旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，該方法基于視覺測(cè)量技術(shù)，使用兩個(gè)高速攝像機(jī)，分別布設(shè)在目標(biāo)的側(cè)面和下面；為測(cè)量目標(biāo)的滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心位置，在目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記；通過提取攝像機(jī)捕獲圖像中目標(biāo)表面的標(biāo)記線和軸向輪廓線，計(jì)算得到目標(biāo)的位置和姿態(tài)信息。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案得到的旋成體目標(biāo)的位置和姿態(tài)信息相比于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)具有精度高、魯棒性高和測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視覺測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于需要測(cè)量旋成體目標(biāo)位姿參數(shù)的試驗(yàn)，如投放試驗(yàn)，由于目標(biāo)具有外形簡(jiǎn)單、 體積小、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的測(cè)量位姿信息的方法，比如內(nèi)置陀螺儀、加速度計(jì)等，將 影響目標(biāo)重量及質(zhì)量分布，而且響應(yīng)速度達(dá)不到要求，難以運(yùn)用到此類目標(biāo)的位姿測(cè)量試 驗(yàn)中。
[0003] 視覺測(cè)量技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，具有非接觸、高響應(yīng)速度、高精度等諸多 優(yōu)點(diǎn)。首先，建立空間坐標(biāo)系實(shí)體對(duì)象到其圖像的映射關(guān)系，也即攝像機(jī)成像模型，在攝影 測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺中普遍使用中心透視投影疊加非線性鏡頭畸變的成像模型。通過對(duì)攝像 機(jī)參數(shù)標(biāo)定，可以求解出攝像機(jī)幾何模型參數(shù)近似值。在圖像上提取目標(biāo)特征信息，已知攝 像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，根據(jù)投影模型，就可以解算出目標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)。該方法具備簡(jiǎn)單、可靠、靈 活、使用范圍廣等特點(diǎn)，因而有十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 基于視覺測(cè)量技術(shù)的立體視覺方法，可以測(cè)量旋成體目標(biāo)的位姿參數(shù)。如陳杰春 的"基于被動(dòng)視覺的位姿測(cè)量系統(tǒng)"，在模型表面布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)，通過雙目視覺方法得到標(biāo)志 點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而解算得到模型姿態(tài)角信息，但該方法測(cè)量范圍很小。劉雙軍等提出了合 作標(biāo)志點(diǎn)立體匹配法，在模型表面按設(shè)計(jì)規(guī)律布設(shè)一系列標(biāo)志點(diǎn)，使模型在任何姿態(tài)下都 有特征被捕獲，進(jìn)而擴(kuò)大了模型姿態(tài)的測(cè)量范圍，也提高了測(cè)量精度，然而該方法仍然基于 雙目視覺原理，測(cè)量姿態(tài)參數(shù)依賴于圖像上的點(diǎn)特征，容易受到干擾。對(duì)于旋成體目標(biāo)，該 方法得到的俯仰角精度較高，偏航角精度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其包括：步 驟101，設(shè)置兩個(gè)攝像機(jī)的位置，將所述兩個(gè)攝像機(jī)中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在所述旋成體目標(biāo) 的側(cè)面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與所述旋成體目標(biāo)的軸線平行的豎直平面內(nèi)；或?qū)⑺鰞蓚€(gè) 攝像機(jī)中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在所述旋成體目標(biāo)的下面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與所述旋成體 目標(biāo)的軸線垂直的豎直平面內(nèi)；步驟102,在所述旋成體目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記以形成標(biāo)記線；步 驟103,建立三維坐標(biāo)系；步驟104,標(biāo)定攝像機(jī)以獲取用于圖像校正的所述攝像機(jī)的內(nèi)參 數(shù)和用于確定所述攝像機(jī)位置和姿態(tài)的所述攝像機(jī)的外參數(shù)，且根據(jù)所述兩個(gè)攝像機(jī)拍攝 的標(biāo)尺的圖像，獲取三維坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸方向的圖像像素分別與真實(shí)世界的比例；步 