[发明专利]单相机环境中主动式刚体的位姿定位方法及相关设备

说明书

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种单相机环境中主动式刚体的位姿定位方法及相关设备。该方法包括：获取相邻两帧的二维空间点坐标、二维空间点编码和相机参数，根据二维空间点编码，将二维空间点坐标进行匹配，得到多组二维空间特征对，将多组二维空间特征对和相机参数构造线性方程组，求解出本质矩阵；通过奇异值分解算法分解本质矩阵，得到多组旋转矩阵和平移矩阵；估算出三维空间点坐标，检测深度值，确定出目标旋转矩阵和目标平移矩阵，根据所述目标旋转矩阵和所述目标平移矩阵确定刚体位姿。本发明在单相机环境中，能以较低的成本就可实现主动光刚体的跟踪定位，相较于复杂的多相机环境具有明显优势。

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种单相机环境中主动式刚体的位姿定位方法及相关设备。

背景技术

传统的光学动捕方法是通过动捕相机内的超大功率近红外光源发出红外光，照射在被动式标记点上；涂有高反光材料的标记点反射被照射到的红外光，而这部分红外光和带有背景信息的环境光会经过低畸变镜头，到达摄像机红外窄带通滤光单元。由于红外窄带通滤光单元的通光波段跟红外光源的波段一致，因此，带有冗余背景信息的环境光会被过滤掉，只剩下带有标记点信息的红外光通过，并被摄像机感光元件记录。感光元件再将光信号转化为图像信号输出到控制电路，而控制电路中的图像处理单元使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，以硬件形式对图像信号进行预处理，最后向跟踪软件流出标记点的2D坐标信息。

传统的光学动作捕捉系统中，无论是主动式刚体跟踪还是被动式刚体跟踪，都需要系统服务器接收多相机系统中各个相机的2D数据，然后采用多目视觉原理，根据2D点云之间的匹配关系以及提前标定计算好的各相机间的位姿关系，计算出三维空间内的3D坐标，并以此为基础解算刚体在空间内的运动信息。这种方式依赖于多相机之间的协同工作，从而可以应用在比较大的空间范围内实现对刚体的识别跟踪，这就导致了动捕系统的高成本和难维护问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种单相机环境中主动式刚体的位姿定位方法及相关设备，旨在解决目前被动式或主动式动捕方法中利用多相机系统引起的高成本和难维护的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种单相机环境中主动式刚体的位姿定位方法，所述方法包括以下步骤：

获取单目相机捕捉的相邻两帧的二维空间点坐标、所述二维空间点坐标对应的二维空间点编码和所述相机的相机参数，根据所述二维空间点编码，将相邻两帧的所述二维空间点坐标进行匹配，得到多组二维空间特征对，将多组所述二维空间特征对和所述相机参数构造线性方程组，求解出本质矩阵；

通过奇异值分解算法分解所述本质矩阵，得到多组旋转矩阵和平移矩阵；

通过所述二维空间特征对、多组所述旋转矩阵和所述平移矩阵，估算出三维空间点坐标，检测三维空间点坐标的深度值，将深度值为正数的那组所述旋转矩阵和平移矩阵定义为目标旋转矩阵和目标平移矩阵，根据所述目标旋转矩阵和所述目标平移矩阵确定刚体位姿。

可选地，所述根据所述目标旋转矩阵和所述目标平移矩阵确定刚体位姿，包括：

将所述三维空间点坐标内的所有三维空间点之间的距离求和后取平均值，得到三维平均距离；

获取刚体坐标，将所述刚体坐标内的所有刚体标记点之间的距离求和后取平均值，得到刚体平均距离；

通过优化公式将所述目标平移矩阵进行优化，得到优化后的目标平移矩阵，根据所述目标旋转矩阵和优化后的所述目标平移矩阵确定刚体位姿；

所述优化公式为：

其中，L1为所述三维平均距离，L2为所述刚体平均距离，T为优化前的所述目标平移矩阵，T′为优化后的所述目标平移矩阵。