[發明專利]一種使用少數共面點精確定位多攝像頭系統位姿的方法

有效

• 申請號: 201010203869.8
• 申請日: 2010-06-18
• 公開（公告）號: CN101865656A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 劉勇;熊蓉;章逸豐;褚健;吳哲
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G06T7/00;G06F19/00
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

技術領域

本發明涉及多攝像頭系統中定位所有攝像頭位姿的方法，尤其是涉及一種利用單應性使用少數共面點的精確定位方法。

背景技術

當前通用的位姿定位理論和方法：

1、高斯牛頓(Gauss-Newton)方法：

Gauss-Newton方法是用來解決最小二乘問題的經典解法。它通過在當前估計值用一節泰勒級數迭代線性化共線性方程來實現。如果初始估計值比較好，那么很快就可以收斂得到精確解。然而當當前解與實際的精確值差距較大，那么這種方法收斂較慢并很有可能不收斂。

2、Levenberg-Marquardt方法：

Levenberg-Marquardt方法則可以被看做是最速下降法和Gauss-Newton方法的疊加。當當前的解和精確解差距較大時候，這個方法比較慢，但是保證收斂，表現為最速下降法；當當前解接近于真實解時候，它表現為Gauss-Newton方法。Levenberg-Marquardt方法已經成為了非線性最小二乘問題的一種標準解法，在計算機視覺和計算機圖形學的領域內被廣泛使用。

3、正交迭代(Orthogonal?Iteration)算法：

正交迭代算法采用迭代求解方法，具有迭代次數少，計算精度高，計算速度快且全局收斂的特點，可用于實時位姿估計。算法達到了與Levenberg-Marquardt方法相當的精度，并提高了計算效率，受初始影響較小，對錯誤數據的魯棒性更高。Chien-Ping?Lu，Gregory?D.Hager，Eric?Mjolsness.Fast?and?Globally?Convergent?Pose?Estimation?from?Video?Images.IEEETransactions?on?Pattern?Analysis?and?Machine?Intelligence，2000，22(6)：610～622

大多數存在的方法試圖通過最優化或者迭代來直接解出方向和平移。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種使用少數共面點精確定位多攝像頭系統位姿的方法，能夠對于多攝像系統內的攝像頭的定位更加精確，更具魯棒性。

為此本發明采用以下技術方案：

所述多攝像頭系統由N個相對位姿關系固定的攝像頭組成，N為2或大于2的自然數，其中每一個攝像頭具有唯一的編號；其特征在于包括以下步驟：

1)、在多攝像頭系統中的N個攝像頭中選擇一個攝像頭作為參照，該攝像頭的編號為i，使用張正友標定方法測量多攝像頭系統內其它攝像頭相對攝像頭i的位姿關系，所述位姿關系包括：

a)、平移向量t＝[X，Y，Z]，X、Y、Z分別表示X軸，Y軸和Z軸的偏移量，b)、旋轉矩陣R，R為3×3矩陣，表示兩個攝像頭之間的旋轉關系；

2)、在參考平面上放置n個標記點，n為2或大于2的自然數，并測量標記點之間的二維坐標值，以垂直參考平面的方向為Z軸，且該參考平面為Z＝1建立坐標系，指定其中一個標記點為參考原點，得到標記點的坐標M％＝[X，Y，1]^T；

3)、用圖像分割方法識別出步驟2)中所放置的標記點在每一個攝像頭中成像的圖像坐標值，并對每一個攝像頭建立得到步驟2)中所放置的標記點的坐標值與其在攝像頭上的成像點坐標值之間的一一對應關系；

4)、通過標記點坐標M％＝[X，Y，1]^T和其在攝像頭i上的成像點m％＝[u，v，1]^T，計算攝像頭i的單應矩陣H，H為3×3矩陣，sm％＝HM％，m％表示點M％在攝像頭i上的成像點坐標值，s為一實常數，表示比例因子；通過多個成像點聯立方程組解得s和H；

5)、建立攝像頭i的單應矩陣與多攝像頭系統中其它攝像頭的單應矩陣之間的一對一對應關系，它包括：

測量所述被選擇的攝像頭i的單應矩陣H和其它攝像頭相對于攝像頭i的平移向量t和旋轉矩陣R，

根據所述攝像頭i的單應矩陣H和其它攝像頭相對于攝像頭i的平移向量t和旋轉矩陣R，將其它攝像頭的單應矩陣表示為與所述被選擇的攝像頭i的單應矩陣H和t，R相關的等式；

6)、采用非線性優化方法優化攝像頭i的單應矩陣H，使得所有攝像頭實際獲得的成像點坐標值和通過優化后的單應矩陣H’計算出來的像點坐標值的歐氏距離誤差最??；

7)、通過優化后的各攝像頭的單應矩陣，計算每一個攝像頭的位姿參數，所述位姿關系參數包括：旋轉矩陣R、平移向量t。

本發明所解決問題的數學化描述為：