[发明专利]基于单目光学摄影的三维目标自动定位定姿方法及其应用

说明书

本发明提供了基于单目光学摄影的三维目标自动定位定姿方法，包括以下步骤：构建目标物体的可视化的三维模型；在世界坐标系中预设三维模型和相机的位置，并以此建立世界坐标系与物体坐标系、相机坐标系的坐标系变换关系；随机改变虚拟场景中的相机或者三维模型的空间位置，并记录相应的影像和空间位置变换信息；对机器学习模型进行训练，获得位姿预测模型；目标物体的实物单目照片输入位姿预测模型，位姿预测模型输出对应的目标物体或相机相对于预设位置的坐标变换值。本发明可以对传统的单目视觉成像设备所拍摄到的目标物体进行精准的空间位置和姿态的评估，无需增加额外的标记物或相机，或实地的对目标物体进行任何校准和处理。

技术领域

本发明属于视觉光学导航技术领域，特别涉及一种基于单目光学摄影的三维目标自动定位定姿方法及其应用。

背景技术

目前，导航系统的应用已遍布我们生活各个领域。例如，工业领域我们利用导航系统来对机器手臂进行定位和控制；在医疗领域，导航系统可以为医生提供当前环境中目标器械相对病人病灶组织的精准定位。

市场中应用最广的导航系统主要包括三类，多目视觉光学导航、电磁导航和惯性测量单元。在上述三种导航系统中，光学导航的在医疗及工业领域应用最为广泛，最主要的原因是由于其极高的定位精度，其次由于在复杂的应用环境中我们不可避免的会有铁磁性物体在周围，这使得电磁导航的应用得到限制；另外由于惯性测量单元只能反馈相对位置和姿态，这也大大限制其在专业领域的应用。然而目前光学导航系统的部署极其复杂，需要大量的校准等步骤才能满足高精度的需要，同时我们还需额外引入感光元件作为标记物来定位目标物体，额外的定位标记物也需要进行复杂的校准，标记物的固定也需要谨慎的考虑。这些是目前在工业或医疗领域中光学导航系统的主要限制。特别是在医疗手术过程中，如若我们需要对病人的肢体进行标记，由于皮肤的弹性和表面毛发或油脂等限制，我们通常不可避免的需要对病人以有创伤的方式进行标记物的固定，例如固定于骨表面等。此外设备的造价高昂，通常情况我们需要两台相机来对目标空间进行识别，但在特定应用下，我们甚至需要多于两台相机的情况，这使得起成本大大提高，同时多台相机舍得系统运算复杂度也随之增高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于单目光学摄影的三维目标自动定位定姿方法及其应用，部署前提是需要获得目标物体的三维模型进行可视化的显示及采样，然后利用人工智能领域机器学习技术，包括但不限于深度学习方法，来对目标物体三维模型的采样进行学习和训练，训练好的模型可以对传统的单目视觉成像设备所拍摄到的目标物体进行精准的空间位置和姿态的评估，无需增加额外的标记物或实地的对目标物体进行任何校准和处理。应用领域可以广泛涉及到工业、医疗、农业或者航天业等。

本发明采用的技术方案是：一种基于单目光学摄影的三维目标自动定位定姿方法，包括以下步骤：

S1：构建目标物体的可视化的三维模型；三维模型的颜色与形状与目标物体保持一致。

在工业领域中，对设备零件进行导航时，设备零件的CAD三维设计模型比较容易获得；在航天领域，通常通过参考天体模型数据库获得三维模型；在医疗领域，三维模型可以从计算机断层图像、磁共振图像等体图像数据中对目标组织或器官进行分割，再对分割结果进行三维体图像绘制来获取。

S2：建立世界坐标系w、物体坐标系o和相机坐标系c，在世界坐标系w中预设三维模型和相机的位置，并以此建立世界坐标系w与物体坐标系o、相机坐标系c的坐标系变换关系，所述坐标系变换关系采用4X4齐次矩阵来描述，所述相机的数量为一个。

三维模型在可视化场景中有着其独有的坐标系，记为物体坐标系o。相机为传统单目视觉成像系统，以相机作为原点的坐标系记为相机坐标系c。相机的视角决定了单目摄影所得到的物体形态特征，同时相机的空间位置与远近决定了目标物体在单目摄影图像中的大小和位置。