[发明专利]一种基于视觉的空间定位方法

说明书

本发明提供一种基于方形标签和视觉的空间定位方法，包括如下步骤：通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。能够解决当前空间定位方法速度缓慢，精度不高，操作复杂，设备要求高等问题。

技术领域

本发明涉及数字图像处理和计算机视觉领域，特别是涉及一种准确定位空间中任意点的世界坐标的方法和系统，属于空间定位技术，尤其适用于机器人定位和工业自动化生产。

背景技术

近几年，人工智能得到了迅速的发展，甚至成为世界各国竞争科技强国的重要因素。计算机视觉技术作为人工智能领域的重要分支，得到了广大研究者的关注。基于视觉的空间定位技术也被应用于大量的机器视觉系统。空间定位技术应用广泛，包括机器人定位，工业自动化生产，监控，工程测绘以及军事航空航天等领域。比如在机器人抓取物体时，需要通过准确定位物体从而抓取。在多自由度机械手工作时，是否能够精确定位各个关节点位置对安全生产有重要意义。在监控领域，空间定位技术可以准确监控物体是否发生移位。

很多研究者提出了空间定位方法。中国科学院自动化研究所机器人视觉研究组发明了CVSuite软件，实现了图像的特征点提取，匹配，相机的标定和最后三维显示的功能，运用起来方便，但运行速度缓慢，影响实时定位效果且精度也不够高。还有近几年特别火热的视觉SLAM(即时定位与地图构建)技术，已经成功应用到许多机器人当中，但它操作较为复杂，且对摄像头要求较高。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于方形标签和视觉的空间定位方法，能够解决当前空间定位方法速度缓慢，精度不高，操作复杂，设备要求高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种基于视觉的空间定位方法，包括如下步骤：

通过标定，获取两个相机的内参数矩阵；

在某一固定点和需定位位置设置不同id的方形标签；

使用两个相机同时拍摄拍摄固定点和需定位位置的方形标签，并获取各方形标签的坐标信息，根据坐标信息和内参数矩阵求取两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角；

根据两个相机在以固定点为原点的三维世界坐标和相机坐标系到三维世界坐标系的三个旋转角，求得每一个方形标签中心点的以固定点为原点的三维世界坐标完成定位。

进一步地，通过标定，获取两个相机的内参数矩阵包括：

通过相机拍摄采集具有棋盘格的标定板的若干标定图片；

提取每一张标定图片中棋盘格上的内角点信息，得到每一个内角点的2D像素坐标及以左上角第一个内角点为原点的3d世界坐标并据此计算该相机的内参数矩阵K。

进一步地，根据下式计算该相机的内参数矩阵：

其中，K表示相机的内参矩阵，f_x和f_y分别表示坐标系中x轴和y轴方向的尺度因子，s表示两个坐标系的畸变系数，(u₀，v₀)是主点坐标，R是一个3×3的旋转矩阵，t是1×3的平移向量，(X_w，Y_w，Z_w)和(u，v)是某一点的3d/2d坐标。

进一步地，各方形标签的坐标信息包括，各方形标签的id和各方形标签的四个顶点的像素坐标。