[发明专利]一种基于透视投影的空间圆形目标旋转运动参数测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动参数测量方法，尤其涉及一种基于透视投影的空间圆形目标旋转运动参数测量方法，属于圆形目标旋转参数测量领域。

背景技术

从二维图像坐标中估计物体的三维信息是计算机视觉的一个基本问题。目前，对空间三维物体的跟踪和识别已经在智能机器人、自动汽车导航、摄像机标定及工业计量等领域中得到广泛的应用。基于计算机视觉和图像处理的图像分析方法已经成为在许多领域如实时测量、位置估计中普遍使用的方法。在过去已有的研究中，主要使用的特征为点、线和圆特征。作为一种特殊的二次曲线，圆形最为常见，常被用来进行三维定位估计，其原因主要有以下几个方面：

(1)许多产品有圆形的孔或圆形的表面轮廓，如各种工件、零部件的定位孔等；

(2)在数学的观点来看，圆具有以下特征：任意姿态下的圆，其透视投影总为椭圆，因为椭圆的中心对称性，所以可以用三个参数来唯一确定；

(3)圆具有高的图像定位精度；

(4)圆具有简单和紧凑的结构，易于识别。

因为具有上述特性，圆形特征已经被应用在各种计算机视觉相关的领域。例如，使用圆形标志来进行移动机器人位置的精确估计、使用圆形标志来进行三维物体的识别、使用圆形表面轮廓来进行目标的三维姿态估计等。虽然已有许多国内外研究人员对空间圆形特征的位置和姿态进行了研究，并出现了利用圆形目标进行摄像机位置估计、摄像机标定等研究，但是对于圆形特征的运动，尤其是旋转运动的研究成果还未出现。圆形目标的旋转运动经常出现在实际生产中，如何测量圆形目标的旋转运动参数已经成为一个亟待解决的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于透视投影原理的空间圆形目标旋转参数的测量方法。

该方法针对圆形目标的旋转角度在±90°之内的情况，具体内容如下：

(1)通过拍摄已知尺寸的水平放置物体的图像，计算摄像机的有效焦距：

f=wLW]]>

式中：w为摄像机成像平面上目标物体像的宽度；W为目标物体的宽度；L为目标物体与摄像机镜头的距离；

(2)基于摄像机透视投影原理，计算圆形目标的旋转角度：

I、计算圆形目标在初始平面内做旋转运动的旋转角度：

旋转角度α＝arctank，k为在摄像机成像平面上圆形目标直径像的斜率；

连续拍摄圆形目标，当斜率k逐渐增大时，判定该圆形目标为逆时针旋转，为正方向；当斜率k逐渐减小时，判定该圆形目标为顺时针旋转，为反方向；

II、计算圆形目标在非初始平面内做旋转运动的旋转角度：

①计算旋转轴通过圆形目标直径时旋转运动的旋转角度：

旋转角度α=arcsin(R1-R2)l(R1+R2)r]]>

式中：R₁、R₂分别为在摄像机成像平面上圆形目标垂直于旋转轴的直径上的两个半径像的长度；l为摄像机光心与圆形目标圆心的距离；r为圆形目标的半径，下同；

连续拍摄圆形目标，当α逐渐增大时，旋转方向为正方向；当α逐渐减小时，旋转方向为反方向；

②计算旋转轴不通过圆形目标直径时旋转运动的旋转角度：