[发明专利]一种高速滚转体位姿测量方法

权利要求书

1.一种基于视觉的高速滚转体位姿测量方法，其特征是，采用双目视觉系统，利用左右两个高速摄像机（1、1’）实时采集被测滚转体（7）的运动图像，由图形工作站（6）将左右两个超高速摄像机（1、1’）传输来的图片信息进行处理；采用特殊标记点的方式，在被测滚转体（7）表面均匀加工出36个位置已知的标记点，解决被测滚转体（7）在运动过程中表面标记点消隐问题；并且，采用特殊的标记点布局形式，将被测滚转体（7）绕自身轴线每转动30度加工3个共线的标记点，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题，测量方法的具体步骤如下：

首先通过图形工作站控制四维正交电控位移平台（3、3’）移动，调整超高速摄像机（1、1’）的测量位置，然后打开两个低角度光源（2、2’）.以提高测量空间的亮度，最后由图形工作站（6）进行双目图像标定、双目图像的特征点提取、滚转体特征点的匹配、滚转体位姿测量；

（1）两个高速摄像机的标定

首先应用张氏标定方法标定出两相机的内外参数，然后通过双目系统对已知空间参照物的重建约束作为优化目标，对双目系统中左右两个高速摄像机（1、1’）的内外参数进行整体优化；标定所用平面靶标是标定常用的棋盘格标定板，棋盘格标定板上各角点的世界坐标是已知的，而由双目系统重建出来的各靶标角点坐标应与实际坐标相符，各靶标角点坐标与实际坐标的偏差目标函数f(x)如下所示：

f(x)=(X_d-X_r)²+(Y_d-Y_r)²+(Z_d-Z_r)²              (1)

其中：X_d，Y_d，Z_d为各角点的实际坐标，而X_r，Y_r，Z_r为重建得到的各角点坐标，则可建立目标函数F(x)如下：

F(x)=minΣi=1Nf(x)2---(2)]]>

针对该目标函数F(x)应用Levenberg－Marquardt(LM)方法进行优化，可得到双目视觉系统各摄像机内外参数的全局最优解；

（2）标记点特征的提取

采用梯度重心法提取被测滚转体（7）运动时表面的标记点，首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下：

C=Σi=-hhΣj=-ww[|G(i,j)|·P(i,j)]/Σi=-hhΣj=-ww|G(i,j)|---(3)]]>

其中：C为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标；

（3）标记点的匹配与标号

采用特殊的标记点布局形式，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题；首先在被测滚转体（7）表面均匀加工位置已知的标记点，具体布局方式如下：

特殊的布局方式为：在被测滚转体（7）表面绕被测滚转体（7）轴线每隔30度加工出一组标记点，共12组，每组有3个共线点，3个共线点分别分布在被被测滚转体（7）的头部，尾部和中间部分；将36个标记点进行1-36个数字的标号，即确定了所有36个标记点的位置关系；

图像标记点的匹配方法首先对左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点与右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点进行初匹配，初匹配方法如下：先利用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算出左右两高速摄像机（1、1’）的基本矩阵F，再通过左高速摄像机（1）拍摄图片与右高速摄像机（1’）拍摄图片的极限约束关系进行图像标记点的初匹配，如果左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点x_l与右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点x_r匹配的话，即满足极限约束条件，极限约束条件如下所示：

xlTFxr=0---(4)]]>

其中：x_l为左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点；x_r为右高速摄像机（1）拍摄的与x_l匹配的图像标记点；F为左右两个高速摄像机（1、1’）间的基本矩阵；

