[發明專利]單目相機圓特征平移運動測量方法

在審

• 申請號: 201910148835.4
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109978900A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 孫曉亮;王剛;尚洋;劉肖琳;于起峰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/62;G01C11/16
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

1.單目相機圓特征平移運動測量方法，利用單目相機實現對目標圓特征平移運動的測量，其特征在于，通過基于朝向變換的橢圓檢測方法實現圖像中圓特征對應成像橢圓的檢測，結合圓特征圓心、法向及半徑信息，求解平移運動前、后圓特征參數在相機坐標系的表示；利用圓特征平移運動中朝向不變這一特性，解決圓特征參數求解中的二義性問題；依據求解得到的平移運動前、后兩個位置上圓特征圓心在相機坐標系中的表示，計算出圓特征的平移運動平移量；

其步驟包括：

(1)圓特征提取：針對單目相機獲取的平移運動前、后圖像，采用基于朝向變換的橢圓提取方法檢測圖像中目標圓特征對應的成像橢圓；基于朝向變換的橢圓檢測方法首先采用Edge Drawing算法提取圖像中邊緣，采用朝向變換從邊緣中篩選出有效曲線段，進而采用啟發式搜索的方法對曲線段進行組合，以實現橢圓的檢測，最終對得到的橢圓檢測結果進一步采用赫爾姆霍茨準則進行驗證，得到最終的橢圓檢測結果；

(2)圓特征參數求解：依據步驟(1)中提取的橢圓特征，結合圓特征圓心坐標、法向及半徑信息，求取出平移運動前、后圓特征參數在相機坐標系下的表示；

(3)二義性消除：利用平移運動中圓特征朝向不變這一特性，消除單目圖像中圓特征參數求解的二義性；

(4)平移量測量：依據求解出的平移運動前、后目標圓特征圓心在相機坐標系中的表示，計算圓特征平移運動的平移量測量結果；

所述圓特征參數解算具體為：

設O_c-X_cY_cZ_c及O-UV分別為相機坐標系及圖像坐標系，(x₀,y₀,z₀)及(n_x,n_y,n_z)分別為圓特征在相機坐標系下的圓心坐標及法向；

圖像中橢圓特征表示為

au²+bv²+cuv+du+ev+f＝0 (1)

其中a～f由橢圓特征檢測與跟蹤方法得到，圖像坐標與相機坐標系下坐標具有如下關系

u＝f₀x/z,v＝f₀y/z (2)

f₀為焦距，將公式(2)帶入公式(1)中得

Ax²+By²+Cxy+Dxz+Eyz+Fz²＝0 (3)

式中F＝f，將公式(3)改寫為矩陣形式，得

Q為一對稱矩陣，則必存在正交矩陣P滿足

P^TQP＝diag(λ₁,λ₂,λ₃) (5)

λ₁,λ₂,λ₃為Q的特征值，對其進行排序使得它們滿足λ₁與λ₂同號，與λ₃異號，且|λ₁|≥|λ₂|，λ₁,λ₂,λ₃對應的歸一化特征向量記為e₁,e₂,e₃，令P＝[e₁,e₂,e₃]，定義(x',y',z')^T＝P(x,y,z)^T，將相機坐標系變換到新的坐標系，其中x,y,z是圓特征在相機坐標系下的坐標，x′,y′,z′是圓特征在新坐標系下坐標，得到在新坐標系下的標準圓錐體的表示

(x',y',z')diag(λ₁,λ₂,λ₃)(x',y',z')^T＝0 (6)

正交矩陣P視為O_c-X_cY_cZ_c轉換到O_c-X'Y'Z'的旋轉，在O_c-X'Y'Z'中，圓錐體軸線與Z'軸重合，結合圓特征半徑R，得圓心及法向求解結果

利用P^-1，將公式(7)所示解轉換到O_c-X_cY_cZ_c中，記為{(x_0i,y_0i,z_0i)^T，(n_xi,n_yi,n_zi)^T}_(i＝1,2)。