[发明专利]一种基于双目视觉的重心测量方法

权利要求书

1.一种基于双目视觉的重心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在被测物体表面布置n个不共线的物体标记点，表示为：K₁,K₂,...,K_n，其中，n≥3；在重垂线连杆的中心线上布置两个连杆标记点，表示为W₁,W₂；

步骤2，在第1摄像机坐标系下进行第1次拍摄：

步骤2.1，采用重垂线连杆将被测物体吊起，使被测物体处于自由悬挂状态；

步骤2.2，在被测物体的前方布置两个等高度的摄像机，分别为：摄像机A和摄像机B；其中，保证物体标记点和连杆标记点面对摄像机A和摄像机B；

摄像机A和摄像机B在同一时刻拍摄包含重垂线连杆的被测物体，分别得到图像A和图像B；其中，n个物体标记点和两个连杆标记点均呈现在图像A和图像B上面；

步骤2.3，对于n个物体标记点和两个连杆标记点中的任意一个标记点，表示为G_i，采用以下视觉算法，得到标记点G_i在第1摄像机坐标系下的三维坐标G_i(x_ic,y_ic,z_ic)：

步骤2.3.1，对图像A进行分析，得到标记点G_i在图像A的图像坐标为G_i0(x_i0,y_i0)；对图像B进行分析，得到标记点G_i在图像B的图像坐标为G_i1(x_i1,y_i1)；设图像A和图像B在同一平面上，因此，y_i0＝y_i1＝y_i；

根据下式，得到标记点G_i在第1摄像机坐标系下的三维坐标G_i(x_ic,y_ic,z_ic)：

其中：

f为摄像机焦距；

B为摄像机A和摄像机B光心连线的距离，即基线距；

第1摄像机坐标系为：以摄像机A的光心为原点，以摄像机A和摄像机B光心的连线为X轴，以竖直平面内垂直于X轴的方向为Y轴，以水平面内与X轴垂直的方向为Z轴，建立的摄像机坐标系；

步骤2.3.2，因此，各个标记点在第1摄像机坐标系下的三维坐标分别为：

物体标记点K₁在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：

物体标记点K₂在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：

依此类推

物体标记点K_n在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：

连杆标记点W₁在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：

连杆标记点W₂在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：

步骤3，在第2摄像机坐标系下进行第2次拍摄：

步骤3.1，将被测物体旋转任意角度后，再次用重垂线连杆将被测物体吊起，使被测物体处于自由悬挂状态；

步骤3.2，将摄像机A和摄像机B等高度布置在被测物体的前方，保证物体标记点和连杆标记点面对摄像机A和摄像机B；

摄像机A和摄像机B在同一时刻拍摄包含重垂线连杆的被测物体，分别得到图像A’和图像B’；其中，n个物体标记点和两个连杆标记点均呈现在图像A’和图像B’上面；

步骤3.3，对于n个物体标记点和两个连杆标记点中的任意一个标记点，采用视觉算法，得到标记点在第2摄像机坐标系下的三维坐标；其中，第2摄像机坐标系与第1摄像机坐标系的建立方式相同；

因此，各个标记点在第2摄像机坐标系下的三维坐标分别为：

物体标记点K₁在第2摄像机坐标系下的三维坐标为：

物体标记点K₂在第2摄像机坐标系下的三维坐标为：

依此类推

物体标记点K_n在第2摄像机坐标系下的三维坐标为：

连杆标记点W₁在第2摄像机坐标系下的三维坐标为：

连杆标记点W₂在第2摄像机坐标系下的三维坐标为：

步骤4，根据n个物体标记点在第1摄像机坐标系下的三维坐标与在第2摄像机坐标系下的三维坐标，得到旋转矩阵R和平移矩阵t，方法为：

建立由n个方程组成的方程组为：

...