然后将所有满足极限约束条件的左右图像标记点进行三维重建，重建出空间标记点在世界坐标系下的三维坐标值，其重建公式如下所示：

x=zX1f1]]>

y=zY1f1---(5)]]>

z=f1(f2ty-y2tz)Y1(r7X1+r8Y1+r9f1)-f2(r4X1+r5Y1+r6f1)]]>

其中：x_l=[X₁ Y₁]，X₁,Y₁分别为左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点x_l的横、纵坐标；x_r=[X₂ Y₂]，X₂,Y₂分别为右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点x_r的横、纵坐标；(x y z)为由左两图像标记点x_l和右两图像标记点x_r重建出来的空间标记点的三维坐标；f₁、f₂分别为左右高速摄像机（1、1’）的焦距；r1r2r3r4r5r6r7r8r9]]>为右高速摄像机（1’）相对于左高速摄像机（1）的旋转矩阵，[t_x t_y t_z]是右高速摄像机（1’）相对于左高速相机（1）的平移矩阵；得到拟匹配空间标记点在世界坐标系下的三维坐标后，通过标记点宏观位置的已知关系对标记点进一步匹配，进一步匹配的步骤如下：首先计算所有空间点每两个点间的距离，记为集合P，在集合P中分别寻找距离为L1、L2、L3、L4的标记点对，然后在满足L1、L2、L3、L4距离约束的空间标记点对所形成的直线上寻找空间标记点，并且将标记点对于满足直线条件的标记点组成三个点的小组，将匹配后的标记点与布局中的标记点一一对应，并按照布局中的标号对匹配后的标记点进行标号，排除不满足以上条件的空间标记点，完成左右图像标记点的匹配并且对匹配完成的空间标记点进行标号；

（4）位置姿态的求解

●标记点坐标优化

利用特殊布局标记点的位置关系，将上述匹配完的空间标记点坐标进行优化，提高坐标精度目标函数F(x)如下所示：

F(x)=minΣi=19Σj=19(Lij-lij)2---(6)]]>

L_ij为标号为i的标记点到标号为j的标记点的测量距离，l_ij为标号为i标记点到标号为j标记点加工的实际距离；

●求解被测滚转体的质心实际坐标

被测滚转体与标记点加工完成时，质心与标记点的相对位置已经确定，所以质心与每个标记点的实际距离已知，首先根据上述已经提取的匹配后的9个标记点到质心距离的已知条件，可以计算出被测滚转体（7）的质心坐标为O_t；

LQtB1=lQtB1]]>

LQtB2=lQtB2---(7)]]>

LQtB3=lQtB3]]>

其中：B₁、B₂、B₃为提取、匹配、标号后的三个点，为被测滚转体（7）的质心坐标到B₁空间标记点的测量距离，为被测滚转体（7）的质心坐标到B₁空间标记点的实际距离；

然后为便于建立被测滚转体的局部坐标系，还需要求取局部坐标系Y轴上距质心距离已知的另外一点坐标O_d，求取方法与质心求取方法一致；

●求解被测滚转体位姿参数

求解被测滚转体（7）的位姿信息，首先要建立被测滚转体（7）的局部坐标系，局部坐标系O_tX_tY_tZ_t为：以其质心O_t为局部坐标系的原点，即为局部坐标系的Y_t轴，匹配标号后的9个标记点中选择亮度最大的标记点B；O_tX_tY_t平面即为O_tO_dB所形成的的平面；

世界坐标系中任意点p_ow=(x_p y_p z_p)^T在变化得到的目标体坐标系O_tX_tY_tZ_t下的坐标p_ow=(x_t y_t z_t)^T之间存在如下关系:

xtytzt=Rwbxp-x0yp-y0zp-z0---(8)]]>

其中：(x₀ y₀ z₀)为目标体坐标系原点即被测物体质心在世界坐标系中的坐标；R_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，T_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵；

Rwb=RθYRθXRθZ=]]>

cos(θY)cos(θZ)-sin(θY)sin(θX)sin(θZ)cos(θY)sin(θZ)+sin(θY)sin(θX)cos(θZ)-sin(θY)cos(θX)-cos(θX)sin(θZ)cos(θX)cos(θZ)sin(θX)sin(θY)cos(θZ)+cos(θY)sin(θX)sin(θZ)sin(θY)sin(θZ)-cos(θY)sin(θX)cos(θZ)cos(θY)cos(θX)---(9)]]>

综上，T_wb=[x₀ y₀ z₀]^T描述了目标体的质心在世界坐标系中的位置，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y表示了被测物体相对于世界坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角因此，只要求得R_wb，T_wb即可根据公式（8），（9）求得目标模型坐标系与世界坐标系之间的关系，来获得模型相对于世界坐标系的位姿信息。