[发明专利]一种基于单目摄像机检测头部姿态的装置及方法

权利要求书

1.一种基于单目摄像机检测头部姿态的装置，其特征在于，该装置包括AprilTag标签、图像采集模块和中央处理器模块；

AprilTag标签贴于受试者的头顶，用于确定每一时刻头部的空间位姿；AprilTag标签是利用类似于二维码的Tag结合相应算法实现定位，被广泛应用于定位导引等领域；

图像采集模块包括单目摄像机和三脚架，单目摄像机用于采集AprilTag标签的图像，然后将实时采集的图像传送给中央处理器模块；单目摄像机固定在三脚架上，三脚架用于调节单目摄像机的高度；

中央控制器模块包括笔记本和USB传输线，笔记本上安装有ros机器人操作系统；ros机器人操作系统上搭载有AprilTag算法；单目摄像机通过USB传输线与笔记本连接；笔记本用于接收单目摄像机采集的AprilTag标签图像，然后将采集AprilTag标签图像传送给ros机器人操作系统；利用AprilTag算法计算AprilTag标签在空间的姿态。

2.一种基于单目摄像机检测头部姿态的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选取AprilTag标签，贴于受试者头顶部，保证AprilTag标签平行于头部横向切面；

步骤2、打开笔记本，运行单目摄像机启动程序及AprilTag算法程序；

步骤3、通过单目摄像机采集贴于头顶部的AprilTag标签图像，通过USB传输线传送到笔记本；

步骤4、利用AprilTag算法得出AprilTag标签相对于单目摄像机的空间姿态；

步骤5、记录无姿态情况下AprilTag标签相对于单目摄像机的空间姿态P0；

步骤6、记录姿态变化情况下AprilTag标签相对于单目摄像机的空间姿态P1；

步骤7、通过比较步骤5、步骤6采集到AprilTag标签相对于相机的空间姿态P0、P1，观察两者旋转角的变化，得出头部姿态；

步骤8、重新记录下一次姿态变化后的AprilTag标签相对于单目摄像机的空间姿态P1，再次与P0比较，进而判断下一次姿态变化；如此反复，达到判断多次头部姿态变化的目的。

3.根据权利要求2所述的一种基于单目摄像机检测头部姿态的方法，其特征在于，所述步骤4中，具体过程为：读入视频识别视频每一帧中制定AprilTag图像，将彩色图变灰度图进行预处理；之后通过高斯滤波模糊图像，平滑噪声；然后计算梯度，包含梯度的方向和幅值；其中，选取幅值M大于阈值的作为边缘点，对于边缘点，搜索其周围点，根据边缘的方向，将相邻的点进行聚类；采用线性回归拟合直线，并寻找封闭直线组成的四边形；利用直接线性变换算法计算单线性变换矩阵，利用单线性变换矩阵结合多相机的信息，得到AprilTag标签的相关姿势信息。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于单目摄像机检测头部姿态的方法，其特征在于，所述步骤7中，比较AprilTag算法采集到的无姿态位姿P0和姿态变化的位姿P1，其中位姿是用欧拉角进行表示，欧拉角包含滚动角、转动角、平动角三个角度，通过判断P0和P1姿态下滚动角、转动角、平动角三个角度，其中滚动角是绕x轴旋转，滚动角是绕y轴旋转，平动角是绕z轴旋转；以脖子为轴，规定当运动后的角度大于初始运动时的角度时为正角度，反之为负角度；当判断只有平动角变化时，当出现正角度变化时为左转头，当出现负角度变化时为右转头；当判断只有滚动角变化时，当出现正角度变化时为抬头，当出现负角度变化时为低头；而三个角度都没有变化时，确定为无头姿；当两个角度同时变化时，对两个角度变化进行比较，以角度变化大的为主要的变化角度，从而使头部姿态判断具备鲁棒性；最终区分出以下头姿：无头姿、左转头、右转头、抬头、低头一共五种头部姿态。