[發明專利]一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法

有效

• 申請號: 202110763412.0
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113506346B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 朱蕾;周松鑫;管貽生;楊蕊銀;何力
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06T7/77
• 分類號: G06T7/77;G06T7/80;G06V10/74;G06V10/762;G01C21/16
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張生梅

1.一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、考慮鏡面反射與漫反射模型，利用SPF方法從偏振圖像中恢復出帶有模糊性的法線信息；

S2、基于相同材質同一平面法線值相近假設，對得到的法線聚類分割出不同的平面塊；

S3、在得到的平面塊中提取滿足高斯分布的若干隨機像素點，并在圖像間對該些像素點追蹤，實現圖像間的平面匹配；

S4、對分割的平面塊內的法線進行基于偏振的RANSAC優化處理，剔除外點后，得到平面塊的平均法線值；同時，對圖像間的IMU數據預計分，兩圖像對應的平面塊的平均法線值聯合由IMU得到的相對姿態，去除法線模糊性，得到無模糊性的平均法線對；

S5、結合線性優化方法從無模糊性的平均法線對中求解出相機姿態；

所述步驟S1具體包括：

利用SFP方法從偏振信息中計算出包含鏡面反射與漫反射兩種模型的天頂角與方位角值，具體求解公式如下：

式(1)中，ρ表示偏振度，β表示為天頂角，n表示場景中的折射率，給定偏振度和折射率，由上式得到漫反射場景中的唯一的天頂角；

式(2)表示鏡面反射場景中，天頂角的求解方法，其中給定一個偏振度和折射率，存在兩個天頂角；

求解完天頂角之后，通過下式依次求得場景中的方位角：

式(3)中，S₁為偏振片角度為0時捕獲的圖像值減去偏振片為90度時的圖像值而得到的值，S₂為偏振片角度為45時捕獲的圖像值加上偏振片為135度時的圖像值而得到的值；

利用求得的方位角α及天頂角β求解法線值n，公式如下：

式(4)中，v_x為相機坐標系中法線在X軸的分量，v_y為相機坐標系中法線在X軸的分量，v_z為相機坐標系中法線在X軸的分量。

2.根據權利要求1所述的一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，所述步驟S2包括：

將求得的法線從笛卡爾坐標系轉換到圖像坐標系中，基于相同材質的同一平面法線值相近的事實進行聚類分割，通過比較兩法線的歐式距離或余弦相似度實現平面分割，得到不同的平面塊。

3.根據權利要求1所述的一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，所述步驟S3包括：

從分割得到的平面塊中，選擇偏振度大于設定閾值及面積大于設定閾值的平面塊，并在這些平面塊中隨機生成均勻分布的若干像素點，利用直接法實現圖像間像素點的追蹤，最終實現不同圖像間的平面匹配。

4.根據權利要求1所述的一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，所述步驟S4包括：

通過相機和IMU外參標定實現兩傳感器坐標的對齊，同時對齊兩傳感器時間戳，實現兩傳感器融合；

對兩幀之間的IMU進行預積分，得到旋轉ΔR，先對分割得到的平面使用RANSAC算法進一步優化，再求解平面平均天頂角和平均方位角，計算出平均法線值i時刻與i+1時刻圖像對應的一組平均法線對滿足關系式：

式(5)中，R為兩幀之間變換關系；

通過考慮法線最小對其誤差，消除法線模糊性問題：

從而得到無模糊性的平均法線對。

5.根據權利要求4所述的一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，所述步驟S5包括：

將得到的無歧義平均法線對構建最小二乘問題：

在得到兩幀圖像中對應平面的平均法線值的關系后，存在：

利用優化算法實現姿態求解。

6.根據權利要求5所述的一種應用于弱紋理大旋轉場景下的相機的位姿求解方法，其特征在于，所述優化算法包括QR分解、Cholesky分解或奇異值分解算法。