[发明专利]单目相机圆特征平移运动测量方法

摘要

本发明涉及一种单目相机圆特征平移运动测量方法，方法涉及计算机视觉、摄像测量、机械自动化领域。本发明采用的技术方案是：通过基于朝向变换的椭圆检测方法实现图像中圆特征对应成像椭圆的检测，结合圆特征圆心、法向及半径信息，求解平移运动前、后圆特征参数在相机坐标系的表示；充分利用圆特征平移运动中朝向不变这一特性，解决圆特征参数求解中的二义性问题；依据求解得到的平移运动前、后两个位置上圆特征圆心在相机坐标系中的表示，计算出圆特征的平移运动平移量。

主权项

1.单目相机圆特征平移运动测量方法，利用单目相机实现对目标圆特征平移运动的测量，其特征在于，通过基于朝向变换的椭圆检测方法实现图像中圆特征对应成像椭圆的检测，结合圆特征圆心、法向及半径信息，求解平移运动前、后圆特征参数在相机坐标系的表示；利用圆特征平移运动中朝向不变这一特性，解决圆特征参数求解中的二义性问题；依据求解得到的平移运动前、后两个位置上圆特征圆心在相机坐标系中的表示，计算出圆特征的平移运动平移量；其步骤包括：(1)圆特征提取：针对单目相机获取的平移运动前、后图像，采用基于朝向变换的椭圆提取方法检测图像中目标圆特征对应的成像椭圆；基于朝向变换的椭圆检测方法首先采用Edge Drawing算法提取图像中边缘，采用朝向变换从边缘中筛选出有效曲线段，进而采用启发式搜索的方法对曲线段进行组合，以实现椭圆的检测，最终对得到的椭圆检测结果进一步采用赫尔姆霍茨准则进行验证，得到最终的椭圆检测结果；(2)圆特征参数求解：依据步骤(1)中提取的椭圆特征，结合圆特征圆心坐标、法向及半径信息，求取出平移运动前、后圆特征参数在相机坐标系下的表示；(3)二义性消除：利用平移运动中圆特征朝向不变这一特性，消除单目图像中圆特征参数求解的二义性；(4)平移量测量：依据求解出的平移运动前、后目标圆特征圆心在相机坐标系中的表示，计算圆特征平移运动的平移量测量结果；所述圆特征参数解算具体为：设O_c‑X_cY_cZ_c及O‑UV分别为相机坐标系及图像坐标系，(x₀,y₀,z₀)及(n_x,n_y,n_z)分别为圆特征在相机坐标系下的圆心坐标及法向；图像中椭圆特征表示为au²+bv²+cuv+du+ev+f＝0        (1)其中a～f由椭圆特征检测与跟踪方法得到，图像坐标与相机坐标系下坐标具有如下关系u＝f₀x/z,v＝f₀y/z      (2)f₀为焦距，将公式(2)带入公式(1)中得Ax²+By²+Cxy+Dxz+Eyz+Fz²＝0      (3)式中F＝f，将公式(3)改写为矩阵形式，得Q为一对称矩阵，则必存在正交矩阵P满足P^TQP＝diag(λ₁,λ₂,λ₃)       (5)λ₁,λ₂,λ₃为Q的特征值，对其进行排序使得它们满足λ₁与λ₂同号，与λ₃异号，且|λ₁|≥|λ₂|，λ₁,λ₂,λ₃对应的归一化特征向量记为e₁,e₂,e₃，令P＝[e₁,e₂,e₃]，定义(x',y',z')^T＝P(x,y,z)^T，将相机坐标系变换到新的坐标系，其中x,y,z是圆特征在相机坐标系下的坐标，x′,y′,z′是圆特征在新坐标系下坐标，得到在新坐标系下的标准圆锥体的表示(x',y',z')diag(λ₁,λ₂,λ₃)(x',y',z')^T＝0      (6)正交矩阵P视为O_c‑X_cY_cZ_c转换到O_c‑X'Y'Z'的旋转，在O_c‑X'Y'Z'中，圆锥体轴线与Z'轴重合，结合圆特征半径R，得圆心及法向求解结果利用P^‑1，将公式(7)所示解转换到O_c‑X_cY_cZ_c中，记为{(x_0i,y_0i,z_0i)^T，(n_xi,n_yi,n_zi)^T}_(i＝1,2)。