[发明专利]一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法

说明书

发明涉及一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，属于单目视觉位姿测量领域，其特征在于：(1)根据共面4个特征点之间的位置关系，分别对平行和相交两种情况进行分析；(2)根据特征点的空间坐标、图像坐标和空间位置关系，推导出世界坐标系中3个坐标轴上的向量变换到摄像机坐标系中的单位向量，进而求解出物体相对于摄像机的初始位姿；(3)用LM算法对初始位姿进行优化，得到最终位姿。上述方法仅需给出任意4个特征点的空间相对位置，其中任意3个特征点不共线，不需要给定其他限制条件，就可求解出物体相对于摄像机的位姿。解决单目视觉位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题。

技术领域

本发明属于单目视觉位姿测量领域，涉及一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，解决单目视觉位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题。

技术背景

视觉测量技术是基于计算机视觉将三维空间中的物体通过相机投射到二维图像中，然后借助于数学模型从二维图像还原为三维信息的技术，能够实现物体的几何尺寸以及物体在空间中的位置、姿态等测量。位置和姿态简称为位姿，通常用6个自由度来表示，即两个坐标系之间的3个旋转量和3个平移量。位姿测量目前已经广泛地应用于航空航天、目标跟踪、增强现实、自动导航、视觉伺服控制和工业制造等领域。求解位姿时首先需要选取特征，常用的有点特征、直线特征和二次曲线特征等。基于直线和曲线特征的算法一般是由点特征算法演变过来的，因此研究点特征具有重要意义。

基于点特征的位姿估计问题又称为PnP(Perspective-n-Point)问题。国内外学者对此进行了大量研究，主要集中于点的个数n及其算法，初步结论为当n3时，PnP问题有无穷多个解；当n＝3时，PnP问题最多有4个解，如果3个点组成的三角形为等腰三角形，并且摄像机在特定区域内时，PnP问题有唯一解；当n＝4时，如果4点共面，则PnP问题有唯一解，如果4点不共面，则PnP问题最多有4个解；当n＝5时，PnP问题最多有2个解；当n5时，PnP问题有唯一解，但解的形式不封闭，因此求解的算法具有局限性。除此之外，依据呈四边形分布的共面4特征点，用相应的几何关系求解位姿等方法也有应用，但是存在特征点提取困难、解不唯一、鲁棒性差和迭代结果不收敛等缺陷，并且在实际的测量场景中，特征点往往是未知的，此时特征点提取精度对位姿解算的精度有极大的影响。

针对这些问题，本发明提出了一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，根据任意不共线的4个特征点的空间相对位置，不需要给定特征点与光心连线形成的夹角、不需要给定光心到特征点的距离以及限制4个特征点呈矩形或特殊形状的分布等条件，利用给定4个不共线特征点相对位置已知的特性，求解出物体相对于摄像机的位姿。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，针对单目视觉位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题。

本发明属于单目视觉位姿测量领域，涉及一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，解决单目视觉位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题。

本发明的技术解决方案：一种基于点特征的单目视觉位姿测量方法，由以下步骤实现：

步骤一：获取摄像机拍摄的图像，用张正友标定法对摄像机进行标定，获取摄像机内参数矩阵；

步骤二：提取图像中任意4个不共面的特征点P_i(i＝1,2,3,4)，计算特征点在成像平面坐标系中的坐标{q_i(x_i,y_i,f),i＝1,2,3,4}，根据两点间距离公式计算出任意两个特征点之间的距离：d₁₂＝|P₁P₂|、d₂₃＝|P₂P₃|、d₁₃＝|P₁P₃|、d₁₄＝|P₁P₄|；