驟105,根據(jù)所述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的側(cè)視圖，提取所述旋成體目標(biāo)的軸向輪廓 線和標(biāo)記線，并計(jì)算得到所述旋成體目標(biāo)的俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心X，Y坐標(biāo)；步驟106,根據(jù) 所述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的側(cè)視圖，獲得所述旋成體目標(biāo)質(zhì)心Z坐標(biāo)；步驟107， 構(gòu)建三維仿真場(chǎng)景，以所述旋成體目標(biāo)的三維數(shù)模為模型，根據(jù)步驟105獲得的所述旋成 體目標(biāo)的俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心X，Y坐標(biāo)和步驟106獲得的所述旋成體目標(biāo)質(zhì)心Z坐標(biāo)，預(yù) 設(shè)一個(gè)偏航角初始值；視點(diǎn)設(shè)置為與拍攝產(chǎn)生旋成體目標(biāo)仰視圖的仰視相機(jī)相同的位姿； 然后以小角度改變所述旋成體目標(biāo)的偏航角，獲得一系列的模型投影圖；步驟108,根據(jù)所 述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的仰視圖，提取所述旋成體目標(biāo)的軸向輪廓線；對(duì)所述步 驟107獲取的一系列模型投影圖提取所述模型的軸向輪廓線，并分別與所述旋成體目標(biāo)的 軸向輪廓線對(duì)比斜率，最接近的一條輪廓線，其對(duì)應(yīng)的模型投影圖相應(yīng)的模型偏航角即為 所述旋成體目標(biāo)的偏航角。
[0006] 根據(jù)如上所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，優(yōu)選，在所述步驟108之后，還包 括：步驟109,根據(jù)步驟108獲得的所述旋成體目標(biāo)的偏航角，繼續(xù)執(zhí)行步驟105,重新計(jì)算 所述旋成體目標(biāo)的俯仰角；然后再繼續(xù)后續(xù)步驟，完成所述旋成體目標(biāo)的位姿測(cè)量。
[0007] 根據(jù)如上所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，優(yōu)選，所述步驟102具體包括：建 立世界坐標(biāo)系，以投放有所述旋成體目標(biāo)的風(fēng)洞洞體水平向右為乂 ￥軸，以豎直向上SYw軸， 以垂直于Xw軸和Yw軸且與Xw軸和Yw軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系的方向?yàn)閆w軸。
[0008] 根據(jù)如上所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，優(yōu)選，所述攝像機(jī)為高速攝像機(jī)。
[0009] 本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：
[0010] 本發(fā)明基于視覺測(cè)量技術(shù)，使用兩個(gè)高速攝像機(jī)，分別布設(shè)在目標(biāo)的側(cè)面和下面， 光路圖如附圖1所示；為測(cè)量目標(biāo)的滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心位置，在目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記，如附圖2所示； 通過提取攝像機(jī)捕獲圖像中目標(biāo)表面的標(biāo)記線和軸向輪廓線，計(jì)算得到目標(biāo)的位置和姿態(tài) 信息，從而使得本發(fā)明的旋成體目標(biāo)位姿測(cè)量方法與現(xiàn)有的測(cè)量方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于： [0011] 一、精度高，旋成體目標(biāo)的兩個(gè)視角的圖像充分反映了其位姿信息，表面的標(biāo)記則 確保了滾轉(zhuǎn)角和旋成體目標(biāo)質(zhì)心測(cè)量的準(zhǔn)確性，小角度情況下目標(biāo)姿態(tài)精度達(dá)到〇. 05° ;
[0012] 二、魯棒性高，本方法使用的特征都是線特征，不容易受到圖像噪聲點(diǎn)的干擾；
[0013] 三、測(cè)量范圍大，能夠計(jì)算旋成體目標(biāo)處于各種姿態(tài)下的值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1本發(fā)明中兩個(gè)攝像機(jī)形成的視覺測(cè)量系統(tǒng)的光路；
[0015] 圖2本發(fā)明中適用的旋成體目標(biāo)及目標(biāo)表面設(shè)置的標(biāo)記；
[0016] 圖3本發(fā)明中用于攝像機(jī)標(biāo)定的棋盤格標(biāo)定板和獲取圖像與真實(shí)世界比例的標(biāo) 尺；
[0017] 圖4本發(fā)明中在側(cè)視圖提取目標(biāo)特征線及標(biāo)記；
[0018] 圖5本發(fā)明中的旋成體目標(biāo)側(cè)視圖成像示意圖；
[0019] 圖6本發(fā)明中的測(cè)量滾轉(zhuǎn)角原理圖
[0020] 圖7本發(fā)明中在仰視圖中提取特征線；
[0021] 圖8本發(fā)明中構(gòu)建的三維仿真場(chǎng)景示意圖；
