[发明专利]基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于伴随滚转运动回转体的空间位置和姿态测量方法。

背景技术

随着航天、航空技术的逐步完善和提高，飞行器及其投放物执行任务过程中的位姿信息测量在飞行器设计和试验阶段有着极其重要的作用。机器视觉测量技术具有非接触、灵活性、测量精度高等优点，被广泛用于飞行器及其投放模型的位姿测量中。滚转物体在实际运动过程中移动速度快、运动空间大的特点对运动物体的位姿测量提出了更高的要求。

大连理工大学刘巍等人2014年在航空学报发表的《基于彩色编码的副油箱风洞模型位姿测量方法》中提出了基于彩色编码图像的副油箱位姿测量方法，利用彩色编码的自发光标记点进行图像匹配，解决了低照度条件下目标标记亮度不足和由于物体滚转造成的标记点消隐现象。但双目测量系统的测量视场只有两台摄像机视场相交的部分，物体运动范围较大时很难保证其始终在测量视场内。北京宇航系统工程研究所谌德荣等人发明专利号了为CN103512559A《一种弹丸单目视频位姿测量方法及靶标图案》提出一种适用于弹丸的单目视频位姿测量方法，采用视场较大的单目摄像机结合弹丸外圆周表面的分区域靶标图案对弹丸的运动位姿进行测量。但该方法采用的靶标图案与弹丸表面仅通过颜色对比进行区分，在光照不足的条件下会造成图像特征轮廓不清晰或标记特征无法提取的情况。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的问题，发明一种基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法，单目视觉系统测量滚转物位姿的特征是仅使用一台高速摄像机采集目标物图像，克服了传统双目视觉系统测量视场小，难以覆盖目标整个运动空间的问题；与使用两台摄像机进行测量的双目系统相比，单目测量系统设备简单；此外，无需考虑两台摄像机同时触发的问题；沿回转体圆周方向均匀分布的自发光标志点可以解决物体滚转时图像特征被遮挡的问题，利用环绕式彩色编码的方式对标记点进行编码，无需特征匹配即可实现运动目标的位姿测量，满足单目测量要求。同时，简化图像处理流程，提高测量效率，并且保证测量结果有很好的精度。

本发明所采用的技术方案是一种基于彩色图像的滚转物单目位姿测量方法，其特征是，测量方法采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的表面，利用单目视觉系统对滚转体目标进行X、Y、Z方向的位移和俯仰角、偏航角、滚转角六参数位姿测量；以目标物表面彩色编码自发光标志点作为特征标记，采集运动目标表面彩色编码特征图像，在高速摄像机标定的基础上，经彩色编码标记特征的识别和提取的图像处理步骤后，求解出滚转体目标位置姿态信息；测量方法的具体步骤如下：

1、彩色特征点的编码

本发明采用环绕式分组排列的方式将彩色编码的自发光标志点布置在被测物体的表面，标志点分为两组，每组含有一定数量的编码标志点，以周向均布方式分布在被测物体的表面，标记点的数量根据具体测量视场的大小和被测回转体直径的大小决定，必须保证在每一帧图像上至少有三个特征点，才能以此拟合出被测回转体的圆心；用标记点的颜色信息作为其编码信息，每种颜色采用一定的代码进行标记；几个连续的编码标志点组成一个编码片段，即代码数组；编码组中任意两编码片段因所含标志点颜色顺序不同而使各编码片段都是唯一的；编码颜色和编码片段长度根据标记点的个数来确定，且编码片段长度至少为3，才能保证一组中编码组各不相同；最后将代码代入编码组得到每个标记点的编码；

2、进行高速摄像机的标定

本发明采用张正友基于平面标定板的标定方法对高速摄像机进行标定，其具体标定过程如下：

首先将精密加工的二维棋盘格标定板放置在物体运动的平面附近，并将标定板摆放多个位置，同时触发高速摄像机拍摄标定板的多幅图像，通过标定板上每个特征点和其像平面的像点间的对应关系来标定摄像机，得到摄像机的内外参数，然后利用各靶标角点坐标与实际坐标的偏差构建目标函数f(x)并利用优化算法对内外参数进行整体优化；目标函数公式如下：

f(x)＝(X_w-X_d)²+(Y_w-Y_d)²+(Z_w-Z_d)²    (1)