其中：

为平移矩阵；t₁,t₂,t₃分别为：X向平移量，Y向平移量和Z向平移量；

步骤5，采用旋转矩阵R和平移矩阵t，对连杆标记点W₁,W₂在第1摄像机坐标系下的三维坐标进行旋转变换和平移变换，得到连杆标记点W₁,W₂进行旋转变换后的三维坐标，具体方式为：

连杆标记点W₁在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：采用下式进行旋转变换和平移变换，得到变换后的三维坐标为：

W₁^[1]＝RW₁^[1]+t

连杆标记点W₂在第1摄像机坐标系下的三维坐标为：采用下式进行旋转变换和平移变换，得到变换后的三维坐标为：

步骤6：

将连杆标记点W₁转换后的三维坐标表示为P₁＝(x₁,y₁,z₁)；

将连杆标记点W₂转换后的三维坐标表示为P₂＝(x₂,y₂,z₂)；

将连杆标记点W₁在第2摄像机坐标系下的三维坐标表示为P₃＝(x₃,y₃,z₃)；

将连杆标记点W₂在第2摄像机坐标系下的三维坐标表示为P₄＝(x₄,y₄,z₄)；

P₁和P₂的连线P₁P₂，为第1摄像机坐标系下进行第1次拍摄时的重垂线L₁旋转到第2摄像机坐标系时的重垂线，表示为重垂线L'₁；

P₃和P₄的连线P₃P₄，为第2摄像机坐标系下进行第2次拍摄时的重垂线，表示为重垂线L₂；

求出重垂线L'₁和重垂线L₂的交点，此交点即为被测物体在第2摄像机坐标系下的重心三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的重心测量方法，其特征在于，通过以下方法，求出重垂线L'₁和重垂线L₂的交点：

步骤6.1，根据P₁＝(x₁,y₁,z₁)和P₂＝(x₂,y₂,z₂)，采用下式，得到重垂线L'₁的方向向量D₁＝(a₁,b₁,c₁)：

D₁＝(a₁,b₁,c₁)＝(x₂-x₁,y₂-y₁,z₂-z₁)

步骤6.2，根据P₃＝(x₃,y₃,z₃)和P₄＝(x₄,y₄,z₄)，采用下式，得到重垂线L₂的方向向量D₂＝(a₂,b₂,c₂)：

D₂＝(a₂,b₂,c₂)＝(x₄-x₃,y₄-y₃,z₄-z₃)

步骤6.3，根据重垂线L'₁的方向向量D₁＝(a₁,b₁,c₁)，采用下式，得到重垂线L'₁的方程：

步骤6.4，根据重垂线L₂的方向向量D₂＝(a₂,b₂,c₂)，采用下式，得到重垂线L₂的方程：

步骤6.5，根据重垂线L'₁的方向向量D₁＝(a₁,b₁,c₁)和重垂线L₂的方向向量D₂＝(a₂,b₂,c₂)，采用下式，计算法向量N：

N＝(a₃,b₃,c₃)＝D₁*D₂＝(a₁,b₁,c₁)*(a₂,b₂,c₂)

步骤6.6，采用下式，得到法向量N和P₃＝(x₃,y₃,z₃)确定的平面Plane2的方程：

a₃*(x-x₃)+b₃*(y-y₃)+c₃*(z-z₃)＝0

步骤6.7，采用下式，得到法向量N和P₁＝(x₁,y₁,z₁)确定的直线L₃的方程：

步骤6.8，采用下式，得到直线L₃和平面Plane2的交点P₅＝(x₅,y₅,z₅)：

步骤6.9，采用下式，得到P₅＝(x₅,y₅,z₅)和D₁＝(a₁,b₁,c₁)确定的直线方程L₄：

步骤6.10，采用下式，得到直线方程L₄和重垂线L₂的交点P₆＝(x₆,y₆,z₆)：

步骤6.11，根据法向量N和P₆＝(x₆,y₆,z₆)，采用下式得到法线L₅的方程：

步骤6.12，采用下式，得到法线L₅和重垂线L'₁的交点P₇＝(x₇,y₇,z₇)：

步骤6.13，采用下式，根据P₆＝(x₆,y₆,z₆)和P₇＝(x₇,y₇,z₇)，得到中点P_中＝(x_中,y_中,z_中)的坐标：

中点P_中＝(x_中,y_中,z_中)即为重垂线L'₁和重垂线L₂的交点。