[0022] 圖9本發(fā)明中不同偏航角狀態(tài)下的三維仿真場(chǎng)景圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024] 在旋成體目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，如風(fēng)洞投放試驗(yàn)中的被投放物，為了測(cè)量旋成體目標(biāo) 各個(gè)時(shí)刻的位姿信息，且使得位資信息具有較高的精確度，其中，位姿信息指的是旋成體目 標(biāo)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角和旋成體目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)。
[0025] 參見圖1-9,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其包括：
[0026] 步驟101，設(shè)置兩個(gè)攝像機(jī)的位置，將兩個(gè)攝像機(jī)中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在旋成體目 標(biāo)的側(cè)面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與旋成體目標(biāo)的軸線平行的豎直平面內(nèi)；或?qū)蓚€(gè)攝像機(jī) 中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在旋成體目標(biāo)的下面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與旋成體目標(biāo)的軸線垂直 的豎直平面內(nèi)；
[0027] 步驟102,在旋成體目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記以形成標(biāo)記線；
[0028] 步驟102和102為實(shí)施本實(shí)施例提供的方法所需條件。實(shí)際中攝像機(jī)為高速攝像 機(jī)，攝像機(jī)物理參數(shù)為：型號(hào)PhotronFASTCAMSA5,有效像素1024 (H)X1024 (V)，最大拍攝 速度7000fps;攝像機(jī)的位置：一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在目標(biāo)側(cè)面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與目標(biāo)軸 線平行的豎直平面內(nèi)（如附圖1所示）；或者一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在目標(biāo)下面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè) 置在與目標(biāo)軸線垂直的豎直平面內(nèi)。旋成體目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記，如附圖2所示，圖2中符號(hào)說 明如下=L1,L2,L3,L4,L5R表各段的長(zhǎng)度，具體為：L1R表目標(biāo)頭部到第一段標(biāo)記起始位置 的距離，L2代表第一段標(biāo)記的長(zhǎng)度，L3代表第一段標(biāo)記末尾到第二段標(biāo)記起始位置的距離， L4代表第二段標(biāo)記的長(zhǎng)度，L5代表第二段標(biāo)記末尾到目標(biāo)尾部的距離；L。代表目標(biāo)頭部到 目標(biāo)重心（或稱為質(zhì)心）的距離；r代表目標(biāo)徑向半徑。需要說明的是在對(duì)旋成體目標(biāo)位 姿進(jìn)行視覺測(cè)量時(shí)，所需環(huán)境條件是：旋成體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，如風(fēng)洞投放試驗(yàn)。
[0029] 步驟103,建立三維坐標(biāo)系；
[0030] 為了描述方便，選用世界坐標(biāo)系OwXwYwZw為三維坐標(biāo)系。如附圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn) Ow按具體需要設(shè)定，Xw軸沿風(fēng)洞洞體水平向右，Yw軸豎直向上，Z￥軸垂直于Xw軸和Y￥軸，組 成右手坐標(biāo)系。在其他的實(shí)施例中，還可以選用其他坐標(biāo)系，本實(shí)施例不對(duì)此進(jìn)行限定。
[0031] 步驟104,標(biāo)定攝像機(jī)以獲取用于圖像校正的攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和用于確定攝像機(jī) 位置和姿態(tài)的攝像機(jī)的外參數(shù)，且根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的標(biāo)尺的圖像，獲取三維坐標(biāo)系中 三個(gè)坐標(biāo)軸方向的圖像像素分別與真實(shí)世界的比例；
[0032] 具體地，該步驟具體包括：通過標(biāo)定板（圖3中位于左方的圖所示）標(biāo)定攝像機(jī)， 通過標(biāo)尺（圖3中位于右方的圖所示）獲取圖像像素與真實(shí)世界的比例，如附圖3所示， 棋盤格標(biāo)定板用于標(biāo)定攝像機(jī)，獲取攝像機(jī)的焦距、畸變參數(shù)等內(nèi)參數(shù)和位置、方位等外參 數(shù)，內(nèi)參數(shù)可用于圖像的校正，外參數(shù)用于確定攝像機(jī)的位置和姿態(tài)。標(biāo)尺用于確定圖像與 現(xiàn)實(shí)空間即真實(shí)世界的比例關(guān)系。根據(jù)攝像機(jī)拍攝的標(biāo)尺圖像，獲取三個(gè)坐標(biāo)軸方向的圖 像像素與真實(shí)世界的比例sx，sy，Sz，單位為毫米/像素，如附圖3所示的比例為50. 0/n。
