[發明專利]一種計算機視覺下的圓模板匹配旋轉結構運動無標記測量方法

有效

• 申請號: 202011314712.2
• 申請日: 2020-11-21
• 公開（公告）號: CN112526154B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 徐自力;辛存;王存俊;李康迪
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36;G01P13/00;G06K9/00;G06K9/62
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

1.一種計算機視覺下的圓模板匹配旋轉結構運動無標記測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)利用高速相機對轉動狀態下的旋轉結構運動進行視頻記錄；

2)基于初始幀圖像建立高斯多尺度差分空間，利用圖像像素與其領域像素亮度值在不同尺度上的大小關系，對圖像像素亮度的極值點進行檢測，篩選出結構表面的虛擬特征點；

3)以虛擬特征點為圓心構建半徑不同的圓環區域，即不同半徑大小的圓模板，對不同圓模板內像素亮度的包括均值、標準差、梯度方向的特征進行統計，建立虛擬特征點的描述符向量；

其中，在t₀時刻，構建4個不同半徑大小的圓模板C，分別記為C₁,C₂,C₃,C₄，對不同圓模板內像素亮度均值、標準差、梯度方向進行統計，方式如下：

(1)圓模板內像素亮度均值計算

式中：表示圓模板C內像素亮度的均值，M為圓模板C內像素的數目，C＝1,2,3,4，為t₀時刻圖像像素亮度；

(2)圓模板內像素亮度標準差計算

式中：表示圓模板C內像素亮度的標準差；

(3)圓模板內像素亮度梯度方向計算

式中：θ(x,y)為像素亮度的梯度方向，G_x(x,y)和G_y(x,y)分別為(x,y)位置像素亮度在x、y方向上的梯度，表示為：

式中：為圖像像素亮度，表示卷積運算，H_x和H_y分別為x、y方向上的梯度算子，表示如下：

對圓模板內像素亮度梯度方向進行統計，統計方式如下：

式中：分別為t₀時刻圓模板C內像素亮度梯度在不同方向的數目；

最終，建立虛擬特征點的描述符向量W，描述為：

4)重復步驟3)，構建待匹配圖像中全部像素的圓模板描述符向量，對虛擬特征點的描述符向量與待匹配圖像像素的描述符向量進行相關性計算，根據描述符向量間的相關性，獲取虛擬特征點在待匹配圖像中的位置；

5)重復步驟4)，獲取虛擬特征點在不同幀圖像中的位置，對旋轉結構的運動進行測量，其中，結構上的虛擬特征點隨著結構做圓周運動，不同時刻結構上虛擬特征點的像素坐標位置集合為其中x_t,y_t為t時刻虛擬特征點的像素坐標，S表示視頻序列的幀數，設結構運動方程為x²+y²+dx+ey+f＝0，通過對各幀虛擬特征點像素坐標進行圓擬合獲取參數d、e、f，即：

從而得到轉軸軸心O的坐標(m,n)，表示為

選擇結構在轉動過程同一圓周內中間隔較大的8幀，計算虛擬特征點相對于初始幀轉動的角度，分別為(θ₁,θ₂,θ₃,θ₄,θ₅,θ₆,θ₇,θ₈)，角度計算如下：

式中：θ_t表示t時刻結構相對于初始幀所轉過的角度，A₀表示初始幀虛擬特征點的像素坐標，A_t表示所選擇幀對應虛擬特征點的像素坐標；

對所選擇結構轉過的角度進行最小二乘擬合，獲取結構旋轉速度ω，即：

最終，得到旋轉結構的旋轉中心以及旋轉結構的轉速。