[发明专利]一种基于红外图像识别的三维空间定位系统

权利要求书

1.一种基于红外图像识别的三维空间定位系统，用来识别目标物体(7)的三维空间位置，其特征在于：包括第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)、第三红外摄像头(3)、红外激光器(4)、投影屏幕(5)、计算机(6)，其中第三红外摄像头(3)的像平面面向投影屏幕(5)方向，第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)的像平面面对目标物体(7)方向，并且光轴严格垂直于投影屏幕(5)，红外激光器(4)安放在目标物体(7)的位置，红外激光器(4)指向投影屏幕(5)的位置，计算机(6)连接第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)、第三红外摄像头(3)。

2.根据权利要求1所述的基于红外图像识别的三维空间定位系统，其特征在于：红外激光器(4)发射的激光在投影屏幕(5)上产生一个红外光斑，第三红外摄像头(3)捕捉到该红外光斑在投影屏幕(5)上的位置；第一红外摄像头(1)和第二红外摄像头(2)捕捉目标物体(7)的成像位置，根据图像定位、屏幕上定位点坐标计算、空间定位点坐标计算得到目标物体(7)的三维空间坐标。

3.根据权利要求2所述的基于红外图像识别的三维空间定位系统，其特征在于：所述图像定位包括从第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)拍摄的图像中识别出目标物体(7)在图像中的位置，从第三红外摄像头(3)拍摄的图像中识别出红外光斑在图像中的位置。

4.根据权利要求3所述的基于红外图像识别的三维空间定位系统，其特征在于：所述屏幕上定位点坐标计算是指根据第三红外摄像头(3)拍摄的图像计算红外光斑的空间位置，过程如下所述：以第三红外摄像头(3)拍摄的图像的左下角为中心，图像下侧边为x轴、屏幕左侧边为y轴建立二维坐标系x₀y₀，根据图像像素确定投影屏幕(5)的四个角的点坐标，分别为E(x_e，y_e)、F(x_f，y_f)、G(x_g，y_g)、G(x_h，y_h)，红外光斑坐标为B1(x₁，y₁)；

以投影屏幕(5)左下角为中心，投影屏幕(5)下侧边为x轴，投影屏幕(5)左侧边为y轴，垂直于投影屏幕(5)的方向为z轴建立三维空间坐标系xyz，在三维空间坐标系xyz，投影屏幕(5)的长为s，宽为h，投影屏幕(5)的四个角的点坐标分别是E(0，h，0)、F(s，h，0)、G(s，0，0)、H(0，0，0)；

根据投影变换原理及摄像头成像原理，二维坐标系x₀y₀和三维空间坐标系xyz为透视投影变换，则存在八个常数m₀、m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、m₆、m₇，使三维空间坐标系xyz投影屏幕上一点与第三红外摄像头(3)图像上的对应点存在如下关系式。

x2=m0x1+m1y1+m2m6x1+m7y1+1]]>  ①

y2=m3x1+m4y1+m3m6x1+m7y1+1]]>  ②

将红外图像中E(x_e，y_e)、F(x_f，y_f)、G(x_g，y_g)、G(x_h，y_h)的x值代入公式①，等于E(0，h，0)、F(s，h，0)、G(s，0，0)、H(0，0，0)的x值；红外图像中投影屏幕(5)的四个角的点坐标y值代入公式②，等于空间坐标系中四个角的点坐标y值，通过八个方程式求得常数m₀、m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、m₆、m₇的值，得到三维空间坐标系与图像二维坐标系的转换关系式，计算出红外光斑的实际空间位置B(x₂，y₂，0)。

5.根据权利要求4所述的基于红外图像识别的三维空间定位系统，其特征在于：所述空间定位点坐标计算是指根据第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)拍摄的图像计算目标物体(7)的空间位置，具体过程如下所述。

在三维空间坐标系中，第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)的坐标分别为C1，C2已知，设目标物体(7)的位置坐标为A(x_g，y_g，z_g)，以目标物体(7)所在位置建立平行于投影屏幕(5)的虚拟平面，虚拟平面方程式为z=d，d为常数，在平面上标定不在一条直线上的任意四个点，以虚拟平面为xy平面建立三维空间坐标系，第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)在摄像图像上分别建立二维坐标系，以第一红外摄像头(1)、第二红外摄像头(2)以及目标物体(7)的位置关系可知，在z=d的虚拟平面上，根据第一红外摄像头(1)拍摄图像计算得到A处的空间位置为A1，根据第二红外摄像头(2)拍摄图像计算得到A处的空间位置为A2，A1与A2不重合，利用第一红外摄像头(1)、A1的三维空间坐标得出第一红外摄像头(1)与A1点的直线空间表达式③，利用红外摄像头(2)、A2三维空间坐标得出红外摄像头(2)与A2点的直线空间表达式④，然后通过超定线性方程组的最小二乘解求解公式③和公式④的公共解，即为所要的目标物体(7)的坐标：

xa1-xc1x-xc1=d-zc1z-zc1ya1-yc1y-yc1=xa1-xc1x-xc1]]>  ③

xa2-xc2x-xc2=d-zczz-zc2ya2-yc2y-yc2=xa2-xc2x-xc2]]>  ④。