基于合作目标的单目视觉位姿跟踪技术研究

论文摘要

随着科学技术的不断发展,位姿跟踪技术已是现代测试、控制、导航等领域研究的重要课题之一,因此,无论在航空航天领域还是民用领域,基于计算机视觉的位姿跟踪技术已经受到了广泛的关注,但是研究一种性能稳定、适用性强的目标跟踪方法依然面临巨大挑战。本论文选题就是针对这一热点和难点,在分析总结已有位姿参数测量技术的基础上,展开了对基于单目视觉三维姿态测量的运动目标跟踪技术的研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文提出了利用外极线方程来估计运动参数的方法,并对相机参数、图像坐标提取、特征点匹配、转台转角控制等进行了研究。在前人工作基础上,改进了估计运动参数的算法,不考虑特征点之间的约束关系,使目标位姿跟踪在工程中更具有实际意义,拓宽了目标位姿跟踪系统在实际工程中的应用范围。本文首先对视觉跟踪系统进行了总体说明,然后分析了基于相机针孔成像模型的单目视觉空间坐标测量问题,通过运动视觉分析,提出从外极线方程估计运动参数的方法,并通过仿真验证了算法的正确性,接着介绍了基于高斯曲面拟合二次线性插值的区域中心定位的数学方法,研究了对相机拍到的图像进行坐标提取,以取得的特征点坐标值,并对相机内外参数标定问题作了说明,然后是对转台控制系统软件驱动接口和控制策略的分析,最后进行了跟踪测量实验,通过两组实验,可以看出转台的转动曲线和实际的目标运动吻合,说明系统能够完成跟踪任务,且实时性较好,通过对位姿跟踪系统的误差来源和不确定度分析,得出系统还只能满足精度要求不太高的位姿跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、目的和意义
• 1.2 国内外该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 视觉跟踪问题分类
• 1.2.2 视觉跟踪算法
• 1.2.3 视觉跟踪问题中的难点
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 单目视觉位姿测量技术
• 2.1 位姿跟踪系统的总体方案
• 2.2 位姿测量原理
• 2.2.1 单相机成像理论
• 2.2.2 运动视觉分析
• 2.2.3 从外极线方程估计运动参数
• 2.2.4 位姿测量算法验证
• 2.3 相机参数及标定方法
• 2.3.1 相机外参数
• 2.3.2 相机外参数标定方法
• 2.3.3 相机内参数
• 2.3.4 相机内参数标定方法
• 2.4 图像坐标定位及匹配
• 2.4.1 图像特征点提取
• 2.4.2 图像坐标精确定位方法
• 2.4.3 特征点匹配
• 2.5 本章小结
• 第3章 位姿跟踪控制方法
• 3.1 转台系统的基本参数及软件设计方案
• 3.2 软件驱动接口设计
• 3.3 被控对象模型
• 3.4 转台模糊控制器设计
• 3.4.1 输入和输出变量隶属度
• 3.4.2 模糊规则
• 3.4.3 模糊推理
• 3.4.4 解模糊化
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验验证与结果分析
• 4.1 实验设备与软件开发平台
• 4.1.1 硬件部分
• 4.1.2 软件部分
• 4.2 系统工作流程
• 4.3 跟踪实验及结果分析
• 4.4 系统误差分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