[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911034265.2
• 申請(qǐng)日: 2019-10-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110686650B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王中宇;李亞茹;程銀寶
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C11/04
• 分類(lèi)號(hào): G01C11/04
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

發(fā)明涉及一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，屬于單目視覺(jué)位姿測(cè)量領(lǐng)域，其特征在于：(1)根據(jù)共面4個(gè)特征點(diǎn)之間的位置關(guān)系，分別對(duì)平行和相交兩種情況進(jìn)行分析；(2)根據(jù)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)、圖像坐標(biāo)和空間位置關(guān)系，推導(dǎo)出世界坐標(biāo)系中3個(gè)坐標(biāo)軸上的向量變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系中的單位向量，進(jìn)而求解出物體相對(duì)于攝像機(jī)的初始位姿；(3)用LM算法對(duì)初始位姿進(jìn)行優(yōu)化，得到最終位姿。上述方法僅需給出任意4個(gè)特征點(diǎn)的空間相對(duì)位置，其中任意3個(gè)特征點(diǎn)不共線，不需要給定其他限制條件，就可求解出物體相對(duì)于攝像機(jī)的位姿。解決單目視覺(jué)位姿求解過(guò)程中存在的解不唯一、選解難和解的精度不高等問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于單目視覺(jué)位姿測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，解決單目視覺(jué)位姿求解過(guò)程中存在的解不唯一、選解難和解的精度不高等問(wèn)題。

技術(shù)背景

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)將三維空間中的物體通過(guò)相機(jī)投射到二維圖像中，然后借助于數(shù)學(xué)模型從二維圖像還原為三維信息的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物體的幾何尺寸以及物體在空間中的位置、姿態(tài)等測(cè)量。位置和姿態(tài)簡(jiǎn)稱為位姿，通常用6個(gè)自由度來(lái)表示，即兩個(gè)坐標(biāo)系之間的3個(gè)旋轉(zhuǎn)量和3個(gè)平移量。位姿測(cè)量目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空航天、目標(biāo)跟蹤、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)導(dǎo)航、視覺(jué)伺服控制和工業(yè)制造等領(lǐng)域。求解位姿時(shí)首先需要選取特征，常用的有點(diǎn)特征、直線特征和二次曲線特征等。基于直線和曲線特征的算法一般是由點(diǎn)特征算法演變過(guò)來(lái)的，因此研究點(diǎn)特征具有重要意義。

基于點(diǎn)特征的位姿估計(jì)問(wèn)題又稱為PnP(Perspective-n-Point)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，主要集中于點(diǎn)的個(gè)數(shù)n及其算法，初步結(jié)論為當(dāng)n3時(shí)，PnP問(wèn)題有無(wú)窮多個(gè)解；當(dāng)n＝3時(shí)，PnP問(wèn)題最多有4個(gè)解，如果3個(gè)點(diǎn)組成的三角形為等腰三角形，并且攝像機(jī)在特定區(qū)域內(nèi)時(shí)，PnP問(wèn)題有唯一解；當(dāng)n＝4時(shí)，如果4點(diǎn)共面，則PnP問(wèn)題有唯一解，如果4點(diǎn)不共面，則PnP問(wèn)題最多有4個(gè)解；當(dāng)n＝5時(shí)，PnP問(wèn)題最多有2個(gè)解；當(dāng)n5時(shí)，PnP問(wèn)題有唯一解，但解的形式不封閉，因此求解的算法具有局限性。除此之外，依據(jù)呈四邊形分布的共面4特征點(diǎn)，用相應(yīng)的幾何關(guān)系求解位姿等方法也有應(yīng)用，但是存在特征點(diǎn)提取困難、解不唯一、魯棒性差和迭代結(jié)果不收斂等缺陷，并且在實(shí)際的測(cè)量場(chǎng)景中，特征點(diǎn)往往是未知的，此時(shí)特征點(diǎn)提取精度對(duì)位姿解算的精度有極大的影響。

針對(duì)這些問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，根據(jù)任意不共線的4個(gè)特征點(diǎn)的空間相對(duì)位置，不需要給定特征點(diǎn)與光心連線形成的夾角、不需要給定光心到特征點(diǎn)的距離以及限制4個(gè)特征點(diǎn)呈矩形或特殊形狀的分布等條件，利用給定4個(gè)不共線特征點(diǎn)相對(duì)位置已知的特性，求解出物體相對(duì)于攝像機(jī)的位姿。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，針對(duì)單目視覺(jué)位姿求解過(guò)程中存在的解不唯一、選解難和解的精度不高等問(wèn)題。

本發(fā)明屬于單目視覺(jué)位姿測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，解決單目視覺(jué)位姿求解過(guò)程中存在的解不唯一、選解難和解的精度不高等問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種基于點(diǎn)特征的單目視覺(jué)位姿測(cè)量方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一：獲取攝像機(jī)拍攝的圖像，用張正友標(biāo)定法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；

步驟二：提取圖像中任意4個(gè)不共面的特征點(diǎn)P_i(i＝1,2,3,4)，計(jì)算特征點(diǎn)在成像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo){q_i(x_i,y_i,f),i＝1,2,3,4}，根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算出任意兩個(gè)特征點(diǎn)之間的距離：d₁₂＝|P₁P₂|、d₂₃＝|P₂P₃|、d₁₃＝|P₁P₃|、d₁₄＝|P₁P₄|；