YOZ坐标平面的法向量为(1,0,0)；则所求空间直线与YOZ坐标平面的夹角为：sinβ=|m|m2+n2+p2---(13)]]>β为所求投放物模型的偏航角；拟合直线的中点O(x1,y1,z1)代表投放物模型的位置信息；投放物模型滚转角度求解设根据求解要求被测投放物模型表面有M+2个标志点，其中M个编码标志点(4)用于滚转角度编码，每个编码标志点在编码过程中用二进制1表示亮，0表示不亮，另外2个标志点为常亮标志点(5)；为便于识别两个常亮标志点(5)分别位于模型的头尾两侧，各相邻标志点之间的距离为d；设在t时刻有N(N≤M)个编码标志点(4)变亮，利用左、右高速摄像机经特征提取、匹配与重建得到标志点中心的三维信息(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)…(xn,yn,zn)，然后按顺序约束依次计算各重建的编码标志点与模型尾部最近的常亮标志点的实际距离记为Di(i＝1，2…且i≤N)；计算Di=(xi-x′)2+(yi-y′)2+(zi-z′)2D1d=n1Di-Di-1d=ni,(i=2...)---(14)]]>则在第一个编码点之前有n1‑1个编码标志点不亮记为0；在第i和第i‑1个亮编码标志点之间有ni‑1个不亮编码标志点，记为0，按此种方式，并用二进制1和0按顺序对编码标志点进行解码；最后将二进制换算成十进制得到投放物模型的滚转信息。