[發明專利]基于特征點的靶面相對位姿測量方法及系統

有效

• 申請號: 201811275287.3
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109269466B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 閔永智;郭薇;陶佳;任維卓;張振海;張雁鵬;林俊亭;張鑫;左靜
• 申請（專利權）人: 蘭州交通大學
• 主分類號: G01C5/00
• 分類號: G01C5/00;G01C11/04
• 代理公司: 北京中譽威圣知識產權代理有限公司 11279
• 代理人: 席勇

本發明公開了一種基于特征點的靶面相對位姿測量方法及系統，測量方法如下：(1)設計5個黑色圓形靶面特征點，靶面的4個頂角處設置4個特征點，靶面的中心設置1個特征點；(2)基于特征點的自標定，求出被測標靶沉降前后的位置和姿態信息；(3)特征點識別及質心定位。測量系統包括沿無咋軌道長度方向等間距設置多個圖像式沉降監測儀，每個監測儀的攝像機鏡頭對準自身前方或后方監測儀內的激光光源，列車行進方向的最前端的圖像式沉降監測儀的輸出端與數據采集分析終端的輸入端連接。本發明實現了靶面位姿的實時非接觸式測量，測量快速準確，成本低，實施便捷，可廣泛應用于無砟軌道表面沉降監測。

技術領域

本發明屬于無砟軌道表面沉降監測技術領域，尤其涉及一種基于特征點的靶面相對位姿測量方法及系統。

背景技術

視覺監測法是一種新型非接觸式的即刻式沉降測量方法，該測量方式簡單、速度快、測量精度高，可以實現接力傳遞式的自動化測量。然而，在測量過程中，容易忽略因現場安裝偏差以及靶面松動引起的靶面與相機的相對偏轉問題，導致測量結果產生偏差，因此有必要對靶面與相機間的相對偏移情況進行研究，即對靶面相對位姿進行測量。

基于二維標定物的攝像機標定方法通過拍攝多幅不同角度的圖像進行標定，依據標定過程中參照物的不同分為傳統的標定方法和自標定方法，目前應用最廣泛的則是一種介于傳統標定和自標定之間的平面標定法。但對于鐵路在線監測條件下采用該方法則存在以下問題：①標定板精度要求高，制作成本大；②監測現場環境限制導致對每個監測點的測量很難實施，且維護成本高；③標定過程緩慢。

發明內容

針對上述現有技術存在的不足，本發明提供一種基于特征點的靶面相對位姿測量方法及系統，通過對靶面圖像的實時圖像處理，得到靶面特征點的特征信息進行相機位姿自標定，建立了基于圖像處理的靶面相對位姿測量系統。

本發明是這樣實現的，一種基于特征點的靶面相對位姿測量方法，包括如下步驟：

(1)設計靶面特征點：

設置5個圓形靶面特征點，其中4個靶面特征點分別設置于靶面的4個頂角處，另1個靶面特征點設置于靶面的中心，所述靶面特征點為黑色；

(2)基于特征點的自標定：

分別估計出每幀圖像對應的被測目標世界坐標系與相機坐標系間的轉換關系，以相機坐標系為中介，即可求出被測標靶沉降前后的位置和姿態信息；

(3)特征點識別及質心定位：

對獲取的初始靶面圖像進行處理，提取特征點及質心定位，質心求取算法實現步驟如下：

①對輸入的圖像進行預處理；

②進行圖像分割；

③進行形態學處理；

④裁剪感興趣區域；

⑤采用灰度質心法求質心，并標記；

⑥輸出質心坐標。

優選地，所述步驟(1)中靶面的4個頂角處的水平和豎直方向的相鄰靶面特征點相距15mm，所述靶面特征點的直徑為2mm。

優選地，所述步驟(2)中，求取被測標靶沉降前后的位置和姿態信息的具體步驟如下：

取三維歐式空間中任意一點P，在兩個不同坐標系中的坐標設為P₁(x₁,y₁,z₁)和P₂(x₂,y₂,z₂)，則P₁→P₂的轉化如下式：

P₁＝RP₂+t (1)