[0033] 步驟105,根據(jù)攝像機(jī)拍攝的旋成體目標(biāo)的側(cè)視圖，提取旋成體目標(biāo)的軸向輪廓線 和標(biāo)記線，并計(jì)算得到旋成體目標(biāo)的俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心X，Y坐標(biāo)；
[0034] 具體地，該步驟的具體包括：
[0035] 輸入目標(biāo)側(cè)視圖，提取目標(biāo)軸向輪廓線和標(biāo)記線?？傻媚繕?biāo)俯仰角α，偏航角β， 與軸向輪廓線與水平方向的夾角C之間的關(guān)系式：
[0036]

【權(quán)利要求】
1. 一種旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其特征在于，所述旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方 法包括： 步驟101，設(shè)置兩個(gè)攝像機(jī)的位置，將所述兩個(gè)攝像機(jī)中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在所述旋成 體目標(biāo)的側(cè)面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與所述旋成體目標(biāo)的軸線平行的豎直平面內(nèi)；或?qū)⑺?述兩個(gè)攝像機(jī)中的一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在所述旋成體目標(biāo)的下面，另一個(gè)攝像機(jī)設(shè)置在與所述 旋成體目標(biāo)的軸線垂直的豎直平面內(nèi)； 步驟102,在所述旋成體目標(biāo)上設(shè)置標(biāo)記以形成標(biāo)記線； 步驟103,建立三維坐標(biāo)系； 步驟104,標(biāo)定攝像機(jī)以獲取用于圖像校正的所述攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和用于確定所述攝 像機(jī)位置和姿態(tài)的所述攝像機(jī)的外參數(shù)，且根據(jù)所述兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的標(biāo)尺的圖像，獲取 三維坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸方向的圖像像素分別與真實(shí)世界的比例； 步驟105,根據(jù)所述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的側(cè)視圖，提取所述旋成體目標(biāo)的軸 向輪廓線和標(biāo)記線，并計(jì)算得到所述旋成體目標(biāo)的俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心X，Y坐標(biāo)； 步驟106,根據(jù)所述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的側(cè)視圖，獲得所述旋成體目標(biāo)質(zhì)心 Z坐標(biāo)； 步驟107,構(gòu)建三維仿真場(chǎng)景，以所述旋成體目標(biāo)的三維數(shù)模為模型，根據(jù)步驟105獲 得的所述旋成體目標(biāo)的俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和質(zhì)心X，Y坐標(biāo)和步驟106獲得的所述旋成體目標(biāo) 質(zhì)心Z坐標(biāo)，預(yù)設(shè)一個(gè)偏航角初始值；視點(diǎn)設(shè)置為與拍攝產(chǎn)生旋成體目標(biāo)仰視圖的仰視相 機(jī)相同的位姿；然后以小角度改變所述旋成體目標(biāo)的偏航角，獲得一系列的模型投影圖； 步驟108,根據(jù)所述攝像機(jī)拍攝的所述旋成體目標(biāo)的仰視圖，提取所述旋成體目標(biāo)的軸 向輪廓線；對(duì)所述步驟107獲取的一系列模型投影圖提取所述模型的軸向輪廓線，并分別 與所述旋成體目標(biāo)的軸向輪廓線對(duì)比斜率，最接近的一條輪廓線，其對(duì)應(yīng)的模型投影圖相 應(yīng)的模型偏航角即為所述旋成體目標(biāo)的偏航角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其特征在于，在所述步驟108 之后，還包括： 步驟109,根據(jù)步驟108獲得的所述旋成體目標(biāo)的偏航角，繼續(xù)執(zhí)行步驟105,重新計(jì)算 所述旋成體目標(biāo)的俯仰角；然后再繼續(xù)后續(xù)步驟，完成所述旋成體目標(biāo)的位姿測(cè)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟102具 體包括： 建立世界坐標(biāo)系，以投放有所述旋成體目標(biāo)的風(fēng)洞洞體水平向右為乂￥軸，以豎直向上 為￥￥軸，以垂直于X w軸和Y w軸且與X w軸和Y w軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系的方向?yàn)閆 w軸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋成體目標(biāo)位姿視覺測(cè)量方法，其特征在于，所述攝像機(jī)為 高速攝像機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01C11/08GK104482924SQ201410766622
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】楊益農(nóng), 周付根, 薛飛, 薛斌黨, 趙玲, 成磊, 黃淵, 蔡廣平 申請(qǐng)人:中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院